DE10200682B4

DE10200682B4 - Mittelwertbildende Trace-Funktion mit Indizierung durch ein Prozesssignal

Info

Publication number: DE10200682B4
Application number: DE10200682A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Heinemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: DE10200682A1; US7401005B2; US20030130825A1

Abstract

Verfahren zur Aufzeichnung eines ersten Prozesssignals (x) eines Systems,
– wobei ein Messwert des ersten Prozesssignals (x) erhoben wird,
– wobei ein Messwert eines von dem Zeittakt des Systems verschiedenen zweiten Prozesssignals (y) erhoben wird,
– wobei aus dem Messwert des zweiten Prozessignals (y) ein Index (y_index) abgeleitet wird, anhand dessen ein mindestens eine Speicherzelle (Z_n, Z_n+1) umfassender Bereich eines Speichers (A, B) identifizierbar ist und
– wobei der Messwert des ersten Prozesssignals (x) in dem durch den Index (y_index) identifizierten Bereich des Speichers (A, B) abgelegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
– dass der Index (y_index) nicht-ganzzahlige Werte annehmen kann,
– dass anhand eines nicht-ganzzahligen Werts des Index (y_index) zwei benachbarte Speicherzellen (Z_n, Z_n+1) als Bereich ausgewählt werden und
– dass der Messwert des ersten Prozesssignals (x) in zwei Teilbeträge aufgeteilt wird, und
– dass je ein Teilbetrag in jeder ausgewählten Speicherzellen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung eines auswählbaren Prozesssignals eines Systems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In Antriebsregelgeräten und Steuerungen werden sogenannte Trace-Funktionen eingesetzt, die auswählbare Prozesssignale Zeittakt-indiziert abspeichern, i.A. in einem äquidistanten Zeitraster. Es werden daher entweder Zeitfunktionen oder, nach einer Transformation, Frequenzfunktionen aufgezeichnet.
Sofern Funktionen aufgezeichnet werden sollen, die nicht von der Zeit sondern von anderen Prozessgrößen abhängig sind, müssen sie trotzdem mit der Zeit als unabhängige Größe indiziert abgespeichert werden. Aufgrund der gegebenen Speicherplatzrestriktionen kann die Messwertaufnahme daher nur über einen sehr begrenzten Zeitraum erfolgen, aus dem eventuell keine nennenswerten Abhängigkeiten der Prozesssignale untereinander abgeleitet werden können. Eine direkte Mittelwertbildung des aufzuzeichnenden Prozesssignals im Bezug auf das Index-bildende Signal im Trace-Speicher ist dabei ebenfalls nicht möglich.
Häufig werden deshalb externe Zusatzgeräte mit spezialisierter Funktionalität verwendet um entsprechende Messauswertungen zu realisieren.

Aus der US 4,226,122 und der WO 87/07026 sind Verfahren zur Aufzeichung der Echoamplitude eines Ultraschallsignals bei der Ultraschall-Untersuchung eines Objekts bekannt. Hierbei wird ein Messwert der Echoamplitude an dem Speicherort eines Speichers abgelegt, der hinsichtlich seiner Koordinaten dem Ort einer Fehlstelle in dem untersuchten Objekt entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem ein Prozesssignal mit vergleichsweise geringem Speicheraufwand aufgezeichnet werden kann. Dabei soll eine direkte Mittelwertbildung des aufzuzeichnenden Prozesssignals möglich sein.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren der vorangesetzten Gattung gelöst, das gemäß den kennzeichnenden Teil des PA, 1 angebildet ist Weiterder Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufzeichnung eignet sich u.a. besonders gut zur Erfassung von deterministischen, positionsabhängigen Störungen durch äußere Prozesskräfte in einem elektrischen Antrieb.

Dies gelingt in besonderem Maße, wenn ein mit dem Gewichtungsfaktor und der Modulo-Funktion bewerteter Lastdrehwinkel als Index-bildendes zweites Prozesssignal dient und das Motordrehmoment als erstes Prozesssignal aufgezeichnet wird.

Damit ergibt sich durch die Erfindung die Möglichkeit, dass eine drehwinkelabhängige Drehmoment-Kennlinie aufgezeichnet wird, die innerhalb eines Antriebsreglers zur Vorsteuerung der Lastkräfte dient.

Die Erfindung ermöglicht also eine universelle und flexible Messwerterfassung von Prozesssignalen, die keine direkte zeitliche Abhängigkeit besitzen müssen, z.B. für

– die Erfassung von Reibungskennlinien
– Werkzeugüberwachungen
– die Verschleißüberwachung von Führungen und Lagerungen
– die vorsteuernde Kompensation von deterministischen Störgrößen wie Prozesskräften und Drehmoment- bzw. Kraftwelligkeiten von Motoren.

Hierdurch ergeben sich u.a. folgende Vorteile:

– Die exakte, feinaufgelöste Zuordnung der Werte des aufgezeichneten Prozesssignals zu den Werten des Index-bildenden Prozesssignals wird ermöglicht.
– Dadurch bedingt ergibt sich die Möglichkeit für eine exakte Mittelwertbildung bei sich wiederholenden Indexwerten.
– Da die Zeit als unabhängige Variable nicht verwendet wird, ist das Messverfahren sehr Speicherplatz-sparend, vor allem, wenn die Prozesssignale sich nur langsam oder zeitlich unregelmäßig ändern.
– Es müssen von dem Anwender dem entsprechend auch keine Startzeitpunkte oder Triggerbedingungen parametriert werden.

Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Ausführungen und in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen sowie mit den Figuren. Es zeigt jeweils in Prinzipdarstellung:
1 ein Blockschaltbild zur Verteilung und Mittelwertbildung der Messwerte im Trace-Speicher mit Indizierung durch ein Prozesssignal gemäß der Erfindung,
2 ein Blockschaltbild einer Anwendung der Erfindung zur Erfassung von zyklischen, positionsabhängigen Störungen durch äußere Prozesskräfte und
3 ein Blockschaltbild zur Verwendung der Daten im Trace-Speicher für eine Tabelle zur Störgrößen-Vorsteuerung.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Trace-Funktion verallgemeinert, indem nicht der Zeittakt als Index in den Ringpuffer, der als Trace-Speicher dient, verwendet wird, sondern ein beliebiges Prozesssignal. Die Aufzeichnung wird nicht nur durch einen Zeittakt indiziert (in einem äquidistanten Zeittakt), sondern durch ein beliebiges Prozesssignal (z.B. Drehwinkel des Motors, Achsposition Pollage, Drehzahl) indiziert durchgeführt. Mögliche Minimal- und Maximalwerte der Prozessgröße bilden z.B. den Index für den Beginn und das Ende des Trace-Speichers.
Eine erfindungsgemäße Messwertaufteilung, die im Folgenden näher erläutert wird (vgl. 1), ermöglicht es, sofern der Index nicht exakt auf eine Speicherzelle, sondern zwischen zwei Speicherzellen zeigt, das aufzuzeichnende Prozesssignal auf diese zwei benachbarten Speicherzellen zu verteilen. Bei nicht-ganzzahligem Index wird der aufzuzeichnende Messwert auf benachbarte Speicherzellen des Trace-Speichers aufgeteilt.
Die Aufzeichnung des Prozesssignals erfolgt dabei vorzugsweise integrierend. Die Überlaufproblematik kann beispielsweise durch Verwendung eines breiten Fließkommaspeicherformats oder durch eine online-rekursive Mittelwertbildung gelöst werden.
Durch die zusätzliche Aufzeichnung der Gewichtung der Messwertverteilung, bei sich (deterministisch oder auch stochastisch) wiederholenden Indexwerten wird eine exakte Mittelwertbildung der aufgezeichneten Prozesssignale bezüglich des Index-bildenden Prozesssignals herbeigeführt. Dazu wird die Gewichtung der Aufteilung auf die Speicherzellen ebenfalls aufgezeichnet. Ein Speicheralgorithmus kann in einem festen Zeitraster oder zu beliebigen, eventuell durch eine zusätzliche Bedingung (z.B. Überschreiten eines bestimmten Signalpegels) ausgewählten Zeitpunkten aufgerufen werden.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verteilung und Mittelwertbildung der Messwerte im Trace-Speicher. Der Trace-Speicher ist vorzugsweise in Form eines Ringpuffers organisiert und weist zwei Trace-Kanäle A und B auf, die jeweils über Speicherzellen Z₀ bis Z_nmax verfügen, wobei n_max die Anzahl der Speicherzellen beschreibt. Es werden zwei Signale verarbeitet, nämlich zum einen das aufzuzeichnende Prozesssignal x und das Index-bildende Prozesssignal y.
Aus dem Index-bildenden Prozesssignal y wird in einer ersten Verarbeitungseinheit C, beispielsweise einem Prozessor, der Index wie folgt berechnet: yindex = (y – ymin)/(ymax – ymin)·nmax
In einer darauffolgenden weiteren Verarbeitungseinheit D, beispielsweise demselben Prozessor, erfolgt eine Aufteilung von y_index in Gy_index als ganzzahliger Anteil von y_index und Ny_index als Nachkomma-Anteil von y_index.
Durch den ganzzahligen Anteil Gy_index des Index y_index Werden die Speicherzellen Z_n und Z_n+1 zur Abspeicherung ausgewählt. Das aufzuzeichnende Prozesssignal x wird in den Zellen Zn und Z_n+1 des Trace-Kanals A gemäß des Nachkomma-Anteils Ny_index von y_index aufintegriert, was durch die Addierer + angedeutet ist. Die Gewichtung von x erfolgt über eine Multiplikation mit dem Nachkomma-Anteil Ny_index.
Im Trace-Kanal B wird gleichzeitig die Messwertverteilung aufgezeichnet, um eine spätere exakte Mittelwertbildung zu ermöglichen. Auf diese Weise erhält man eine erfindungsgemäße Mittelwertbildende Trace-Funktion mit Indizierung durch ein Prozesssignal y.
Das Index-bildende Prozesssignal y kann weiter durch einen Getriebefaktor und eine Modulo-Funktion bewertet werden. Die Indexberechnung wird dazu mit Parametern zur Einstellung eines Getriebefaktors und einer Modulo-Funktion versehen, so dass auch Prozesssignale auf der Lastseite des Antriebsstranges allgemein verwendet werden können.
Die 2 zeigt dazu ein zweites Ausführungsbeispiel, welches eine Erfassung von zyklischen, positions-abhängigen Störungen durch äußere Prozesskräfte möglich macht.
Ein Motor MOT treibt über ein Getriebe G eine exzentrische Lastmasse M an, auf die eine Gewichtskraft Mg einwirkt. Der Motor MOT liefert Phasenströme sowie ein Positionssignal Ly eines Motorgebers an einen Antriebsregler AR, der u.a. die in 1 gezeigte Anordnung beinhaltet. Das Signal Ly wird in einer weiteren Verarbeitungseinheit E mit Parametern zur Einstellung eines Getriebefaktors und einer Modulo-Funktion versehen, woraus das Index-bildende Signal y_index resultiert.
Der Getriebefaktor und die Modulo-Bewertung ermöglichen eine Verwendung des Lastdrehwinkels des Motors MOT als Index-bildendes Prozesssignal y_index. Als aufzuzeichnendes Prozesssignal x dient der Drehmomentsollwert. Das Motordrehmoment wird somit abhängig vom Lastdrehwinkel aufgezeichnet
Die mittelwertbildende Trace-Funktion erzeugt eine drehwinkelabhängige Drehmoment-Kennlinie, die innerhalb des Antriebsreglers AR zur Vorsteuerung der Gewichtskraft verwendet werden kann. Außerdem ist die Erfassung von Lagerreibungen, Bearbeitungskräften, Kraftwelligkeiten durch Motorunsymmetrien etc. denkbar. Ziele der Messwerterfassung können u.a. selbsteinstellende Vorsteuerungen und Überwachungen sein.
Nach der Mittelwertbildung kann mit den im Trace-Speicher aufgenommenen Kennlinien direkt eine Tabelle gespeist werden, die z.B. zur Vorsteuerung von Regelungssignalen verwendet werden kann. Die Darstellung gemäß der 3 zeigt die Verarbeitung einer solchen Tabelle im Rahmen eines Antriebsreglers AR zur Verwendung der Daten im Trace-Speicher für eine Tabelle T zur Störgrößen-Vorsteuerung.
Die Signalverarbeitung entspricht z.B. der in 2 gezeigten. Der Inhalt des Trace-Speichers wird nun in eine Tabelle T übertragen, die mit demselben Indexsignal y_index wie der Trace-Speicher adressiert werden kann. Der Ausgang dieser Tabellenfunktion kann zur Vorsteuerung von Regelgrößen verwendet werden, indem es einer Regelung aufgeschaltet wird.
In die Datenübertragung zwischen Trace- und Tabellenspeicher T kann eine Umrechenfunktion F eingefügt werden. Diese kann im Antriebsregler oder in einem externen Gerät (z.B. Engineering System) realisiert werden.
Die Inhalte des mittelwertbildenden Trace-Speichers werden bevorzugt in eine Tabelle gleicher Speichertiefe eingespeist. Diese Tabelle kann mit dem selben Indexsignal wie bei dem Trace-Speicher adressiert werden. Nicht-ganzzahlige Indizes y_index können dabei zur Interpolation zwischen Tabelleneinträgen verwendet werden. Die Übertragung der Daten vom Trace- in den Tabellenspeicher kann zyklisch oder nichtzyklisch bzw. online oder offline erfolgen.

Claims

Verfahren zur Aufzeichnung eines ersten Prozesssignals (x) eines Systems, – wobei ein Messwert des ersten Prozesssignals (x) erhoben wird, – wobei ein Messwert eines von dem Zeittakt des Systems verschiedenen zweiten Prozesssignals (y) erhoben wird, – wobei aus dem Messwert des zweiten Prozessignals (y) ein Index (y_index) abgeleitet wird, anhand dessen ein mindestens eine Speicherzelle (Z_n, Z_n+1) umfassender Bereich eines Speichers (A, B) identifizierbar ist und – wobei der Messwert des ersten Prozesssignals (x) in dem durch den Index (y_index) identifizierten Bereich des Speichers (A, B) abgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der Index (y_index) nicht-ganzzahlige Werte annehmen kann, – dass anhand eines nicht-ganzzahligen Werts des Index (y_index) zwei benachbarte Speicherzellen (Z_n, Z_n+1) als Bereich ausgewählt werden und – dass der Messwert des ersten Prozesssignals (x) in zwei Teilbeträge aufgeteilt wird, und – dass je ein Teilbetrag in jeder ausgewählten Speicherzellen (Z_n, Z_n+1) integrierend abgelegt wird.
Verfahren zur Aufzeichnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der beiden benachbarten Speicherzellen (Z_n, Z_n+1) anhand des ganzzahligen Anteils (Gy_index) des Index (y_index) erfolgt.
Verfahren zur Aufzeichnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Messwert des ersten Prozesssignals in den ausgewählten Speicherzellen (Zn, Z_n+1) gewichtet nach dem Nachkomma-Anteil (Ny_index) des Index (y_index) aufintegriert wird.
Verfahren zur Aufzeichnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Gewichtung der Messwertverteilung parallel aufgezeichnet wird.
Verfahren zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein vorgegebener Minimalwert des zweiten Prozesssignals (y) den Index (y_index) für den Beginn des Speicherbereichs bildet.
Verfahren zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein vorgegebener Maximalwert des zweiten Prozesssignals (y) den Index (y_index) für das Ende des Speicherbereichs bildet.
Verfahren zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Index-bildende zweite Prozesssignal (y) durch einen Getriebefaktor bewertet (E) wird.
Verfahren zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Index-bildende zweite Prozesssignal (y) durch eine Modulo-Funktion bewertet (E) wird.
Verfahren zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Inhalt des Trace-Speichers in eine Tabelle (T) übertragen wird, die mit demselben Index (y_index) adressierbar ist wie der Ringpuffer, wobei nicht-ganzzahlige Indizes zur Interpolation zwischen Tabelleneinträgen dienen.
Verfahren zur Aufzeichnung nach Anspruch 9, wobei der Inhalt der Tabelle (T) zur Vorsteuerung von Regelgrößen des Systems dient.
Verfahren zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 10, wobei anhand der Aufzeichnung der Gewichtung der Messwerte eine Mittelwertbildung der aufgezeichneten ersten Prozesssignale (x) bezüglich der zweiten Prozesssignale (y) erfolgt.
Verwendung des Verfahrens zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erfassung von deterministischen, positionsabhängigen Störungen durch äußere Prozesskräfte in einem elektrischen Antrieb.
Verwendung des Verfahrens zur Aufzeichnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 und 8 zur Erfassung von deterministischen, positionsabhängigen Störungen durch äußere Prozesskräfte in einem elektrischen Antrieb (M), wobei ein mit dem Gewichtungsfaktor und der Modulo-Funktion bewerteter Lastdrehwinkel (Ly) als Index-bildendes zweites Prozesssignal (y_index) dient und das Motordrehmoment als erstes Prozesssignal (x) aufgezeichnet wird.
Verwendung des Verfahrens zur Aufzeichnung nach Anspruch 13, wobei eine drehwinkelabhängige Drehmoment-Kennlinie aufgezeichnet wird, die innerhalb eines Antriebsreglers (AR) zur Vorsteuerung der Lastkräfte dient.