DE102012112782A1

DE102012112782A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Zustands eines in einem Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers

Info

Publication number: DE102012112782A1
Application number: DE102012112782.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Steckenreiter; Detlev Wittmer
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26
Also published as: CN104870991A; US9823100B2; DE102012112782A8; US20150316397A1; WO2014095245A1; CN104870991B

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines in einem Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers, wobei in dem Prozessbehälter ein oder mehrere Prozesse durchgeführt werden, und der Messaufnehmer mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb des Prozessbehälters erfasst, umfasst die Schritte: – Identifizieren eines aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses, – Ermitteln eines Abweichungswerts als Maß einer Abweichung eines während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses von dem Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs von einem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlauf, wobei unter Heranziehung des ermittelten Abweichungswerts der Zustand des Messaufnehmers und/oder des Prozesses bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines in einem Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der Prozessmesstechnik und im Bereich der Gas- und Flüssigkeitsanalyse werden zur Erfassung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen Messeinrichtungen eingesetzt. Messaufnehmer sind Bestandteile derartiger Messeinrichtungen. In der Prozessmesstechnik und in der Gas- bzw. Flüssigkeitsanalytik bedeutende Messgrößen sind Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand, sowie insbesondere analytische Parameter von Messmedien, z.B. deren pH-Wert, ihre Leitfähigkeit, Konzentrationen bestimmter Ionen oder anderer chemischer Substanzen, wie beispielsweise Sauerstoff, Kohlendioxid, organische Stoffe oder Nährstoffe in den Messmedien. Die genannten analytischen Parameter spielen in vielfältigen Anwendungen eine Rolle, beispielsweise im Labor oder in der Prozess- bzw. Analysemesstechnik im Bereich der Chemie, Pharmazie, Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie oder im Bereich der Umweltmesstechnik.
Grundsätzlich wandelt ein Messaufnehmer die zu erfassende Messgröße in ein elektrisches Signal, das über eine Messaufnehmer-Kennlinie mit der Messgröße korreliert ist. Das zunächst als elektrisches Signal, beispielsweise als Messspannung, anfallende Messsignal kann mittels einer Auswertungsschaltung weiterverarbeitet und in der Einheit der zu ermittelnden Messgröße ausgegeben und zur Anzeige gebracht werden.
Messeinrichtungen, die in der Prozessmesstechnik oder in der Analysemesstechnik zum Einsatz kommen, können ein Gehäuse umfassen, in dem der Messaufnehmer, die Auswertungsschaltung und eine Anzeigevorrichtung integriert sind. Für komplexere Auswertungen, insbesondere zur Speicherung und/oder Verarbeitung von Messwerten und/oder zur Steuerung oder Regelung von Prozessen unter Verwendung der von der Messeinrichtung erfassten Messwerte kann die Messeinrichtung Mittel zur Datenverarbeitung umfassen. Diese können beispielsweise als Datenverarbeitungseinrichtung in Form eines Messumformers, eines Computers oder einer Speicherprogrammierbaren Steuerung ausgestaltet sein. In der Analysemesstechnik werden in vielen Anwendungen Messaufnehmer eingesetzt, deren Lebensdauer erheblich kürzer ist als die der Anzeigevorichtung oder der Mittel zur Datenverarbeitung. Dies gilt beispielsweise bei Messaufnehmern wie pH-Sensoren, ionenselektiven Elektroden, optischen oder amperometrischen Sensoren zur Erfassung von Konzentrationen bestimmter Substanzen im Messmedium. Häufig sind in diesen Anwendungen die Messaufnehmer als austauschbare Einheiten, z.B. in Form von Messsonden, ausgestaltet, die von der Anzeigevorrichtung oder den Mitteln zur weitergehenden Datenverarbeitung abgesetzt sind, und die über eine Kabelverbindung oder drahtlos mit diesen kommunizieren. Dabei kann zumindest ein Teil der Auswertungsschaltung, beispielsweise als Vor-Ort-Elektronik, Bestandteil der austauschbaren Messaufnehmer-Einheit sein.
Reale Messaufnehmer weichen aufgrund von Alterung durch den Einfluss äußerer, den Messaufnehmer belastenden, Bedingungen wie auch aufgrund innerer Veränderungen mit der Zeit immer stärker vom Idealverhalten ab. Diese Abweichung vom Idealverhalten resultiert in einer Verschiebung der Messaufnehmer-Kennlinie. Es ist daher gängige Praxis, die Messaufnehmer von Zeit zu Zeit zu warten und gegebenenfalls eine Kompensation der Abweichung durchzuführen. Ganz üblich ist dies bei elektrochemischen Messaufnehmern wie pH-Elektroden, ionenselektiven Elektroden, amperometrischen Sauerstoffsensoren, insbesondere Gelöstsauerstoffsensoren, sowie anderen amperometrischen Messaufnehmern und auch bei Leitfähigkeitssensoren. Eine solche Kompensation, bei der der Anzeigewert des Messaufnehmers an den wahren Wert der Messgröße angeglichen wird, wird als Justage bezeichnet. Da in der Prozessmesstechnik jedoch für diesen Vorgang in der Regel der nicht ganz zutreffende Begriff "Kalibrierung" verwendet wird, wird diese Bezeichnung auch hier und im Folgenden beibehalten.
Das Ende der Lebensdauer des Messaufnehmers ist erreicht, wenn seine Alterung so weit fortgeschritten ist, dass trotz Kalibrierung eine Verlässlichkeit der von dem Messaufnehmer gelieferten Messwerte nicht mehr gewährleistet ist. In diesem Fall wird – je nach Art der Messeinrichtung entweder die gesamte Messeinrichtung außer Betrieb genommen und durch eine neue ersetzt oder es wird der Messaufnehmer ausgetauscht.
Die Alterung eines Messaufnehmers, die zu einer Änderung der Übertragungsfunktion führt, hängt auch von den Umgebungsbedingungen ab, denen der Messaufnehmer ausgesetzt ist. So ist es beispielsweise bekannt, dass hohe Temperaturen den Alterungsprozess beschleunigen. Auch Messaufnehmer, die im Betrieb mit chemisch aggressiven Messmedien, beispielsweise starken Säuren oder Laugen, in Kontakt kommen oder die starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, z.B. Messaufnehmer die im Betrieb von einem Medium mit hoher Schmutzfracht umströmt werden oder die hohen Drücken ausgesetzt sind, können überproportional schnell altern.
In DE 101 41 408 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Kalibrier-Intervallzeit, d.h. des zeitlichen Abstands zwischen zwei Kalibrierungen, von elektrochemischen Messaufnehmern beschrieben. Das am Beispiel eines pH-Sensors näher erläuterte Verfahren umfasst die laufende Erfassung mindestens eines für die Alterung des Sensors relevanten Messparameters während des Betriebes des Messaufnehmers. Als Beispiele für einen solchen relevanten Messparameter werden die Temperatur und der pH-Wert genannt. Eine vorgegebene Basis-Kalibrier-Intervallzeit, die unter der Voraussetzung festgelegt wird, dass die überwachten Messparameter in einem die Alterung des Sensors nur wenig beeinflussenden Basis-Wertebereich liegen, kann anhand der erfassten Messparameter laufend angepasst werden, wenn extreme Werte der Messparameter auftreten, die zu einer beschleunigten Alterung des Messaufnehmers führen.
Dieses Verfahren berücksichtigt zwar den Einfluss extremer Werte der überwachten Messparameter auf die Alterung des Messaufnehmers, jedoch vernachlässigt es den überproportionalen Einfluss besonders belastender Prozesse, da es nicht darauf ausgelegt ist, solche Prozesse zu identifizieren und entsprechend zu berücksichtigen.
In EP 1 550 861 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines Messaufnehmers beschrieben, der in einem Behältnis integriert ist, und der ohne ausgebaut zu werden, von Zeit zu Zeit gereinigt wird, beispielsweise unter Anwendung bekannter CIP- (cleaning in place) oder SIP-(sterilization in place) Verfahren. Das Verfahren umfasst die Überwachung des Temperaturverlaufs, wobei anhand des Temperaturverlaufs, insbesondere durch Vergleich mit Schwellenwerten, festgestellt wird, dass ein CIP- oder SIP-Verfahren stattgefunden hat. Die mit dem festgestellten Verfahren verbundene Belastung des Messaufnehmers wird registriert, die Summe aller Belastungen ermittelt und durch Vergleich mit einem Maximalwert der zulässigen Belastungen eine zulässige Restbelastung oder Restlebensdauer berechnet.
Dieses Verfahren ermöglicht mithin die Identifizierung von CIP- oder SIP-Prozessen, denen der Messaufnehmer ausgesetzt ist, und deren Berücksichtigung bei der Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers. Nachteilig ist jedoch, dass der Zustand des Messaufnehmers basierend auf der Temperatur bzw. dem auf den Messaufnehmer einwirkenden Prozess, anhand der sich daraus für den Messaufnehmer ergebenden Belastung bestimmt wird. Die Bestimmung des Sensorzustands anhand dieser von dem Sensor erfahrenen Belastungen kann jedoch nur eine grobe Schätzung sein, die vernachlässigt, dass die Alterung verschiedener Exemplare desselben Sensortyps aufgrund einer fertigungstechnisch bedingten Streuung durch ein und dieselbe Belastung in unterschiedlichem Maße beeinflusst wird. Indem das aus EP 1 550 861 B1 beschriebene Verfahren solche Exemplarstreuungen unberücksichtigt lässt, können sich erhebliche Fehler bei der Zustandsbestimmung des Messaufnehmers ergeben.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eines in einem Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines in einem Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers, wobei in dem Prozessbehälter ein oder mehrere Prozesse durchgeführt werden, und der Messaufnehmer mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb des Prozessbehälters erfasst, umfasst die Schritte:

– Identifizieren eines aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses,
– Ermitteln eines Abweichungswerts als Maß einer Abweichung eines während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses von dem Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs von einem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlauf,

Der Prozessbehälter kann je nach Art des von dem Messaufnehmer überwachten Prozesses beispielsweise eine medienführende Flüssigkeitsleitung, ein Reaktor oder ein Fermenter sein. Der Messaufnehmer kann mittels eines Prozessanschlusses mit dem Prozessbehälter verbunden sein.
Dadurch, dass der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess identifiziert wird, kann eine entsprechende, aufgrund der Einwirkung des Prozesses auf den Messaufnehmer einwirkende Belastung abgeleitet werden. Diese Belastung kann in die Zustandsbestimmung des Messaufnehmers eingehen. Der Abweichungswert, der ein Maß für eine Abweichung des während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses durch den Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs, also des aktuell erfassten Messwertverlaufs, von dem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlauf ist, spiegelt darüber hinaus den tatsächlichen Zustand des Messaufnehmers wider: je stärker der tatsächlich von dem Messaufnehmer erfasste und ausgegebene Messwertverlauf von dem erwarteten Messwertverlauf des identifizierten Prozesses abweicht, umso stärker ist auch die Abweichung des Messaufnehmers von seinem Idealverhalten. Durch Einbeziehung des Abweichungswerts in die Zustandsbestimmung des Messaufnehmers wird daher neben der nominalen Belastung des Messaufnehmers aufgrund des aktuellen Prozesses auch der aktuelle tatsächliche Zustand des Messaufnehmers berücksichtigt.
Der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess kann beispielsweise anhand des mittels des Messaufnehmers aktuell erfassten Messwertverlaufs des Prozessparameters identifiziert werden.
In einer Ausgestaltung kann der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess anhand mindestens eines mittels des Messaufnehmers aktuell erfassten Messwertverlaufs des Prozessparameters identifiziert werden. Ist der Messaufnehmer beispielsweise dazu ausgestaltet, Messwerte der Temperatur zu erfassen, so kann anhand des erfassten Verlaufs der Temperaturmesswerte der Prozess identifiziert werden. Erfasst der Messaufnehmer zusätzlich oder alternativ beispielsweise den pH-Wert, eine Konzentration, eine Leitfähigkeit oder einen Druck, so kann anhand des erfassten Verlaufs dieser Parameter der Prozess identifiziert werden. Wie weiter unten noch näher erläutert werden wird, können zur Identifizierung des aktuell im Prozessbehälter durchgeführten Prozesses auch weitere Messgrößen, die mittels eines oder mehrerer Hilfs-Messaufnehmer erfasst werden, herangezogen werden.
Unter einer Identifizierung anhand des erfassten Messwertverlaufs wird hier und im Folgenden nicht nur eine Identifizierung anhand des gesamten Verlaufs des Messwerts als Funktion der Zeit verstanden. Vielmehr soll hierunter auch die Identifizierung anhand von charakteristischen Merkmalen des Messwertverlaufs verstanden werden. Charakteristische Merkmale eines Messwertverlaufs können beispielsweise ein globaler oder lokaler Maximalwert, ein globaler oder lokaler Minimalwert, eine Steigung, ein überlagertes Rauschen, ein Spektrum, ein Plateau, ein Gradient, eine Schwellenwertüberschreitung oder eine Schwellenwertunterschreitung sein.
Zur Identifizierung des Prozesses anhand des aktuell erfassten Messwertverlaufs kann der aktuell erfasste Messwertverlauf bzw. dessen charakteristische Merkmale mit mindestens einem erwarteten Messwertverlauf, der eine vorgegebene Prozessklasse repräsentiert, verglichen werden und bei hinreichend geringer Abweichung des aktuell erfassten Messwertverlaufs von dem erwarteten Messwertverlauf der dem aktuell erfassten Messwertverlauf zugrunde liegende aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess als Prozess der vorgegebenen Prozessklasse identifiziert werden.
Eine Prozessklasse kann beispielsweise ein Sterilisationsverfahren zur Sterilisierung des Prozessbehälters mit dem darin integrierten Messaufnehmer sein, ein sogenanntes SIP-Verfahren (SIP = Sterilisation in place). Es können auch weitere Prozessklassen vorgegeben sein, beispielsweise ein oder mehrere unterschiedliche Reinigungsverfahren, bei denen der Prozessbehälter mit dem darin integrierten Messaufnehmer von einer Reinigungsflüssigkeit, gegebenenfalls bei erhöhter Temeperatur durchströmt wird. Solche Verfahren werden auch als CIP-Verfahren (CIP = cleaning in place) bezeichnet. Darüber hinaus kann auch ein in dem Prozessbehälter durchgeführtes Verfahren zur Herstellung oder Verarbeitung eines chemischen oder lebensmitteltechnischen Produktes eine Prozessklasse bilden. Jeder Prozessklasse liegt dabei mindestens ein erwarteter Messwertverlauf mindestens eines Prozessparameters, z.B. Temperatur, pH-Wert, Druck, Leitfähigkeit, zugrunde.
Der aktuell erfasste Messwertverlauf und der erwartete Messwertverlauf können anhand eines oder mehrerer Merkmale der Messwertverläufe, insbesondere anhand des Messwertverlaufs selbst, eines Gradienten des Messwertverlaufs, einer Schwellenwertüberschreitung, einer Schwellenwertunterschreitung, eines lokalen oder absoluten Extremums des Messwertverlaufs, eines dem Messwertverlauf überlagerten Rauschens oder eines Plateaus des Messwertverlaufs, verglichen werden.
Der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess kann in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Klassifikators identifiziert werden, indem der Klassifikator den aktuell erfassten Messwertverlauf oder mindestens ein oder mehrere Merkmale des Messwertverlaufs einer vorgegebenen Prozessklasse zuordnet und als Abweichungswert eine Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit der der aktuelle Messwertverlauf einen Prozess der Prozessklasse repräsentiert.
Unter einem Klassifikator versteht man ein Verfahren zur Klassifizierung, das auch in Form eines Computerprogrammprodukts ausgestaltet sein kann. Ein solcher maschineller Klassifikator umfasst einen lernenden Algorithmus, der aufbauend auf einer bekannten Datenbasis von erwarteten Messwertverläufen ein oder mehrere erwartete Merkmale einer oder mehrerer Prozessklassen, z.B. SIP-Verfahren, CIP-Verfahren, Produktionsprozess- oder Verarbeitungs-Verfahren, erlernt, sowie einen auswertenden Algorithmus, der einen neuen und bisher nicht-identifizierten Prozess aufgrund eines Vergleichs von dessen Merkmalen mit den erlernten Merkmalen einer dieser Prozessklassen zuordnet. Als maschineller Klassifikator kommt beispielsweise ein neuronales Netz, ein Polynomklassifikator oder ein Fuzzy-Klassifikator in Frage. Der Klassifikator kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass er eine Wahrscheinlichkeit ermittelt, mit der der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess ein Prozess der zugeordneten Prozessklasse ist. Diese Wahrscheinlichkeit oder ein daraus abgeleiteter Wert kann im vorliegenden Verfahren als Abweichungswert dienen. Der Prozess kann derjenigen Prozessklasse zugeordnet werden, für die die ermittelte Wahrscheinlichkeit am höchsten ist.
In der Lernphase können dem Klassifikator beispielsweise ein oder mehrere erwartete Messwertverläufe des mindestens einen Prozessparameters zur Verfügung gestellt werden, die jeweils eine Prozessklasse repräsentieren. Werden in dem Prozessbehälter beispielsweise abwechselnd ein SIP-Verfahren, ein CIP-Verfahren und ein Verfahren zur Synthese einer chemischen Verbindung durchgeführt, so können dem Klassifikator in der Lernphase erwartete Verläufe der von dem Messaufnehmer an seinem Einbauort erfassten Messwertverläufe zusammen mit der Information, zu welchem dieser Verfahren die Messwertverläufe jeweils gehören, zur Verfügung gestellt werden. Der Klassifikator erlernt in der Lernphase anhand dieser Datenbasis erwartete Merkmale eines Messwertverlaufs der Prozessklasse "SIP-Verfahren", entsprechende erwartete Merkmale der Prozessklasse "CIP-Verfahren", und entsprechende erwartete Merkmale der Prozessklasse "Syntheseverfahren", indem er diese Merkmale der entsprechenden Prozessverläufe extrahiert und der jeweiligen Prozessklasse zuordnet.
Nach Abschluss der Lernphase kann der Klassifikator die vom Messaufnehmer erfassten Messwerte laufend mit den erlernten erwarteten Merkmalen der verschiedenen Prozessklassen vergleichen und jeweils eine Übereinstimmung in Form von den Prozessklassen zugeordneten Abweichungswerten bestimmen. Soweit sich dabei für eine Prozessklasse eine hinreichend geringe Abweichung von den erlernten erwarteten Merkmalen und damit eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Prozess dieser Prozessklasse angehört, ergibt, wird der Prozess als ein zu dieser Prozessklasse gehöriger Prozess identifiziert.
Der erwartete Messwertverlauf oder die mehreren erwarteten Messwertverläufe können anhand von Vorversuchen unter Verwendung mindestens eines von dem Messaufnehmer verschiedenen, aber hinsichtlich Messgenauigkeit, Dynamik und Messbereich vergleichbaren, am Einsatzort des Messaufnehmers in den Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers vorgegeben werden.
In einer anderen Ausgestaltung kann der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess anhand einer Information einer den aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozess steuernden Prozesssteuerung identifiziert werden. Beispielsweise kann die Prozesssteuerung Informationen über aktuell von der Steuerung ausgelöste oder überwachte Prozesse an die Auswertungsschaltung des Messaufnehmers für die Durchführung des Verfahrens zur Verfügung stellen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess anhand einer von einem Benutzer einer Mess- und Auswertungsschaltung des Messaufnehmers eingegebenen Information identifiziert werden.
Der Abweichungswert kann in beiden voranstehend angegebenen Ausgestaltungen durch einen Vergleich des für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlaufs mit dem aktuell erfassten Messwertverlauf ermittelt werden. Insbesondere ist es möglich, den Abweichungswert anhand eines Vergleichs eines oder mehrerer Merkmale des erwarteten Messwertverlaufs mit ein oder mehreren entsprechenden Merkmalen des aktuell erfassten Messwertverlaufs zu ermitteln. Als Merkmale kommen, wie weiter oben schon erwähnt, beispielsweise Schwellenwertüberschreitungen, lokale oder globale Extrema, ein Rauschen, eine spektrale Zusammensetzung des Messsignals, ein Plateau des Messwertverlaufs u.ä. in Frage.
Der eine oder die mehreren Prozesse können während der Lebensdauer des Messaufnehmers in dem Prozessbehälter wiederholt durchgeführt werden, eine Änderung der dabei ermittelten Abweichungswerte ermittelt, und der Zustand des Messaufnehmers anhand der Änderung bestimmt werden. Wird beispielsweise eine (sprunghafte) Änderung der Abweichungswerte ermittelt bzw. übersteigt die Änderung einen vorgegebenen Schwellenwert, so kann daraus geschlossen werden, dass sich der tatsächliche Zustand des Messaufnehmers (sprunghaft) verändert hat. Dies kann als Indiz für einen kurz bevorstehenden Ausfall des Messaufnehmers gewertet werden. Insbesondere kann ein Alarm-Schwellenwert für die Änderung der Abweichungswerte vorgegeben werden. Wird dieser Schwellenwert überschritten, so kann ein Alarm ausgelöst werden, der einen sofortigen Wartungsbedarf des Messaufnehmers und/oder das Erfordernis eines sofortigen Austauschs des Messaufnehmers anzeigt.
Zur Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers kann beispielsweise eine zeitliche Entwicklung der wiederholt ermittelten Abweichungswerte zur Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers, insbesondere zur Vorhersage einer Restlebensdauer des Messaufnehmers, verwendet werden. Mit zunehmender Einsatzdauer des Messaufnehmers, die entsprechend mit einer zunehmenden Gesamtbelastung des Messaufnehmers durch die Prozesse, denen er ausgesetzt ist, einhergeht, ist auch eine zunehmende Abweichung des Messaufnehmer-Verhaltens vom erwarteten Verhalten zu erwarten. Dies schlägt sich in einem Abweichungswert-Trend hin zu stärkeren Abweichungen zwischen dem aktuell erfassten Messwertverlauf und dem erwarteten Messwertverlauf nieder. Entsprechend kann eine zeitliche Entwicklung zur Trendbestimmung des Sensorzustands und damit insbesondere auch zur Bestimmung einer Restlebensdauer oder einer Zeit bis zur nächsten Kalibrierung herangezogen werden.
Mittels eines vorgegebenen Gütekriteriums kann der aktuell ermittelte Abweichungswert entweder als tolerabel oder als nicht tolerabel eingestuft werden, und im Falle, dass der Abweichungswert als nicht tolerabel eingestuft wird, eine Warnung oder ein Alarm ausgelöst werden.
Mittels des Messaufnehmers selbst oder mittels eines zusätzlichen, ebenfalls in den Prozessbehälter integrierten Hilfsmessaufnehmers kann mindestens ein Zusatz-Parameter erfasst werden, der in die Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers und gegebenenfalls in eine zusätzliche Bestimmung eines Zustands des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses eingeht. Der erfasste Zusatzparameter kann insbesondere dazu dienen zwischen einer Abweichung des Messaufnehmers vom erwarteten Verhalten und einer Abweichung des Prozesses vom erwarteten Verhalten zu unterscheiden. Bei dem Zusatz-Parameter kann es sich beispielsweise um einen weiteren Prozessparameter handeln. Gleichermaßen kann der Zusatz-Parameter eine vom tatsächlichen Zustand des Messaufnehmers abhängige Hilfsgröße, beispielsweise im Falle eines pH-Sensors ein Membranwiderstand oder ein Diaphragmawiderstand, sein.
Indem als Zusatzparameter ein oder mehrere weitere Prozessparameter, z.B. Druck, Temperatur, pH-Wert, Durchfluss, die Konzentration einer Substanz, in einem im Prozessbehälter vorliegenden Medium oder ein oder mehrere sonstige Zusatzparameter ermittelt und bei der Zustandsbestimmung berücksichtigt werden, kann unterschieden werden, ob eine ermittelte Abweichung des aktuell erfassten Messwertverlaufs von einem erwarteten Messwertverlauf durch eine Abweichung des Messaufnehmers vom erwarteten Verhalten oder eine Abweichung des Prozesses von einem erwarteten Verhalten verursacht ist.
Vorzugsweise ist der erwähnte Klassifikator dazu ausgestaltet, anhand der zusätzlich zu dem vom Messaufnehmer erfassten Messwertverlauf ein oder mehrere Zusatz-Parameter auszuwerten, anhand derer feststellbar ist, ob die Ursache für eine erkannte Abweichung des Messwertverlaufs von einem erwarteten Messwertverlauf durch einen Defekt oder eine Wartungsbedürftigkeit des Messaufnehmers und/oder dadurch verursacht ist, ob der im Prozessbehälter durchgeführte Prozess nicht gewünscht verläuft.
Der Klassifikator kann den Zustand und/oder des Prozesses in diesem Fall als zu einer der vier vorgegebenen Klassen "Messaufnehmer und Prozess in Ordnung", "Prozess in Ordnung, Messaufnehmer fehlerhaft", "Messaufnehmer in Ordnung, Prozess fehlerhaft" und "Messaufnehmer fehlerhaft, Prozess fehlerhaft" klassifizieren.
Der Messaufnehmer kann in einer bevorzugten Ausgestaltung Messwertverläufe mindestens zweier verschiedener Prozessparameter erfassen,
wobei der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess, beispielsweise anhand der aktuell erfassten Messwertverläufe, identifiziert wird, und
wobei bezüglich eines, vorzugsweise bezüglich aller, Prozessparameter jeweils ein Abweichungswert als Maß einer Abweichung eines während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses von dem Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs von einem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlaufs ermittelt wird.
Das Ermitteln des Abweichungswerts und das Bestimmen des Zustands des Messaufnehmers anhand des ermittelten Abweichungswerts kann von einer Auswertungsschaltung ausgeführt werden, die mindestens teilweise Bestandteil des Messaufnehmers und/oder mindestens teilweise Bestandteil einer mit dem Messaufnehmer verbundenen übergeordneten Datenverarbeitungseinheit, insbesondere eines Messumformers, eines Computers oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung, ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen,
umfassend:
einen Prozessbehälter und mindestens einen darin integrierter Messaufnehmer;
eine Auswertungsschaltung umfassend mindestens einen Prozessor und einen Programmspeicher zur Ausführung eines in dem Programmspeicher hinterlegten Programms zur Identifizierung eines aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses, zur Ermittlung eines Abweichungswerts als Maß einer Abweichung eines während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses von dem Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs von einem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlauf, und zur Ermittlung des Zustands des Messaufnehmers und/oder des Prozesses unter Heranziehung des Abweichungswerts.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Messanordnung mit einem Prozessbehälter und darin integrierten Messaufnehmern;
2 einen erwarteten Messwertverlauf der Prozessparameter Temperatur und pH-Wert bei der Durchführung eines SIP-Prozesses in dem Prozessbehälter gemäß 1;
3 einen erwarteten Messwertverlauf der Prozessparameter Temperatur und pH-Wert bei der Durchführung eines CIP-Prozesses in dem Prozessbehälter gemäß 1;
4 einen ersten Verlauf der über mehrere SIP-Zyklen ermittelten Abweichungswerte;
5 einen zweiten Verlauf der über mehrere SIP-Zyklen ermittelten Abweichungswerte.
In 1 ist schematisch eine Messanordnung 1 zur Erfassung und Überwachung von Prozessparametern eines industriellen Prozesses dargestellt. In einem Prozessbehälter 2, der im vorliegenden Beispiel durch ein medienführendes Rohr gebildet ist, sind zwei Messaufnehmer 4 und 5 integriert, die jeweils eine Messgröße eines den Prozessbehälter 2 durchströmenden Prozessmediums 3 erfassen. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei beiden Messaufnehmern 4, 5 um pH-Sensoren mit zusätzlich integriertem Temperatur-Messaufnehmer. Es ist aber auch möglich, dass die beiden Messaufnehmer dazu ausgestaltet sind, unterschiedliche Messgrößen zu erfassen, z.B. könnte ein Messaufnehmer als pH-Sensor mit integriertem Temperaturfühler und der zweite Messaufnehmer als Leitfähigkeitssensor ausgestaltet sein. Grundsätzlich kann die Messanordnung zusätzlich oder alternativ Messaufnehmer zur Erfassung von Druck, Temperatur oder zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen in dem Prozessmedium 3 aufweisen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Messaufnehmer in den Prozessbehälter 2 integriert sein. Die Messaufnehmer 4 und 5 weisen ein Gehäuse auf, in dem eine Messschaltung integriert ist. Die Messschaltungen umfassen jeweils Mittel zur Erzeugung eines digitalisierten Messwertsignals und sind dazu ausgestaltet, das Signal an eine übergeordnete Einheit, hier einen Messumformer 8, auszugeben. Der Messumformer 8 umfasst Datenverarbeitungsmittel, die dazu ausgestaltet sind, von den Messaufnehmern 4, 5 erhaltene Signale einer weiteren Auswertung zu unterziehen. Die Datenverarbeitungsmittel des Messumformers 8 und die Messschaltungen der Messaufnehmer 4, 5 bilden im vorliegenden Beispiel zusammen eine Auswertungsschaltung, die der Erfassung und Verarbeitung, insbesondere Auswertung, der von dem Messaufnehmern 4, 5 erfassten und registrierten Messwerte dient. Die Auswertungsschaltung kann in einer alternativen Ausgestaltung auch vollständig im Messaufnehmer, vollständig im Messumformer oder verteilt über mehrere weitere Einheiten ausgestaltet sein.
Die übergeordnete Einheit, hier der Messumformer 8, kann mit einzelnen oder allen Messaufnehmern 4, 5 über eine kabelgebundene Verbindung Energie und Daten austauschen. Einzelne oder alle Messaufnehmer können alternativ oder zusätzlich über eine Funkverbindung mit der übergeordneten Einheit kommunizieren. Der Messumformer 8 umfasst Eingabemittel 9, z.B. Tasten oder Dreh-Drückschalter, und ein Anzeigeelement 10, z.B. ein Display. Eingabemittel und Anzeigeelement können auch in einer einzigen Einheit integriert sein, z.B. in Form eines Touch-Screens. Mittels der Eingabemittel 9 und des Anzeigeelements 10 kann ein Benutzer Messwerte ausgeben sowie weitere Auswertungen der von den Messaufnehmern 4, 5 zur Verfügung gestellten Signale veranlassen und mittels des Anzeigeelements 10 darstellen kann. Der Messumformer 8 ist über eine Kommunikationsverbindung, beispielsweise einen Feldbus, mit einer Prozessleitstelle 12 verbunden.
Der Prozessbehälter 2 kann Bestandteil einer Prozessanlage sein, die beispielsweise zur Herstellung eines chemischen, pharmazeutischen oder lebensmitteltechnischen Produktes dient. Im Betrieb der Prozessanlage werden in dem Prozessbehälter 2 in der Regel nacheinander, insbesondere zyklisch, verschiedene Prozesse durchgeführt, nämlich mindestens ein Produktionsprozess, der der Herstellung des entsprechenden Produktes dient, sowie regelmäßig durchgeführte Reinigungs- oder Sterilisationsprozesse.
In 2 ist der typische Verlauf des pH-Werts pH_SIP und der Temperatur T_SIP bei einem SIP-Prozess (= sterilisation in place), d.h. einem Sterilisationsprozess, bei dem der Prozessbehälter 2 mit den darin integrierten Messaufnehmern 4, 5 sterilisiert wird, indem Heißdampf durch den Prozessbehälter 2 gespült wird, dargestellt (durchgezogene Linien). Der Heißdampf soll bei SIP-Prozessen im Allgemeinen eine Temperatur von mindestens 120°C aufweisen. Die zu sterilisierenden Teile, d.h. hier der Prozessbehälter 2 und die Messaufnehmer 4, 5 sollen dabei dem Heißdampf über einen Zeitraum von mindestens 20 bis 30 Minuten ausgesetzt sein. Der pH-Wert bleibt während des SIP-Verfahrens innerhalb des Neutralbereichs im Wesentlichen konstant. Die in 2 als durchgezogene Linien dargestellten Verläufe des pH-Werts und der Temperatur stellen somit die erwarteten Messwertverläufe pH_SIP, T_SIP der beiden Prozessparameter pH-Wert und Temperatur während eines SIP-Prozesses dar.
In 3 ist ein typischer Verlauf des pH-Werts pH_CIP und der Temperatur T_CIP bei einem CIP Prozess (= cleaning in place), d.h. einem Reinigungsprozess, bei dem der Prozessbehälter 2 mit den darin integrierten Messaufnehmern 4, 5 gereinigt wird, dargestellt (durchgezogene Linien). Im hier dargestellten Beispiel umfasst der CIP-Prozess eine Spülung des Prozessbehälters mit den darin integrierten Messaufnehmern 4, 5 mit heißer Natronlauge über einen Zeitraum von mindestens 20 Minuten, gefolgt von einer anschließenden Spülung mit deionisiertem Wasser. Entsprechend zeigt der Verlauf des pH-Werts einen Anstieg auf über pH 13 während des Zeitraums der Spülung mit Natronlauge. Während des anschließenden Spülens mit deionisiertem Wasser fällt der pH-Wert auf einen Wert von pH 6. Die Temperatur T_CIP steigt während des Spülens mit heißer Natronlauge auf über 80 °C an und fällt in Folge des anschließenden Spülens wieder ab. Die in 3 als durchgezogene Linien dargestellten Messwertverläufe pH_CIP, T_CIP entsprechen also den erwarteten Messwertverläufen der Parameter pH-Wert und Temperatur während eines CIP-Prozesses.
Im Folgenden wird nun anhand einiger Beispiele die Identifizierung eines in dem Prozessbehälter 2 durchgeführten Prozesses anhand eines von mindestens einem der Messaufnehmer 4, 5 erfassten Messwertverlaufs beschrieben. Obwohl in diesen Beispielen lediglich Messwerte von pH-Wert und Temperatur betrachtet werden, können selbstverständlich in gleicher Weise auch Messwerte anderer Prozessparameter wie Leitfähigkeit, Stoffkonzentrationen oder Druck berücksichtigt werden. Obwohl die Erfindung hier am Beispiel von Reinigungs- oder Sterilisationsprozessen beschrieben wird, kann sie gleichermaßen auf andere Prozesse, beispielsweise auf Produktions- oder Verarbeitungsprozesse übertragen werden.
Die Identifizierung eines CIP- oder SIP-Prozesses kann beispielsweise erfolgen, indem anhand des aktuell von mindestens einem der Messaufnehmer 4, 5 erfassten Messwertverlaufs der zu diesem Messwertverlauf gehörige aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess einer vorgegebenen Prozessklasse zugeordnet wird. Im vorliegenden Fall sind drei Prozessklassen vorgegeben, nämlich die Prozessklasse "SIP-Prozess", die Prozessklasse "CIP-Prozess" und die Prozessklasse "sonstiger Prozess". Unter einem sonstigen Prozess ist hier jeder Prozess zu verstehen, der weder ein SIP-Prozess noch ein CIP-Prozess ist.
1. Beispiel
In einem ersten Beispiel sind in einem Speicher des Messumformers 8 die erwarteten Messwertverläufe des SIP- und des CIP-Prozesses repräsentierende Merkmale hinterlegt. Diese Merkmale werden im Folgenden auch als "erwartete Merkmale" bezeichnet. Im vorliegenden Fall ist ein erstes erwartetes Merkmal des Temperaturverlaufs während eines SIP-Prozesses die Überschreitung eines Schwellenwertes von 120 °C. Ein zweites erwartetes Merkmal des Temperaturverlaufs ist ein sich an die Schwellenwertüberschreitung anschließendes über mindestens 20 min bei über 120 °C verbleibendes Plateau des Temperaturverlaufs.
Ein erstes erwartetes Merkmal des Temperaturverlaufs bei einem CIP-Prozess ist eine Überschreitung eines Schwellenwertes von 80°C. Ein zweites erwartetes Merkmal des Temperaturverlaufs ist ein sich an die Schwellenwertüberschreitung anschließendes über mindestens 20 min bei über 80°C verbleibendes Plateau des Temperaturverlaufs.
Ein erwartetes Merkmal des pH-Wertverlaufs bei einem SIP-Prozess ist der über einen Zeitraum von 20 min konstant bleibende pH-Wert im Neutralbereich. Ein erstes erwartetes Merkmal des pH-Wertverlaufs bei einem CIP-Prozess ist die Überschreitung eines Schwellenwertes von pH = 13. Ein zweites erwartetes Merkmal des pH-Wertverlaufs bei einem SIP-Prozess ist ein sich an die Schwellenwertüberschreitung anschließendes, über mindestens 20 min bei über pH = 13 verbleibendes Plateau des pH-Wertverlaufs.
Selbstverständlich können weitere Merkmale für den Vergleich zwischen dem aktuellen und einem erwarteten Messwertverlauf berücksichtigt werden.
Anhand dieser hinterlegten erwarteten Merkmale kann ein aktuell in dem Prozessbehälter 2 durchgeführter Prozess durch Zuordnung zu einer der vorgegebenen Prozessklassen "CIP-Prozess", "SIP-Prozess" oder "sonstiger Prozess" identifiziert werden. Hierzu können sämtliche oder nur einzelne hinterlegte erwartete Merkmale herangezogen werden. Im Folgenden wird der Einfachheit halber lediglich die Identifizierung anhand der Temperaturmesswerte beschrieben. In gleicher Weise können jedoch zusätzlich oder alternativ auch die pH-Messwerte herangezogen werden.
Mindestens einer der Messaufnehmer 4, 5 erfasst laufend Messwerte der Temperatur und gibt diese an den Messumformer 8 aus. Dieser umfasst Datenverarbeitungsmittel, die dazu ausgestaltet sind, den aktuell erfassten Messwertverlauf laufend mit den erwarteten Merkmalen des Temperaturverlaufs abzugleichen.
Der in 2 und 3 als gestrichelte Linien dargestellte Messwertverlauf des pH-Werts ApH bzw. der Temperatur AT wurde während der Durchführung eines ersten Prozesses A in dem Prozessbehälter 2 von dem Messaufnehmer 4 erfasst. Der in 2 und 3 als punktierte Linie dargestellte Messwertverlauf des pH-Werts BpH und der Temperatur BT wurden während der Durchführung eines zweiten Prozesses B in dem Prozessbehälter 2 von dem Messaufnehmer 4 erfasst. Zur Identifizierung der Prozesse A und B werden die Messwertverläufe von dem Messaufnehmer 8 daraufhin überprüft, inwieweit sie die hinterlegten, für einen CIP- oder SIP-Prozess erwarteten Merkmale aufweisen.
Hierzu sind in dem Speicher des Messumformers 8 neben den erwarteten Merkmalen der CIP- und SIP-Prozesse zusätzlich Toleranzbereiche, beispielsweise in Form von oberen und unteren Schwellenwerten, hinterlegt. Im vorliegenden Fall ist mit Bezug auf das erste erwartete Merkmal des SIP-Prozesses, dass der Messwertverlauf einen Schwellenwert T_S,SIP von 120 °C überschreitet, ein oberer und ein unterer Toleranzschwellenwert bei T_O,SIP = 135 °C und bei T_U,SIP = 110 °C hinterlegt.
Anhand dieser Toleranzbereiche kann ein Abweichungswert des aktuellen Messwertverlaufs von dem erwarteten Messwertverlauf ermittelt werden: Im vorliegenden Beispiel erreicht der Temperaturverlauf BT einen Wert von 118 °C. Er überschreitet also den unteren Toleranzschwellenwert T_U,SIP, aber nicht den erwarteten Schwellenwert T_S,SIP. Als Abweichungswert dient im vorliegenden Beispiel die relative Abweichung des tatsächlichen Messwerts bezogen auf das zwischen dem erwarteten Wert von 120 °C und dem unteren Toleranzschwellenwert von 110 °C. Vorliegend beträgt der Abweichungswert also 0,2.
Entsprechende Toleranzbereiche für die erwarteten Merkmale des CIP-Prozesses hinterlegt. Beispielsweise kann bezüglich des erwarteten Merkmals der Überschreitung eines Schwellenwertes T_S,CIP von 80 °C für einen CIP-Prozess ein oberer Toleranzschwellenwert T_O,CIP von 90 °C und ein unterer Toleranzschwellenwert T_U,CIP von 70 °C vorgegeben sein. Ein Vergleich des Temperaturverlaufs AT mit den erwarteten Merkmalen des CIP-Prozesses führt zur Registrierung der Überschreitung des Temperaturschwellenwertes von 80 °C, das erste erwartete Merkmal ist mithin erfüllt. Jedoch ergibt ein Vergleich des tatsächlich erfassten Temperaturmesswerts von 118 °C mit dem erwarteten Temperaturwert T_S,CIP von 80 °C bezogen auf das Intervall zwischen dem oberen Toleranzschwellenwert T_U,CIP von 90 °C und dem erwarteten Wert von 80 °C eine relative Abweichung von 3,8 als Abweichungswert.
Ein entsprechender Vergleich wird auch bezüglich des zweiten erwarteten Merkmals, der jeweiligen Plateau-Länge des Temperatur-Messwertverlaufs, für den CIP- bzw. den SIP-Prozess durchgeführt und entsprechende Abweichungswerte ermittelt. Vorliegend stellen die Auswertungsmittel des Messumformers 8 fest, dass die Abweichungswerte bezüglich der erwarteten Merkmale des SIP-Prozesses geringer sind als die Abweichungswerte bezüglich der erwarteten Merkmale des CIP-Prozesses. Der Prozess A wird daher der Prozessklasse „SIP-Prozess“ zugeordnet und somit als SIP-Prozess identifiziert.
Anhand eines Vergleichs der aktuell erfassten Messwertverläufe ApH, BpH, und BT mit den erwarteten Merkmalen und den zugehörigen Toleranzschwellenwerten können in gleichartiger Weise wie anhand des Temperaturverlaufs AT beschrieben, Abweichungswerte ermittelt werden und die Prozesse A und B anhand der Abweichungswerte identifiziert werden. Insbesondere kann durch Heranziehen des Messwertverlaufs des pH-Werts ApH die anhand des Temperaturverlaufs erfolgte Identifizierung des Prozesses A als SIP-Prozess verifiziert werden.
Zur Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers kann diesem abhängig von der Art des identifizierten Prozesses eine bestimmte Belastung aufgrund dieses Prozesses zugeordnet werden. Mit jedem SIP-Prozess, den der Messaufnehmer erfährt, wird ihm ein dem SIP-Prozess entsprechender Belastungswert zugeordnet, wobei alle dem Messaufnehmer zugeordneten Belastungswerte zu einer Gesamtbelastung aufsummiert werden. Die Gesamtbelastung entspricht der Summe der über die Lebenszeit des Messaufnehmers angesammelten Belastungswerte. Im einfachsten Fall kann die Zuordnung der Belastung erfolgen, indem ein Belastungszähler um einen vorgegebenen Wert hochgezählt wird. Entsprechend kann auch mit jedem CIP-Prozess, den der Messaufnehmer erfährt, diesem ein vorgegebener Belastungswert zugeordnet werden, wobei die Belastungswerte aufgrund von CIP-Prozessen ebenfalls zur Gesamtbelastung addiert werden. Die Gesamtbelastung ist ein mögliches Maß für den Zustand des Messaufnehmers. Erreicht sie einen vorgegebenen Maximalbelastungswert ist das Ende der Lebensdauer des Messaufnehmers erreicht. Bei Erreichen oder kurz vor Erreichen des Maximalbelastungswert kann der Messumformer 8 einen Alarm über das Anzeigeelement 10 oder an die Leitstelle 12 ausgeben.
Die bei der Identifizierung des aktuell in dem Prozessbehälter 2 durchgeführten Prozesses ermittelten Abweichungswerte können ebenfalls zur Ermittlung des Messaufnehmerzustands herangezogen werden. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.
2. Beispiel
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird der aktuell in dem Prozessbehälter 2 durchgeführte Prozess und der die Abweichung des aktuell während des Prozesses erfassten Messwertverlaufs repräsentierende Abweichungswert mittels eines Klassifikators bestimmt.
Der Klassifikator kann als im Messumformer 8 gespeichertes, von diesem ausführbares Computerprogrammprodukt ausgestaltet sein. Der Klassifikator umfasst einen lernenden Algorithmus, dem in einer Lernphase eine Reihe von Messwertverläufen später zu identifizierender Prozesse vorgegeben werden. Anhand der vorgegebenen Messwertverläufe erlernt der Klassifikator ein oder mehrere erwartete Merkmale und/oder ein oder mehrere erwartete Messwertverläufe für die verschiedenen möglichen Prozessklassen, z.B. im hier betrachteten Beispiel für die Prozessklassen "SIP-Prozess", "CIP-Prozess" und "sonstiger Prozess". Selbstverständlich ist es möglich, dass der Klassifikator auch erwartete Messwertverläufe bzw. erwartete Merkmale anderer Prozesse, insbesondere von Produktions- oder Verarbeitungsprozessen, erlernt.
Beispielsweise können dem Klassifikator in der Lernphase eine Bibliothek von Messwertverläufen verschiedener Prozesse, insbesondere von CIP- oder SIP-Prozessen, zur Verfügung gestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden dem Klassifikator Messwertverläufe zur Verfügung gestellt, die während der Durchführung der Prozesse, z.B. der SIP- oder CIP-Prozesse in dem Prozessbehälter 2 von einem darin integrierten Messaufnehmer 4, 5 erfasst werden. Auf diese Weise erlernt der Klassifikator die erwarteten Messwertverläufe an der konkreten Messstelle innerhalb des Prozessbehälters, in dem der Messaufnehmer 4, 5 eingesetzt ist und unter Berücksichtigung der konkreten Einbausituation des Messaufnehmers 4, 5. Dies erlaubt eine wesentlich genauere Identifizierung der Prozesse nach Ablauf der Lernphase als wenn dem Messumformer 8 die erwarteten Messwertverläufe nur anhand "typischer" Messwertverläufe in einer idealen oder auch nur in einer abweichenden Einbausituation zur Verfügung gestellt werden.
Nach Abschluss der Lernphase kann der Klassifikator mittels eines auswertenden Algorithmus die vom Messaufnehmer erfassten Messwertverläufe ApH, AT, BpH, BT laufend mit den erlernten erwarteten Merkmalen der verschiedenen Prozessklassen vergleichen und jeweils ein Maß der Übereinstimmung bzw. Abweichung in Form von den Prozessklassen zugeordneten Abweichungswerten bestimmen. Soweit sich dabei für eine Prozessklasse ein eine hinreichend geringe Abweichung repräsentierender Abweichungswert ergibt, wird der Prozess als ein zu dieser Prozessklasse gehöriger Prozess identifiziert. Der Klassifikator kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass er als Abweichungswert eine Wahrscheinlichkeit ermittelt, mit der der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess ein Prozess der zugeordneten Prozessklasse ist.
Als maschineller Klassifikator kommt beispielsweise ein neuronales Netz, ein Polynomklassifikator oder ein Fuzzy-Klassifikator in Frage.
Im vorliegenden Beispiel ermittelt der Klassifikator anhand eines Vergleichs der Messwertverläufe von pH-Wert und Temperatur des Prozesses A mit den in 2 und 3 dargestellten erwarteten Messwertverläufen eine geringere Abweichung gegenüber dem erwarteten Messwertverlauf für die Prozessklasse SIP-Prozess als gegenüber dem erwarteten Messwertverlauf für die Prozessklasse CIP-Prozess. Der Prozess A wird daher als SIP-Prozess identifiziert. Dagegen ermittelt der Klassifikator anhand eines Vergleichs der Messwertverläufe von pH-Wert und Temperatur des Prozesses B mit den erwarteten Messwertverläufen eine geringere Abweichung gegenüber dem erwarteten Messwertverlauf für die Prozessklasse CIP-Prozess als gegenüber dem erwarteten Messwertverlauf für die Prozessklasse SIP-Prozess. Entsprechend wird der Prozess B als CIP-Prozess identifizert.
Zur Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers 4, 5 kann wie anhand des vorherigen Beispiels beschrieben für jeden identifizierten SIP- und jeden identifizierten CIP-Prozess, den der Messaufnehmer 4, 5 erfährt, ein entsprechender Belastungswert als Beitrag zur Gesamtbelastung addiert werden. Wie beschrieben, kann die Gesamtbelastung mit einem vorgegebenen Maximal-Belastungswert verglichen werden und bei Erreichen oder kurz vor Erreichen des Maximal-Belastungswert ein Alarm ausgegeben werden.
Die bei der Identifizierung des aktuell in dem Prozessbehälter 2 durchgeführten Prozesses durch den Klassifikator anfallenden Abweichungswerte des aktuell erfassten Messwertverlaufs gegenüber dem erwarteten Messwertverlauf des identifizierten Prozesses können jeweils zur Bestimmung des Messaufnehmerzustands herangezogen werden. Dies wird weiter unten noch detaillierter beschrieben werden.
3. Beispiel
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird der aktuell im Prozessbehälter 2 durchgeführte Prozess durch die Eingabe eines Benutzers oder durch eine Information der den Prozess steuernden Leiststelle 12 identifiziert. In diesem Fall kann der Zustand des Messaufnehmers in entsprechender Weise bilanziert werden, wie anhand der voranstehenden Beispiele beschrieben, indem für jeden belastenden Prozess, hier CIP- oder SIP-Prozesse entsprechende Belastungswerte für die Gesamtbelastung des Messaufnehmers 4, 5 bilanziert werden.
Ein tatsächlicher, aktueller Zustand des Messaufnehmers kann in diesem Beispiel anhand der Abweichung des aktuellen tatsächlich erfassten Messwertverlaufs vom erwarteten Messwertverlauf des mittels der Eingabe oder der Leistelleninformation identifizierten Prozesses bestimmt werden. Hieraus kann ein Abweichungswert ermittelt werden. Weicht der Abweichungswert von einem durch ein vorgegebenes Gütekriterium definierten Toleranzbereich ab, kann der Messaufnehmer über die Anzeige oder über die Verbindung mit der Prozessleitstelle 12 ein Warn- oder Alarmsignal ausgeben.
Soweit der Abweichungswert noch innerhalb des durch das Gütekriterium vorgegebenen tolerablen Bereiches liegt, kann der Abweichungswert in gleicher Weise wie die im ersten und zweiten Beispiel ermittelten Abweichungswerte zur Bestimmung des Messaufnehmer-Zustands herangezogen werden, wie im Folgenden beschrieben wird.
4. Auswertung der erfassten Abweichungswerte
Die in allen voranstehend beschriebenen Beispielen ermittelten Abweichungswerte können in die Bestimmung des Messaufnehmer-Zustands einbezogen werden. Wie bereits eingangs beschrieben, hat dies den Vorteil, dass die Abweichungswerte den tatsächlichen Zustand des vorliegenden Messaufnehmer-Exemplars repräsentieren.
Zum einen kann der aktuell bestimmte Abweichungswert als solcher zur Zustandsbestimmung herangezogen werden. Beispielsweise kann ein Schwellenwert für den Abweichungswert vorgegeben werden, wobei bei Überschreiten des Schwellenwertes der Messaufnehmer gewartet bzw. ausgetauscht werden muss.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine Abweichung vom erwarteten Messwertverlauf nicht notwendigerweise durch eine Verschlechterung des Messaufnehmer-Zustands verursacht sein muss.
Gleichermaßen könnte eine festgestellte Abweichung vom erwarteten Messwertverlauf sich daraus ergeben, dass der aktuell im Prozessbehälter durchgeführte Prozess A, B nicht in korrekter Weise ausgeführt wird. Es ist deshalb vorteilhaft, Messwerte eines zweiten Messaufnehmers heranzuziehen, um zu unterscheiden ob eine festgestellte Abweichung vom erwarteten Verhalten durch eine Änderung des Messaufnehmer-Zustands oder durch eine Änderung des im Prozessbehälter durchgeführten Prozesses verursacht ist. Im vorliegenden Beispiel sind zu diesem Zweck im Prozessbehälter 2 zwei gleichartige pH-Messaufnehmer 4, 5 mit integriertem Temperaturmessfühler integriert, die pH- und Temperatur-Messwerte erfassen. Es ist auch möglich, zwei verschiedenartige Messaufnehmer 4, 5, beispielsweise einen pH-Messaufnehmer und einen Leitfähigkeitssensor vorzusehen, um eine zur Unterscheidung, ob die festgestellte Abweichung vom erwarteten Verhalten des einen Messaufnehmers auf eine Veränderung des Messaufnehmers oder auf eine Veränderung in dem aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses zurückzuführen ist.
Indem als Zusatzparameter ein oder mehrere mehrere Prozessparameter, z.B. Druck, Temperatur, pH-Wert, Durchfluss, die Konzentration einer Substanz in einem im Prozessbehälter vorliegenden Medium oder ein oder mehrere sonstige Zusatzparameter, z.B. Sensoreigenschaften, wie ein Glasmembran-Widerstand oder ein Diaphragmawiderstand, ermittelt und bei der Zustandsbestimmung berücksichtigt werden, kann unterschieden werden, ob eine ermittelte Abweichung des aktuell erfassten Messwertverlauf von einem erwarteten Verlauf von einer Abweichung des Messaufnehmerverhaltens von einem erwarteten Verhalten oder von einer Abweichung des Prozesses von einem erwarteten Verhalten verursacht ist. Grundsätzlich sind drei Fälle denkbar, die dazu führen, dass die vom Messaufnehmer 4 gelieferten Messwerte von einem erwarteten Messwertverlauf abweichen:

1. Der Messaufnehmer weist einen Defekt auf oder ist zumindest in einem solchen Maße wartungsbedürftig, dass eine Verlässlichkeit seiner Messwerte nicht mehr gewährleistet ist (= Messaufnehmer fehlerhaft), der Prozess verläuft jedoch innerhalb der Sollvorgaben (= Prozess in Ordnung).
2. Der Messaufnehmer ist in einwandfreiem Zustand (= Messaufnehmer in Ordnung), aber der Prozess entspricht nicht den Sollvorgaben (= Prozess fehlerhaft).
3. Der Messaufnehmer weist einen Defekt auf oder ist zumindest in einem solchen Maße wartungsbedürftig, dass eine Verlässlichkeit seiner Messwerte nicht mehr gewährleistet ist (= Messaufnehmer fehlerhaft) und der Prozess entspricht gleichzeitig nicht den Sollvorgaben (= Prozess fehlerhaft).

In jedem dieser Fälle ist es wünschenswert, dass der Messaufnehmer oder eine mit dem Messaufnehmer verbundene übergeordnete Einheit eine Warnung oder einen Alarm ausgeben.
Der Klassifikator kann dazu ausgestaltet sein, anhand des von dem Messaufnehmer 4 erfassten Messwertverlauf unter zusätzlicher Heranziehung eines von dem anderen Messaufnehmer 5 erfassten Messwertverlaufs oder eines oder mehrerer sonstiger Zusatzparameter auszuwerten. Auf diese Weise ist feststellbar, ob die Ursache für eine erkannte Abweichung des Messwertverlauf vom erwarteten Verlauf des identifizierten Prozesses durch den Messaufnehmer oder durch den Prozess oder durch beide verursacht ist.
Beispielsweise kann anhand eines Vergleichs der Klassifizierung des aktuellen Prozesses anhand der von beiden Messaufnehmern 4, 5 erfassten Messwertverläufe und der ermittelten zugehörigen Abweichungswerte entschieden werden, welcher der vier Fälle "Messaufnehmer und Prozess in Ordnung", "Prozess in Ordnung, Messaufnehmer fehlerhaft", "Messaufnehmer in Ordnung, Prozess fehlerhaft" und "Messaufnehmer fehlerhaft, Prozess fehlerhaft" vorliegt.
In 4 ist ein erster Verlauf von über mehrere in dem Prozessbehälter 2 zyklisch durchgeführte SIP-Prozesse ermittelten Abweichungswerten als Funktion der Zeit dargestellt. Die Abweichungswerte steigen mit zunehmender Anzahl von SIP-Zyklen, denen der Messaufnehmer 4 ausgesetzt ist, kontinuierlich an. Je stärker die Abweichung zwischen dem erwarteten Verlauf und dem tatsächlich erfassten Verlauf ist, umso stärker weicht der Messaufnehmer 4 vom idealen Verhalten ab. Die Abweichungswerte können mithin als Indikator für den tatsächlichen Zustand des Messaufnehmers verwendet werden. Wird ein vorgegebener Güte-Schwellenwert für den Abweichungswert überschritten, ist das Ende des Lebens des Messaufnehmers erreicht und er muss ausgetauscht werden.
In 5 ist ein zweiter Verlauf von über mehrere in dem Prozessbehälter 2 zyklisch durchgeführte SIP-Prozesse ermittelten Abweichungswerten als Funktion der Zeit dargestellt. Das diesen Werten zugrundeliegende Messaufnehmer-Exemplar zeigt eine sprunghafte Verschlechterung beim dritten Messwert, der möglicherweise auf einen plötzlichen Defekt des Messaufnehmers zurückzuführen ist. Der Messaufnehmer muss hier schon nach dem dritten Zyklus ausgetauscht werden.
Durch Erfassung und Auswertung eines Zusatz-Parameters mittels eines zweiten Messaufnehmers 5 kann geprüft werden, ob diese abrupte Änderung auf einen Defekt des Messaufnehmers 4 oder auf einen Fehler des in dem Prozessbehälter 2 durchgeführten Prozesses zurückzuführen ist.
Der aufgrund des Abweichungswertes abgeleitete Messaufnehmerzustand kann für sich bestimmt und daraus Aktionen, wie beispielsweise der Austausch des Messaufnehmers, abgeleitet werden, wie voranstehend beschrieben.
Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, die Abweichungswerte oder daraus abgeleitete Größen in die wie weiter oben beschrieben ermittelte Gesamtbelastung des Messaufnehmers mit einzubeziehen.
Wie voranstehend beschrieben, ist das hier beschriebene Verfahren in jeder der dargestellten Varianten auf eine Vielzahl verschiedener Messaufnehmer und eine Vielzahl verschiedener Prozesse anwendbar. Je nach Art des Verfahrens können dabei andere Messgrößen als Temperatur und pH-Wert, insbesondere Druck, Leitfähigkeit, Durchfluss, Trübung (Schmutzfracht) des Prozessmediums oder andere Größen berücksichtigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10141408 A1 [0008]
EP 1550861 B1 [0010, 0011]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines in einem Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers, wobei in dem Prozessbehälter ein oder mehrere Prozesse durchgeführt werden, und der Messaufnehmer mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb des Prozessbehälters erfasst, umfassend die Schritte: – Identifizieren eines aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses, – Ermitteln eines Abweichungswerts als Maß einer Abweichung eines während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses von dem Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs von einem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlauf, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Messaufnehmers und/oder des Prozesses unter Heranziehung des Abweichungswerts bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess anhand des mittels des Messaufnehmers aktuell erfassten Messwertverlaufs des Prozessparameters identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der aktuell erfasste Messwertverlauf mit mindestens einem erwarteten Messwertverlauf, der eine vorgegebene Prozessklasse repräsentiert, verglichen wird und bei hinreichend geringer Abweichung des aktuell erfassten Messwertverlaufs von dem erwarteten Messwertverlauf der dem aktuell erfassten Messwertverlauf zugrunde liegende aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess als Prozess der vorgegebenen Prozessklasse identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der aktuell erfasste Messwertverlauf und der erwartete Messwertverlauf anhand eines oder mehrerer Merkmale der Messwertverläufe, insbesondere anhand des Messwertverlaufs selbst, eines Gradienten des Messwertverlaufs, einer Schwellenwertüberschreitung, einer Schwellenwertunterschreitung, eines lokalen oder absoluten Extremums des Messwertverlaufs, eines dem Messwertverlauf überlagerten Rauschens oder eines Plateaus des Messwertverlaufs, verglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess mittels eines Klassifikators identifiziert wird, indem der Klassifikator den aktuell erfassten Messwertverlauf oder mindestens ein oder mehrere Merkmale des Messwertverlaufs einer vorgegebenen Prozessklasse zuordnet und als Abweichungswert eine Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit der der aktuelle Messwertverlauf einen Prozess der Prozessklasse repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei dem Klassifikator in einer Lernphase ein oder mehrere erwartete Messwertverläufe des mindestens einen Prozessparameters zur Verfügung gestellt werden, die die Prozessklasse repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Klassifikator mittels eines maschinellen Lernverfahrens Merkmale des einen oder der mehreren erwarteten Messwertverläufe extrahiert und der Prozessklasse zuordnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erwartete Messwertverlauf oder die mehreren erwarteten Messwertverläufe anhand von Vorversuchen unter Verwendung eines von dem Messaufnehmer verschiedenen, aber hinsichtlich Messgenauigkeit, Dynamik und Messbereich vergleichbaren, am Einsatzort des Messaufnehmers in den Prozessbehälter integrierten Messaufnehmers vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess anhand einer Information einer den aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozess steuernden Prozesssteuerung identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess anhand einer von einem Benutzer einer Mess- und Auswertungsschaltung des Messaufnehmers eingegebenen Information identifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der eine oder die mehreren Prozesse während der Lebensdauer des Messaufnehmers in dem Prozessbehälter wiederholt durchgeführt werden, eine Änderung der dabei ermittelten Abweichungswerte ermittelt wird, und der Zustand des Messaufnehmers anhand der Änderung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine zeitliche Entwicklung der wiederholt ermittelten Abweichungswerte zur Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers, insbesondere zur Vorhersage einer Restlebensdauer des Messaufnehmers, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mittels eines vorgegebenen Gütekriteriums der aktuell ermittelte Abweichungswert entweder als tolerabel oder als nicht tolerabel eingestuft wird, und wobei im Falle, dass der Abweichungswert als nicht tolerabel eingestuft wird, ein Alarm oder eine Warnung ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei mittels des Messaufnehmers selbst oder mittels eines zusätzlichen, ebenfalls in den Prozessbehälter integrierten Hilfsmessaufnehmers mindestens ein Zusatz-Parameter erfasst wird, der in die Bestimmung des Zustands des Messaufnehmers und gegebenenfalls in eine zusätzliche Bestimmung eines Zustands des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Messaufnehmer Messwertverläufe mindestens zweier verschiedener Prozessparameter erfasst, der aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführte Prozess, beispielsweise anhand der aktuell erfassten Messwertverläufe, identifiziert wird, und wobei bezüglich eines, vorzugsweise bezüglich aller, Prozessparameter jeweils ein Abweichungswert als Maß einer Abweichung eines während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses von dem Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs von einem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlaufs ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Ermitteln des Abweichungswerts und das Bestimmen des Zustands des Messaufnehmers anhand des ermittelten Abweichungswerts von einer Auswertungsschaltung ausgeführt wird, die mindestens teilweise Bestandteil des Messaufnehmers und/oder mindestens teilweise Bestandteil einer mit dem Messaufnehmer verbundenen übergeordneten Datenverarbeitungseinheit, insbesondere eines Messumformers, eines Computers oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung, ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend: einen Prozessbehälter und mindestens einen darin integrierter Messaufnehmer; eine Datenverarbeitungseinrichtung umfassend mindestens einen Prozessor und einen Programmspeicher zur Ausführung eines in dem Programmspeicher hinterlegten Programms zur Identifizierung eines aktuell in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses, zur Ermittlung eines Abweichungswerts als Maß einer Abweichung eines während des aktuell in dem Prozessbehälter durchgefühten Prozesses von dem Messaufnehmer erfassten Messwertverlaufs von einem für den identifizierten Prozess erwarteten Messwertverlauf, und zur Ermittlung des Zustands des Messaufnehmers anhand des Abweichungswerts.