Lecksuche in Rohrleitungen mit industriellen Sensoren für eine nachhaltige Fertigung

Rohrleitungen sind die effektivste Methode, um flüssige Medien wie Öl, Wasser und Erdgas über große Entfernungen zu transportieren.

Austritte in Rohrleitungen können sich negativ auf die industrielle Produktivität, die Umwelt und den Ruf des Unternehmens auswirken. Eine regelmäßige Inspektion von Rohrleitungen gewährleistet die Sicherheit und den Schutz von Ressourcen und vermeidet wirtschaftliche Verluste. Es besteht daher ein Bedarf, in Lecksuchsysteme zu investieren. Solche Systeme sind mit kostspieligen Investitionen verbunden und die Betriebsanforderungen diktieren die Wahl der kostengünstigsten Technik. In diesem Artikel wird die Lecksuche in Rohrleitungen unter Verwendung einer Kombination aus piezoelektrischen Sensoren, Durchflusssensoren und Drucksensoren, die an einer Rohrleitung angebracht sind, erörtert.
Abbildung 1 veranschaulicht die Vorteile der Lecksuche.

Abbildung 1: Vorteile der Lecksuche

Lecksuchsystem und seine Struktur

Ein Leck führt dazu, dass eine Rohrleitungsinstallation von ihren Standardbetriebsmustern abweicht. Dieser computerbasierte Lecksuchansatz ahmt einen qualifizierten und erfahrenen menschlichen Bediener nach, der ein Leck anhand der Daten erkennen kann, die von einigen wenigen in der Anlage eingebetteten Sensoren erfasst werden. Der menschliche Bediener kann während der Arbeit mehrere Beziehungen zwischen den Sensormesswerten feststellen.

Abbildung 2: Struktur des Lecksuchsystems

Mehrfacher Beweis

Das Lecksuchsystem verfügt über viele Rechenalgorithmen oder Marker, um die Herangehensweise des menschlichen Bedieners nachzuahmen. Jeder Marker erfasst das Installationsverhalten eindeutig, indem er einen einzelnen Wert (pro Messprobe) ausgibt, der den Zustand der Installation widerspiegelt. Diese Marker halten die Änderung dieses Wertes während der normalen (leckfrei) Installationsvorgänge gering. Im Falle eines Lecks wird es jedoch zu einem merklichen Anstieg des Ausgangswerts kommen.

Abbildung 2 zeigt die Struktur des Systems. Dieses Konzept gilt für verschiedene Sätze von Eingangssignalen. In der Anlage, in der das System getestet wurde, gab es folgende Eingänge.

• Druck der dielektrischen Flüssigkeit
• Stromwert
• Gasdruck in den Ausgleichsbehältern (zwei Sensoren, einer pro Behälter)
• Temperatur der Rohraußenfläche (zwei Sensoren)
• Bodentemperatur
• Zeitstempel der Messprobe

Alle Sensoren haben jede Minute ihre individuellen, jeweiligen Messungen bereitgestellt.

Vorverarbeitung

Die Messdaten müssen eine Vorverarbeitungsstufe durchlaufen, bevor sie als Markerwerte verwendet werden können. Diese Vorverarbeitungsstufe verfolgt zwei Ziele:

• Die Erkennung der Vorgänge der Druckpumpe und des Überdruckventils
• Die Erkennung ungewöhnlicher Änderungen beim Strom und bei den Rohrtemperaturen

Es ist notwendig, Pumpen- und Ventilvorgänge zu erfassen, da sie die Druckmessungen erheblich verzerren. Einige Marker müssen solche Verzerrungen kompensieren, bevor sie Daten empfangen. Alternativ muss das System die Marker darüber informieren, dass der Druck eine bestimmte Probe beeinflussen kann. Pumpenvorgänge verwenden den ersten (kompensatorischen) Ansatz und Ventilvorgänge den zweiten. Die Behandlung dieser Vorgänge ist unterschiedlich, da der Pumpenbetrieb viel einfacher zu erkennen und zu begrenzen ist, da er viel signifikantere Verzerrungen verursacht. Umgekehrt verwendet ein Marker den Pumpenbetrieb, um den Installationszustand anzuzeigen. Hierfür bietet die Markerpumpenerkennung die erforderlichen Eingangsdaten.

Es ist wichtig, ungewöhnliche Änderungen der Rohrtemperatur und des Stroms zu erkennen, da das Entscheidungsmodul diese Informationen empfängt und folglich das Vertrauen in ein Leck ändern (im Allgemeinen verringern) kann. Mit anderen Worten, der Detektor verwendet hohe Markerwerte für ungewöhnliche Außenbedingungen und ignoriert ein Flüssigkeitsleck.

Marker

Das System verwendet Marker auf Basis eines neuronalen Netzes. Diese Marker gehen davon aus, dass bei Leckfreiheit der Näherungswert einer ausgewählten messbaren Größe xk für den bestimmten Zeitpunkt t berechnet werden kann. Dieser Wert xk(t) wird basierend auf allen messbaren Größen benannt, auf die das System zugreift: aktuell, vergangen und zukünftig (mit Ausnahme von xk(t) selbst). Mit anderen Worten, x =[x1, x2, ..., xN] die Menge aller verfügbaren Signale, durch die Menge aller verfügbaren Signale ohne x. Wir nehmen eine vorhandene Funktion f der Form an.
x_k (t)≈f(x(t-∞),….<x(t-1),(x_k ) ̂(t),x(t+1),….,x(t+∞))

Da es nicht möglich ist, Proben aus Zeitpunkten von - bis + zu erhalten, verwenden wir stattdessen die Funktion g der Form:

x_k (t)≈g(x(t-a),….<x(t-1),(x_k ) ̂(t),x(t+1),….,x(t+b))

Das neuronale Netz approximiert dabei die Funktion g. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die analytische Form von g unbekannt bleiben kann. Ein auf historischen Daten basierender Lernvorgang hilft dabei, eine erfolgreiche Approximation zu erhalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass Sie die Funktion an den sich ändernden Zustand der Anlage anpassen können, indem Sie regelmäßig Lernvorgänge durchführen.

Verfahren zur Lecksuche in Rohrleitungen

Abbildung 3: Lecksuchsystem für Rohrleitungen

Sie können Vibrations-, Durchfluss- und Drucksensoren verwenden, um Wasserlecks festzustellen. Diese Sensoren erfassen Daten, indem sie die Vibration, die Durchflussrate und den Druck des fließenden Wassers erfassen. Ein Controller erhält diese erfassten Daten, die das System anschließend in die Cloud hochlädt. Ein auf einem künstlichen neuronalen Netz basierendes Modell analysiert die gespeicherten Daten. Die ANN-Analyseergebnisse können dazu beitragen, eine minimalistische Anwendung zur Erkennung von Lecks zu erstellen. Das Flussdiagramm in Abbildung 4 bietet einen Überblick:

Abbildung 4: Ein Überblick über den Lecksuchprozess

Diskussion

Es werden zwei Arten von Wasserdurchflussdaten betrachtet: die Durchflussdaten für ein leckfreies Rohrleitungssystem und für ein anderes mit einem Austritt. Die Datenverteilung wird in Litern pro Minute (L/min) gemessen. Das leckfreie Rohrleitungssystem ermöglicht einen ungehinderten Wasserfluss und erzeugt mehr Durchflussdaten als das System mit Leck. Wenn keine Lecks vorliegen, kann das Wasser ungehindert fließen, ohne durch Änderungen der Fließgeschwindigkeit (V) gestört zu werden. Bei einem Leck würde das Wasser aus der Rohrleitung fließen, was sich auf die Strömungsgeschwindigkeit auswirkt. Der Wasserfluss ist langsamer, wenn es ein Leck in der Rohrleitung gibt. Die Definition der Durchflussrate (Q) ist das Volumen (v) der Flüssigkeit, die während eines Zeitraums (t) an einer Stelle durch einen Bereich strömt. Der Durchflusswert (Q) nimmt ab, wenn die Wassergeschwindigkeit sinkt. 𝑄 = 𝑣 𝑡

Vibration

Vibrationsdaten von Rohrleitungssystemen mit Lecks und solchen ohne Lecks weisen wesentliche Unterschiede auf. Ein Leck erzeugt enorme Mengen an Vibrationsdaten. Die Rohrleitung erzeugt eine Kraft, die zu einem unkontrollierten Wasserfluss außerhalb der Rohrleitung führt, wodurch große Datenmengen erzeugt werden. In leckfreien Rohrleitungen treten Vibrationen zwar auf, sie sind jedoch vernachlässigbar im Vergleich zur Vibrationsmessung in Rohrleitungssystemen mit Lecks.

Druck

Die Druckdatenwerte vom Rohrleitungssystem mit Leck sind geringer als die Druckdaten für Rohrleitungssysteme ohne Leck. Der niedrigere Wert ist auf den verringerten Druck im Rohrleitungssystem aufgrund eines Lecks zurückzuführen.

Flüssigkeitsausgang

Die Differenz des Wasserdurchflussvolumens durch die Rohrleitung führt zu unterschiedlichen Gradienten der Flüssigkeitsausgabeergebnisse. Die Ausgabe für ein leckfreies Rohrleitungssystem ist steiler als die Ergebnisse für Leckereignisse im Rohrleitungssystem. Ein Leck führt dazu, dass Wasser nach außen fließt, was zu einem Verlust des Wasservolumens in der Rohrleitung führt.

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