CN116529677A - 输出组件及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有用于开关负载(L)的输出端(A1)的输出组件(1)，输出组件包括切换装置(2)，切换装置将开关电压(U_A)切换到输出端(Al)处并且由此使负载电流(I_L)流动，其中，‑测量装置(3)设计用于提供监控信号变化曲线(S_i)，监控信号变化曲线基于开关电压(UA)描绘负载电流(I_L)的信号变化曲线，‑分析装置(4)设计用于将监控信号变化曲线(S_i)与表征负载(L)的接通特性曲线(K1)至少逐点地比较，‑诊断装置(5)设计用于当比较超过能预设的偏差时生成维护通知(7)。

Description

输出组件及其运行方法

技术领域

本发明涉及具有用于开关负载的输出端的输出组件，输出组件包括切换装置，切换装置将开关电压切换到输出端处并且因此使负载电流流动。

本发明还涉及一种用于运行输出组件的方法，其中，切换装置为了开关负载而将开关电压切换到输出端处并且因此使负载电流流动。

背景技术

这种输出组件例如从EP 2 549 843 A1已知。尤其在工业自动化技术或控制技术中需要输出组件，其例如是开关执行器、继电器或电磁阀。

在根据EP 2 549 843 A1的输出组件中提出一种方法，其中一次插入的插接连接器能被再次可靠地分配给输出组件。

例如用于驱控诸如电磁负载或电感负载、电阻负载或电容负载的可编程逻辑控制器的这种已知的数字输出组件仅针对短路/过载和/或断线的设定静态值监控输出信号。在超过极限值时组件向上级系统发送诊断信号。

在KR 2015 0074653A和JP 2011 186518A中公开了一种输出组件，其能够基于通过线圈的负载电流的信号变化曲线来推断出磨损量。

由此在开关用电器时识别由于磨损或污染引起的信号变化曲线的变化。因此可以生成可行的维护提示，这又不会导致设备故障并且因此不会引起高的成本。

发明内容

本发明的目的是改进已知的输出组件，从而识别待开关的负载的早期磨损。

该目的通过如下方式来实现，即开头部分提出的输出组件配备有测量装置，该测量装置设计用于提供监控信号变化曲线，该监控信号变化曲线基于开关电压描绘负载电流的信号变化曲线，该输出组件还具有分析装置，该分析装置设计用于将监控信号变化曲线与表征负载的接通特性曲线至少逐点地比较，并且该输出组件还具有诊断装置，该诊断装置设计用于当比较超过能预设的偏差时生成维护通知。

为了快速和有效的分析，输出组件具有检测装置，该检测装置设计用于在负载首次启用时以预设定的采样率检测负载初始状态以及负载在预设定的检测时间段上的单独接通特性曲线，检测装置还设计用于为了逐点的比较而从单独接通特性曲线得出并且存储值对，其中，斜率在单独接通特性曲线的进程曲线中改变符号或者等于零，其中，值对具有幅值和时间点，测量装置然后设计用于同样在预设定的检测时间段中以预设定的采样率提供监控信号变化曲线，分析装置还设计用于为了逐点比较而从监控信号变化曲线得出当前的值对，其中，在监控信号变化曲线的进程曲线中的斜率同样改变正负符号或者等于零，分析装置还设计用于将值对与当前的值对在值对时间点的移动方面进行检查，并且在超过能预设的偏差时生成维护通知。

有利地，现在可以将当前记录的例如电磁开关(接触器)的监控信号变化曲线与例如用于全新的接触器的特性曲线的额定变化曲线进行比较。如果在当前记录的监控信号变化曲线和新的执行器的信号变化曲线之间会出现偏差，则能由此推断出待开关的负载已经老化或者不久必须更换。

输出组件的另一改进方案提出，分析装置设计用于，得出输出组件的供电电压的水平，并且在将监控信号变化曲线与接通特性曲线比较时考虑供电电压的水平，使得在供电电压中有波动的情况下不出现错误生成的维护通知，该波动同样对开关电压并且由此对监控信号变化曲线产生影响。

监控信号变化曲线或输出的开关电压的幅值也根据供电电压的水平而改变。在比较时，这些变化又会导致错误的信息或者错误的维护通知。在目前已知的输出组件中，供电电压可以在20.4V至28.8V的范围中调整并且尽管如此确保可靠的运行。但是供电电压的这种大的波动也导致用于相应待开关的负载的开关电压同样经受这种波动。为了能够在由于例如机械磨损引起的变化或者供电电压的变化之间区分，将供电电压的幅值包括到监控信号变化曲线的分析中。

为了针对原始的接通特性曲线和随后记录的监控信号变化曲线之间的比较优化待使用的存储需求，仅针对时间轴缓存如下幅值，在该幅值的情况下信号变化曲线的斜率显著改变。

除了节省存储空间的优点外，这种与值对的逐点的比较可以明显更快和更有效地在算法中编程，从而使对信号变化曲线的评估更高效。

此外有利的是，通过比较值对能够实现考虑供电电压的水平的影响，因为电源电压通常起作用以使信号变化曲线的幅值通常提高一定的数值。这意味着，在信号变化曲线中的重要位置(在该重要位置处斜率变化)、也就是信号变化曲线中出现极值的位置在没有显著磨损的情况下在时间上处于相同的时间点。因此可以考虑供电电压的影响，而不会出现错误地发出的维护通知。

信号变化曲线的这种逐点比较尤其可以在用于机电致动器的感性负载中应用。分析装置然后设计用于，针对具有线圈和电枢的机电致动器的感性负载从监控信号变化曲线得出以下值，从线圈开始通电时的起始时间点开始，当达到了电枢移动时的第一时间点时得出第一比较值，当达到了电枢达到终端位置时的第二时间点时得出第二比较值，并且当达到了达到磁饱和时的第三时间点时得出第三比较值。所得出的比较值例如形成表征信号变化曲线的“三点变化曲线”，其在生成维护通知方面、尤其对于结构负载是够用的。对于另外的类型的负载，也可以使用四个或更多个点。

此外，分析装置还设计用于，得出在第一时间点与第二时间点之间的时长，并且将该时长作为磨损标准进行评估，并且当该时长超过能预设的时长时生成维护通知。

有利地，输出组件具有中间存储器，该中间存储器设计用于存储并且向上级系统转发监控信号变化曲线。为了得出三个比较点，检测所谓的三点变化曲线，并且同样缓存并且随后转发给上级系统，该上级系统然后可以从三点变化曲线中读出监控信号变化曲线的特性信号变化曲线。利用这种处理方式可以大幅减少待存储和待传输的数据量。如果存在足够的存储器和计算容量，则可以传输完整信号变化曲线和/或三点变化曲线。

尤其在设有用于减小功率的以脉宽调制驱控的现代保护器方面有利的是，组件具有滤波器，如果监控信号变化曲线作为脉冲式的信号变化曲线存在，则该滤波器构造用于计算平滑的信号变化曲线。

同样，开头部分所述的目的通过一种用于运行输出组件的方法来实现，其中，切换装置为了开关负载而将开关电压切换到输出端处并且因此使负载电流流动，根据本方法得出监控信号变化曲线，监控信号变化曲线基于开关电压描绘负载电流的信号变化曲线，分析监控信号变化曲线，使得监控信号变化曲线与表征负载的接通特性曲线至少逐点地比较，运行诊断装置以便当比较超过能预设的偏差时生成维护通知。例如如果继电器处于新状态并检测其接通特性变化曲线，则这在比较中近似为全新继电器的接通特性变化曲线。但是如果要在例如继电器的三百万个开关周期之后记录监控信号变化曲线，则可以在监控信号变化曲线中读出表明继电器的老化或磨损的延迟或改变的幅值。在首次启用负载时，借助于检测装置可以在预设定的检测时间段上以预设定的采样率检测负载的初始状态并且由此检测单独接通特性曲线，此外，为了逐点的比较从单独接通特性曲线得出并且存储值对，其中，斜率在单独接通特性曲线的进程曲线中改变正负符号或者等于零，其中，值对具有幅值和时间点，然后利用测量装置同样在预设定的检测时间段中以预设定的采样率提供监控信号变化曲线，此外为了逐点的比较从监控信号变化曲线得出当前的值对，其中，在监控信号变化曲线的进程曲线中的斜率同样改变符号或者等于零，将源于单独接通特性曲线的值对与当前的值对在值对时间点的移动方面进行比较，并且在超过能预设的偏差时生成维护通知。

目前已知的组件在开关用电器时不能识别由于磨损或污染引起的信号变化曲线的变化。相应地不会生成可能的维护提示，这又会导致工业设备的失效。与此相对，现在根据本方法给出输出组件的运行，该输出组件导致在面临磨损或污染时提早发出维护通知。

为此运行分析装置，该分析装置能够得出输出组件的供电电压的水平并且在将监控信号变化曲线与接通特性曲线进行比较时考虑供电电压的水平，使得在供电电压中有波动的情况下不出现错误生成的维护通知，该波动同样对开关电压并且由此对监控信号变化曲线产生影响。

尤其用于工业自动化的目前已知的输出组件具有例如20.4伏至28.8伏的供电电压范围并且在不同的设备中可以不同地获得供电电压。

利用这种处理方式尤其可以容易地得出或者因此计算出供电电压的影响，从而不会出现错误地发送的维护通知。因为在接触器完好的情况下，在一个信号变化曲线和另一个信号变化曲线中的极值的幅值仅在水平上不同并且极值的时间点保持相同。并且如果极值没有朝着其他时间点移动，则可以认为在构件上不存在磨损，而是仅供电电压受影响。

尤其针对具有线圈和电枢的电磁致动器的感性负载，在监控信号变化曲线中得出以下值被证明是有利的，从线圈开始通电时的起始时间点开始，当达到了电枢移动时的第一时间点时得出第一比较值，当达到了电枢达到终端位置时的第二时间点时得出第二比较值，并且当达到了达到磁饱和时的第三时间点时得出第三比较值。

还可以得出在第一时间点与第二时间点之间的时长，并且将该时长作为磨损标准进行评估并且当该时长超过能预设的时长时生成维护通知。

在整个设备的预防性维护方面，将监控信号变化曲线缓存在输出组件上并且转发给上级系统。为了节省存储空间，也可以仅仅将比较值作为三点变化曲线存储。

为了提早识别，向设备运行者提供维护数据。

在多通道输出组件的情况下，根据本发明的具有其用于分析所记录的监控信号变化曲线的分析装置的输出组件也可以用于记录供电电压的分析并且记录和分析多个通道的输出电流。对负载的分析也可以在直流马达方面涉及转速。例如在欧姆电阻电器的情况下将电流测量一起包括到分析中。例如能够检查腐蚀的端子。该分析包含识别被卡住的机电接触器或电磁阀。

对于脉冲式的电压，在本发明的意义上应将其理解为脉宽调制(PWM)驱控。PWM驱控目前非常普遍。许多控制器已经实现了PWM例程。借助PWM，在继电器线圈中也能够降低线圈功率并且由此防止继电器的加热。

在本发明的范畴中规定，分析已经预先显示损坏状态、磨损状态或故障状态的信号变化曲线或者信号模式并且由此生成维护通知。

附图说明

附图示出本发明的实施例。在此示出：

图1示出用于开关负载的输出组件，

图2示出感性负载的典型电流变化曲线，

图3示出具有记录的用于与接通特性曲线比较的监控信号变化曲线的特性变化曲线，

图4示出用于说明开关电压对监控信号变化曲线的作用的信号变化曲线，并且

图5示出用于两个不同的供电电压的信号变化曲线。

具体实施方式

根据图1示出具有用于开关负载L的输出端A1的输出组件。输出组件包括切换装置2，切换装置将开关电压UA切换到在输出端A1处并且因此使得负载电流I_L流过负载L。这种输出组件例如在工业自动化技术中用于开关继电器或电磁阀。

输出组件1中的测量装置3设计用于记录监控信号变化曲线S_i，该监控信号变化曲线描绘由开关电压U_A引起的通过负载L的负载电流I_L的信号变化曲线。该记录例如可以如下地实施。当输出端A1被启用，借助模数转换器通过电流镜进行信号的采样。在此，以事先限定的采样频率在事先限定的时间t上检测信号变化曲线并且将该信号变化曲线提供给输出组件1或分析装置4以用于进一步处理/分析。

分析装置4设计用于将监控信号变化曲线S_i与表征负载L的接通特性曲线K1至少逐点地比较。

将比较值提供给诊断装置5，该诊断装置设计用于，当比较超过能预设的偏差时生成维护通知。

分析装置4获得作为输入参量的分别记录的负载L的电流的监控信号变化曲线Si，并且获得作为另外的监控参量的不同的接通特性曲线、即针对不同的负载和/或供电电压V_cc的第一接通特性曲线K1、第二接通特性曲线K2和第三接通特性曲线K3。输出组件1还设计用于在负载L的首次启用时检测负载L的初始状态并且因此检测负载L的单独接通特性曲线K_real。将这些单独接通特性曲线K_real也作为输入参量提供给分析装置4。

关于待开关的具有集成的PWM驱控的继电器，输出组件1优选在测量装置3中具有滤波器F。如果监控信号变化曲线S_i作为脉冲式的信号变化曲线存在，则滤波器F用于计算平滑的信号变化曲线。

根据图1的输出组件1尤其设计用于，针对具有线圈和电枢的机电致动器的感性负载L在所记录的监控信号变化曲线S_i中得出比较值。为了解释待得出的值，参考图2。

图2示出待开关的感性负载L的典型电流变化曲线。从线圈开始通电时的起始时间点t0开始，当达到了电枢移动时的第一时间点t1时得出第一比较值P1，当达到了电枢达到终端位置时的第二时间点t2时得出第二比较值P2，并且当达到了达到磁饱和时的第三时间点t3时得出第三比较值P3。当达到了第三比较值t3之后，负载电流I_L的信号变化曲线下降并且被引导到保持电流范围I_H中。输出组件1的分析装置4设计用于，为了逐点比较，在监控信号变化曲线S_i中的斜率m改变正负符号或者等于零的位置处得出比较值P1、P2、P3。输出组件1的分析装置4还设计用于，得出在第一时间点t1与第二时间点t2之间的时长Δt，并且将该时长作为磨损标准进行评估，并且当时长Δt超过能预设的时长t_neu时生成维护通知7。随着例如开关继电器或接触器的老化的增加，时长Δt将越来越大。

图3示出接通特性曲线K1与当前记录的监控信号变化曲线S_i的比较。比较值P1、P2、P3与相应的监控信号变化曲线S_i的相应的比较值P1i、P2i、P3i相比较。此外，得出并且分析在第一时间点t1与第二时间点t2之间的时长Δt的移动或者增大。

图4示出在不同的供电电压V_cc的情况下的不同的监控信号变化曲线。第一监控信号变化曲线S₁在第一供电电压V1的情况下被记录，第二监控信号变化曲线S₂在第二供电电压V2的情况下被记录，并且第三监控信号变化曲线S₃在第三供电电压V3的情况下被记录。组件1的分析装置4现在设计用于，得出输出组件1的供电电压V_cc的水平，并且将其在比较监控信号变化曲线S₁、S₂、S₃时与代表相应的供电电压的水平的相应的接通特性曲线K1i比较并且考虑，使得在供电电压V_cc波动时不出现错误地生成的维护通知7，该波动同样对开关电压U_A并且由此对监控信号变化曲线S_i产生影响。

在尤其在组件上节省存储空间的存储方面，每个信号变化曲线仅标注了所谓的三点变化曲线。虚线示出用于检测第一、第二和第三比较值P1i、P2i和P3i的范围。

根据图4，信号变化曲线S1、S2、S3的幅值极值分别配属于第一时间点t11、t12、t13和第二时间点t21、t22、t23。由此已经可以看出，供电电压VCC对信号变化曲线S1、S2、S3的影响虽然对幅值有显著影响，但不对配属的时间值有显著影响。

图5应说明如何能够从信号变化曲线中分析极值E1、E2、E3并且根据属于极值E1、E2、E3的值对U_K、t_K或者U_L、t_L能够说明是否存在磨损。在时间t上以预设定的采样率在预设定的检测时间段T_E中检测信号变化曲线。为了稍后逐点比较这些值对，由单独接通特性曲线K_real相应地得出并存储属于极值E1、E2、E3的值对U_K、t_K。为了在单独接通特性曲线K_real的进程曲线中找出极值E1、E2、E3，检查信号变化曲线的斜率m。

值对U_K、t_K在极值E1、E2、E3中分别具有幅值U_K和时间点t_K。

然后，利用测量装置3同样在预设定的检测时间段T_E中以预设定的采样率提供监控信号变化曲线S_i。为了后面的逐点比较，从监控信号变化曲线S_i得出当前的值对U_L、t_L，在值对处，在监控信号变化曲线S_i的进程曲线中的斜率m同样改变符号或者等于零。来自单独接通特性曲线K_real的值对U_k、t_k与当前的值对U_L、t_L在值对时间点的移动方面进行比较，并且在超过能预设的偏差时生成维护通知7。

根据图5的两个信号变化曲线的区别仅在于其最大幅值，因此在时间点t_K(t)＝t_L(t)的第一极值E1的情况下仅相应的幅值U_K、U_L不同，并且在时间点t_K(t+t')＝t_L(t+t₁')的第二极值E2的情况下同样仅幅值U_K、U_L不同，并且在时间点t_K(t+t”)＝t_L(t+t”)的第三极值E3的情况下仅相应的幅值U_K、U_L不同。因为现在值对U_K、t_K或者U_L、t_L中的相应极值E1、E2、E3的相应时间点一致，所以可以清楚地说明：在此不存在老化或者磨损，而是仅供电电压VCC的影响使幅值U_K、U_L偏移。

Claims (11)

1.一种具有输出端(Al)的输出组件(1)，所述输出端用于开关负载(L)，所述输出组件包括切换装置(2)，所述切换装置将开关电压(U_A)切换到所述输出端(Al)处，从而使负载电流(I_L)从所述输出端(Al)流过所述负载(L)，所述输出组件具有：

-测量装置(3)，所述测量装置设计用于提供监控信号变化曲线(S_i)，所述监控信号变化曲线基于所述开关电压(UA)描绘所述负载电流(I_L)的信号变化曲线，

-分析装置(4)，所述分析装置设计用于将所述监控信号变化曲线(S_i)与表征所述负载(L)的接通特性曲线(K1)至少逐点地比较，

-诊断装置(5)，所述诊断装置设计用于当所述比较超过能预设的偏差时生成维护通知(7)，

其特征在于，设有检测装置(6)，所述检测装置设计用于在首次启用所述负载(L)时以预设定的采样率在预设定的检测时间段(T_E)内检测所述负载(L)的初始状态以及单独接通特性曲线(K_real)，所述检测装置(6)还设计用于为了逐点的所述比较而从所述单独接通特性曲线(K_real)得出并且存储值对(U_k、t_k)，在所述值对处，在所述单独接通特性曲线(K_real)的进程曲线中的斜率(m)改变符号或者等于零，其中，所述值对(U_k、t_k)具有幅值(U_k)和时间点(t_k)，

所述测量装置(3)然后设计用于同样在预设定的所述检测时间段(T_E)中以预设定的采样率提供所述监控信号变化曲线(S_i)，所述分析装置(4)还设计用于为了逐点的所述比较而从所述监控信号变化曲线(S_i)得出当前的值对(U₁、t₁)，在所述当前的值对处，在所述监控信号变化曲线(S_i)的进程曲线中的斜率(m)同样改变符号或者等于零，

所述分析装置(4)还设计用于，利用所述当前的值对(U₁、t₁)对所述值对(U_k、t_k)在值对时间点的移动方面进行检查，并且在超过能预设的偏差时生成所述维护通知(7)。

2.根据权利要求1所述的输出组件(1)，其中，所述分析装置(4)设计用于，得出所述输出组件(1)的供电电压(V_cc)的水平，并且在将所述监控信号变化曲线(S_i)与所述接通特性曲线(K1)比较时考虑所述供电电压(V_cc)的所述水平，使得在所述供电电压(V_cc)中有波动的情况下不出现错误生成的维护通知(7)，所述波动同样影响所述开关电压(U_A)并且从而影响所述监控信号变化曲线(S_i)。

3.根据权利要求1或2所述的输出组件(1)，其中，所述分析装置(4)设计用于，针对具有线圈和电枢的机电致动器的感性负载(L)得出所述监控信号变化曲线(S_i)中的以下值，从所述线圈开始通电时的起始时间点(t0)开始，当达到了所述电枢移动时的第一时间点(t1)时得出第一比较值(P1)，当达到了所述电枢达到终端位置时的第二时间点(t2)时得出第二比较值(P2)，并且当达到了达到磁饱和时的第三时间点(t3)时得出第三比较值(P3)。

4.根据权利要求3所述的输出组件(1)，其中，所述分析装置(4)设计用于，得出所述第一时间点(t1)与所述第二时间点(t2)之间的时长(Δt)并且将所述时长作为磨损标准进行评估，并且当所述时长(Δt)超过能预设的时长(t_neu)时生成维护通知(7)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的输出组件(1)，具有中间存储器(8)，所述中间存储器设计用于将所述监控信号变化曲线(Si)存储并且转发至上级系统。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的输出组件(1)，具有滤波器(F)，所述滤波器用于当所述监控信号变化曲线(S_i)作为脉冲式信号变化曲线存在时计算平滑的信号变化曲线。

7.一种用于运行根据权利要求1至6中任一项所述的输出组件(1)的方法，其中，切换装置(2)为了开关负载(L)而将开关电压(UA)切换到输出端(Al)处，从而使负载电流(I_L)流动，

其中，得出监控信号变化曲线(S_i)，所述监控信号变化曲线基于所述开关电压(UA)描绘所述负载电流(I_L)的信号变化曲线，

-分析所述监控信号变化曲线(S_i)，以使所述监控信号变化曲线与表征所述负载(L)的接通特性曲线(K1)至少逐点地比较，

-运行诊断装置(5)，使得当所述比较超过能预设的偏差时生成维护通知(7)，

其特征在于，在首次启用所述负载(L)时，借助于检测装置(6)以预设定的采样率在预设定的检测时间段(T_E)内检测所述负载(L)的初始状态以及单独接通特性曲线(K_real)，还为了逐点的所述比较而从所述单独接通特性曲线(K_real)得出并且存储值对(U_k、t_k)，在所述值对处，在所述单独接通特性曲线(K_real)的进程曲线中的斜率(m)改变符号或者等于零，其中，所述值对(U_k、t_k)具有幅值(U_k)和时间点(t_k)，然后利用所述测量装置(3)同样在预设定的所述检测时间段(T_E)中以预设定的采样率提供所述监控信号变化曲线(S_i)，还为了逐点的所述比较而从所述监控信号变化曲线(S_i)得出当前的值对(U₁、t₁)，在所述当前的值对处，在所述监控信号变化曲线(S_i)的进程曲线中的斜率(m)同样改变符号或者等于零，将所述当前的值对(U₁、t₁)与源于所述单独接通特性曲线(K_real)的所述值对(U_k、t_k)在值对时间点的移动方面进行比较，并且在超过能预设的偏差时生成所述维护通知(7)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，运行所述分析装置(4)，以便得出所述输出组件(1)的供电电压(V_cc)的水平，并且在将所述监控信号变化曲线(S_i)与所述接通特性曲线(K1)比较时考虑所述供电电压(V_cc)的所述水平，使得在所述供电电压(V_cc)中有波动的情况下不出现错误生成的维护通知(7)，所述波动同样影响所述开关电压(UA)并且从而影响所述监控信号变化曲线(Si)。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在有带线圈和电枢的机电致动器的感性负载(L)的情况下，得出所述监控信号变化曲线(S_i)中的以下值，从所述线圈开始通电时的起始时间点(t0)开始，当达到了所述电枢移动时的第一时间点(t1)时得出第一比较值(P1)，当达到了所述电枢达到终端位置时的第二时间点(t2)时得出第二比较值(P2)，并且当达到了达到磁饱和时的第三时间点(t3)时得出第三比较值(P3)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，得出所述第一时间点(t1)与所述第二时间点(t2)之间的时长(Δt)并且将所述时长作为磨损标准进行评估，并且当所述时长(Δt)超过能预设的时长(t_neu)时生成维护通知(7)。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，将所述监控信号变化曲线(S_i)缓存在所述输出组件(1)上并且转发至上级系统。