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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten eines Signals zur Fehlererkennung.
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Stand der Technik
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Für die Diagnose von Funktionen oder Sensoren ist es bekannt, deren Ausgangssignale auszuwerten. Bei einem bekannten Verfahren ist hierzu vorgesehen, dass das zu diagnostizierende Signal mit einer festen Fehlerschwelle verglichen wird. Dieses Verfahren wird als Signal-Range check bezeichnet. Ein weiteres bekanntes Verfahren sieht vor, das von der Funktion oder den Sensoren ausgegebene Signal mit einem zweiten, bspw. redundant erfassten, Signal zu vergleichen. Anhand der Abweichungen oder dem Überschreiten einer zulässigen Grenze wird dann ein Fehlerzustand erkannt.
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Bei der Erkennung von Fehlerzuständen ist weiterhin ein Mechanismus bekannt, der vorsieht, einzelne, kurzzeitig auftretende Fehlerzustände, wie diese bspw. durch Rauschen, Störspitzen usw. verursacht werden, zu unterdrücken. Diese Unterdrückung wird im allgemeinen als Entprellung bezeichnet.
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Ein übliches Verfahren zur Entprellung wird mit einem Timeout-Timer oder Fehler-Zähler durchgeführt. Dabei wird beim Anliegen des Fehlerzustands ein Timer bzw. Counter schrittweise erhöht und dann beim Erreichen der Fehlerschwelle der entprellte Fehlerzustand gesetzt und darauf z. B. eine Fehlerreaktion ausgelöst. Somit wird bei einem dauerhaft vorliegenden Fehlerzustand die Fehlerreaktion nach der Zeit ausgelöst, die durch die eingestellte Entprellzeit vorgegeben ist.
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Die Behandlung des ”Gutfalls” während einer laufenden Entprellung, bspw. beim Wechsel von Fehlerzustand in den Gutzustand, wird als Heilung bezeichnet. Dafür sind unterschiedliche Verfahren üblich, insbesondere das sofortige Rücksetzen des Fehlertimers bzw. Counters durch einen Gutfall oder das schrittweise Heilen des Fehlers, z. B. durch das Herunterzählen des Fehlerzählers.
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Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen für die Entprellung und Heilung unterschiedlich große Schrittweiten bzw. Steigungen verwendet werden, so dass eine unterschiedliche Gewichtung eines Fehlerzustands gegenüber dem Gutzustand erreicht wird.
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Es ist zu beachten, dass bei den bekannten Verfahren nicht unterschieden wird, ob die Fehlerunterscheidung groß oder klein ist. Daher ergibt sich das Problem, dass auf kleine Abweichungen meist zu schnell und auf große und damit im allgemeinen kritischere Abweichungen eher zu langsam reagiert wird. Dies führt zu einem Konflikt zwischen Sicherheitsinteressen und Verfügbarkeitsinteressen.
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Weiterhin haben bekannte Verfahren das Problem, dass sporadische Gutzustände die Fehlerreaktion beim Vorliegen eines echten Fehlers, wenn durch Messfehler fälschlicherweise ein Gutfall erkannt wird, verzögern oder womöglich gänzlich unterdrücken.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient dazu, die Fehlerreaktionszeit in Abhängigkeit der Fehlerschwere variabel zu halten. Eine größere Fehlerschwere bewirkt dabei eine kürzere Reaktionszeit. Eine kleinere Fehlerschwere bewirkt hingegen eine längere Reaktionszeit. Die Fehlerschwere ist dabei durch die Größe der Abweichung des diagnostizierten Signals von der Fehlergrenze oder von einem zweiten Referenzsignal bestimmt.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird ein Fehlerintegral als Maß für die Fehlerschwere genutzt. Dies entspricht für technische Funktionen bzw. Prozesse sehr häufig der physikalischen Realität. Dabei ist nicht allein das Überschreiten eines Grenzwerts ein Indiz für einen Fehler, sondern auch der Betrag der Abweichung und die Dauer, für die der jeweilige Fehlerbetrag auftritt. Entsprechend der Fehlerschwere kann dann unterschiedlich schnell auf den Fehler reagiert werden. Es zeigt sich, dass dies sehr gut durch das Fehlerintegral abgebildet werden kann.
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Das vorgestellte Verfahren hat dabei den weiteren Vorteil, dass bei stark schwankenden Signalen mit abwechselnd guten und fehlerhaften Zuständen die Fehlerreaktion immer entsprechend der jeweiligen Schwere erfolgt. Bei großen Abweichungen erfolgt dabei die Fehlerreaktion bereits nach einer kürzeren Zeit. Dies dient der Sicherheit, ohne jedoch die Empfindlichkeit zu erhöhen, was bei bekannten Verfahren vorgenommen werden muss, um den gleichen Effekt zu erzielen. Dadurch wird jedoch gleichzeitig die Verfügbarkeit, also die Toleranz gegenüber – insbesondere kleinen – Fehlern, herabgesetzt.
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Es bleibt festzuhalten, dass mit dem beschriebenen Verfahren die Erkennbarkeit von Fehlerzuständen bei stark verrauschten Signalen gegenüber bisherigen Verfahren, bei denen es teilweise durch wiederkehrendes Heilen zu gar keiner Reaktion mehr kommt, verbessert wird. Somit wird die Sicherheit erhöht, ohne gleichzeitig die Verfügbarkeit herabzusetzen. Weiterhin wird ein besseres Verhältnis von Fehlererkennung zu Fehlertoleranz erreicht.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Fehlererkennung mittels Entprelltimer mit Heilung durch sofortige Rücksetzung.
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2 zeigt eine Fehlerkennung mittels Entprelltimer mit schrittweiser Heilung.
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3 zeigt die Bildung eines Fehlerintegrals beim Vergleich eines Signals mit einer festen Schwelle bei sofortiger Rücksetzung.
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4 zeigt die Bildung eines Fehlerintegrals beim Vergleich eines Signals mit einer festen Schwelle und betragsabhängiger Heilung.
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5 zeigt die Bildung eines Fehlerintegrals und die Auswertung beim Vergleich zweier Signale mit betragsabhängiger Heilung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist in die Fehlererkennung mittels Entprell-Timer bzw. -Counter mit Heilung durch sofortige Rücksetzung verdeutlicht. Dabei ist in einem ersten Graphen an einer ersten Ordinate 10 ein Signal 11 über der Zeit t (Abszisse 12) aufgetragen. Entsprechend ist in einem zweiten Graphen an einer zweiten Ordinate 14 ein Wert eines Fehlerzählers 15 bzw. Fehler-Counters über der Zeit t (Abszisse 16) aufgetragen. Weiterhin ist eine Fehlerschwelle 30 eingetragen.
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In dem ersten Graphen ist zudem eine erste Schwelle 18 vorgesehen, deren Überschreiten durch das Signal 11 im ersten Graphen ein Erhöhen bzw. Inkrementieren des Fehlerzählers 15 im zweiten Graphen bewirkt. Zu einem ersten Zeitpunkt 20 überschreitet das Signal 11 die Schwelle 18 und unterschreitet diese wieder zu einem zweiten Zeitpunkt 22. In diesem Zeitraum wird der Fehlerzähler 15 unabhängig von dem Maß der Überschreitung der Schwelle 18 von dem Signal 11 stetig und gleichmäßig ansteigend erhöht. Zum Zeitpunkt 22 unterschreitet das Signal 11 die Schwelle 18 und der der Fehlerzählers 15 wird auf Null zurückgesetzt.
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Zu einem weiteren Zeitpunkt 24 überschreitet das Signal 11 wiederum die Schwelle 18, der Fehlerzähler 15 wird kontinuierlich erhöht, d. h. der Wert des Fehlerzählers 15 wird erhöht. Zu einem weiteren Zeitpunkt 26 erreicht der Fehlerzähler 15 die Fehlerschwelle 30 und es wird ein Fehlerzustand 32 gesetzt und ggf. eine Fehlerreaktion ausgelöst.
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In 2 ist entsprechend 1 die Fehlererkennung mittels Fehlerzählers 15 dargestellt, wobei in diesem Fall eine schrittweise Heilung erfolgt. Dies bedeutet, dass der Fehlerzähler 15 zum Zeitpunkt 22, dem Unterschreiten der Schwelle 18 durch das Signal 11, nicht auf Null zurückgesetzt wird, sondern nur schrittweise verringert wird, solange bis zum Zeitpunkt 24 die Schwelle 18 wiederum überschritten wird. Dies hat zur Folge, dass ein Fehlerzustand 34 bereits zu einem Zeitpunkt 36 gesetzt wird, der zeitlich vor dem Zeitpunkt 26 in 1 liegt.
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In 3 ist die Bildung eines Fehlerintegrals beim Vergleich einer Signals mit einer festen Schwelle und sofortiger Rücksetzung wiedergegeben.
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An einer ersten Ordinate 40 ist der Verlauf eines Signals 41 über der Zeit t (Abszisse 42) aufgetragen. In einem zweiten Graphen ist an einer zweiten Ordinate 44 der Wert eines Fehlerintergrals 45 über der Zeit t (Abszisse 46) aufgetragen. Wiederum ist in dem ersten Graphen eine Schwelle 48 und in dem zweiten Graphen eine Fehlerschwelle 60 eingetragen. Ein Überschreiten der Schwelle 48 erfolgt zu einem ersten Zeitpunkt 50. Zu einem zweiten Zeitpunkt 52 verringert sich zwar der Wert des Signals 41, doch bleibt die Schwelle 48 überschritten. Zu einem dritten Zeitpunkt 54 wird die Schwelle 48 unterschritten, zu einem vierten Zeitpunkt 56 wiederum überschritten und zu einem weiteren Zeitpunkt 58 erhöht sich das Signal 41. Erreicht das Fehlerintegral 45 die Fehlerschwelle 60 zum Zeitpunkt 68, wird ein Fehlerzustand 70 gesetzt.
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Für die Bildung des Fehlerintegrals 45 beim Vergleich des Signals 41 mit der festen, d. h. in einer definierten Richtung wirksamen, Schwelle 48 ist der Fehlerbetrag (Doppelpfeil 62) durch den Betrag der Grenzüberschreitung gegeben. Dabei kann die Schwelle 48 entweder als Parameter fest vorgegeben oder auch als dynamisches, zeitlich veränderliches Limit gegeben sein. Bei Überschreiten der Schwelle 48 wird der Fehler angenommen und dann der Fehlerbetrag 62 gebildet als: Fehlerbetrag 62 = Signal 41 – (Signal)schwelle 48
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Der Fehlerbetrag 62 wird anschließend integriert und entspricht in 3 der schraffierten Flache 64. Bei Überschreiten der Schwelle 48 wird somit ein Fehlerzähler um einen Wert erhöht, der durch das Fehlerintegral 45 ermittelt wird. Damit das Fehlerintegral 45 nicht ”überläuft”, muss ebenfalls eine Heilung erfolgen. Hierbei sind unterschiedliche Strategien anwendbar.
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So kann die sofortige Heilung durch Rücksetzen des Fehlerintegrals 45 erfolgen. Alternativ kann eine schrittweise Heilung durch eine fest vorgegebene Steigung, was einem definierten negativen Fehlerbetrag entspricht, gegeben sein. Weiterhin kann ein signalabhängiger negativer Fehlerbetrag verwendet werden. Hierbei besteht die einfachste Variante darin, ebenfalls die Differenz des Signals 41 zur Signalschwelle 48 zu verwenden. Dann gilt für alle Zustände die einfache Beziehung: Fehlerbetrag 62 = Signal 41 – Schwelle 48
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Dabei gilt ein negativer ”Betrag” als Maß für die ”Gutheit” des Signals 41 und bewirkt ein betragsabhängiges Heilen des Fehlerintegrals 45. Das Fehlerintegral 45 wir dann als: Fehlerintegral 45 = ∫Fehlerbetrag 62·dt definiert.
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Dabei wird das Integral auf positive Weise nach unten hin begrenzt. Die Fehlerreaktion wird dann ausgelöst, wenn das Fehlerintegral 45 den Fehlerschwellwert bzw. die Fehlerschwelle 60 erreicht hat.
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Wie in dem folgenden, in 4 dargestellten Beispiel zu sehen ist, wird somit der Fehlerzustand 76 bereits zu einem Zeitpunkt 74 anerkannt bzw. gesetzt und die Fehlerreaktion kann gegenüber der Ausführung in 3 deutlich früher ausgeführt werden und wird nicht durch den relativ kleinen Gutfall stark verzögert.
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In 5 ist das Verfahren bei der Auswertung zweier Signale verdeutlicht. Die Darstellung zeigt eine erste Ordinate 80, an der die Verläufe eines ersten Signals 82 und eines zweiten Signals 84 über der Zeit t (Abszisse 86) aufgetragen sind. In einem zweiten Graphen ist an einer zweiten Ordinate 88 der Wert eines Fehlerintergrals 90 über der Zeit t (Abszisse 92) aufgetragen. In dem ersten Graphen sind eine erste Schwelle 94 und eine zweite Schwelle 96 eingetragen. Diese beiden Schwellen 94 und 96, die auch als Toleranzschwellen bezeichnet werden, werden in der gezeigten Ausführung in Bezug auf den Verlauf des zweiten zweiten Signals 84 gewählt. Weiterhin ist in dem zweiten Graphen eine Fehlerschwelle 98 eingetragen.
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Bei der Auswertung durch den Vergleich zweier Signale kann eine einfache Integralbildung, wie dies vorstehend dargestellt ist, nicht angewendet werden. Da zwischen zwei realen Signalen immer ein Unterschied besteht, wird somit immer ein Fehlerbetrag entsprechend der Differenz der beiden Signale vorliegen. Folglich kann damit kein Integral gebildet werden, da das Fehlerintegral früher oder später zwangsläufig überlaufen würde. Das vorgestellte Verfahren bezieht sich daher in einer Ausgestaltung auf die Ausführung der technischen Lösung zu diesem Anwendungsfall.
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Zur Lösung des Problems werden somit die beiden Schwellen 94 und 96 gebildet. Grundsätzlich können jedoch eine oder zwei Toleranzschwellen definiert werden. Dabei können für die obere und untere Toleranzschwelle unterschiedliche Toleranzen verwendet werden, so dass asymmetrische Toleranzschwellen entstehen. Analog zu dem vorstehenden Fall wird der Fall, dass sich das erste Signal 82 innerhalb der Toleranzschwellen, nämlich der ersten Schwelle 94 und der zweiten Schwelle 96, des zweiten Signals 84 befindet, als der ”Gutfall” definiert. Weiterhin wird der Fall, dass sich das erste Signal 82 außerhalb der Schwellen 94 und 96 befindet, als der Fehlerfall definiert. Als Fehlerbetrag wird nun aber, im Gegensatz zu dem vorstehenden Fall, nicht das Maß der Überschreitung der Signalschwelle angenommen. Da das Fehlermaß nach wie vor die Abweichung vom ersten Signal 82 zum zweiten Signal 84 ist, würde dies insbesondere bei der Integration ein falsches Ergebnis liefern.
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Im Fehlerfall der Situation ➀ in 5 wird somit Fehlerbetrag = ABS(erstes Signal 82 – zweites Signal 84) angewendet.
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Weiterhin soll im ”Gutfall” ebenfalls eine Betrags- und somit signalabhängige Heilung erfolgen.
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Der Heilungsbetrag wird somit analog zum vorstehenden Fall durch den Abstand des Signals zur Toleranzschwelle verwendet. Da in diesem Fall zwei Toleranzschwellen, nämlich die beiden Schwellen 94 und 96, vorhanden sind, wird in dieser technischen Lösung der jeweils kleinere Abstand zur näherliegenden Toleranzschwelle als Maß für die Gutheit des Signals und somit als Heilung-Betrag für die anschließende Integralbildung verwendet.
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In Situation ➁ in Bild 5 ergibt sich: Heilungsbetrag (= negativer Fehlerbetrag) = Minimum(x1, x2), mit
x1 = zweites Signal 84 + erste Schwelle 94 – erstes Signal 82
x2 = erstes Signal 82 – (zweites Signal 84 – zweite Schwelle 94)
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Somit ergibt sich für die Situation ➂ in 5, bei der der Wert des ersten Signals 82 exakt auf einer der beiden Toleranzschwellen liegt, dass das Fehlerintegral und damit das Maß für den Fehlerzustand unverändert bleibt.
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Das Fehlerintegral 90 wird dann als: Fehlerintegral 90 = ∫Fehlerbetrag·dt definiert.
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Das Fehlerintegral 90 stellt somit die in 5 schraffierte Fläche 100 abzüglich der gepunkteten Fläche 102 dar.
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Dabei wird das Fehlerintegral 90 auf positive Werte nach unten hin begrenzt. Wie im vorstehenden Fall wird der Fehler als erkannt bewertet und die Reaktion ausgelöst, wenn das Fehlerintegral 90 die Fehlerschwelle 98 (Fehlerzustand 104) erreicht hat.
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Selbstverständlich kann das Verfahren auch ausgeführt werden, dass ein ”Gutfall” keine Heilung bewirkt.
