DE102012106581A1

DE102012106581A1 - System und Verfahren zur Regelung eines Aktuators

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Publication number: DE102012106581A1
Application number: DE201210106581
Authority: DE
Inventors: Fancis P. Mullin
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2013-01-24
Also published as: CN102890456B; SE537420C2; US9116516B2; SE1250871A1; US20130024013A1; CN102890456A

Abstract

Informationen von einem realen Sensor und einem virtuellen Sensor werden fusioniert, um einen Hybridsensor auszubilden. Regelungssignale (und/oder der absolute Wert der Regelungssignale) angewendet auf einen Aktuator werden gesammelt und in eine Position umgewandelt, in der sich der Aktuator basierend auf den gesammelten Regelungssignalen befinden soll, um den virtuellen Sensor auszubilden. Die Position des Aktuators nach dem virtuellen Sensor wird mit einer Position des Aktuators eines realen Sensors fusioniert, um den Hybridsensor auszubilden. Auf die sich ansammelnden Regelungssignale können geringe periodische Korrekturen angewendet werden, um falls möglich eine Korrelation zwischen demvirtuellen Sensor und dem realen Sensor über die Zeit zu bewahren oder zu erhalten. Die Korrekturen verzögern langsam Fehler der Position des Aktuators angezeigt durch den virtuellen Sensor. Sich ansammelnde nummerische Fehler in den sich ansammelnden Regelungssignalen werden reduziert, und die Signifikanz von lange in der Vergangenheit liegenden Ereignissen durch einen Gedächtnisfaktor (kff) verwendet bei vorbestimmten Zeitdauern (tff) entwertet.

Description

Verwandte Anmeldungen:
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nießbrauch der US Provisional Application Nr. 61/510,183 angemeldet am 21 Juli 2011 mit dem Titel ”System und Verfahren zur Regelung eines Aktuators”, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme eingebunden wird.
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Aktuatoren, die in Regelungsprozessen in Produktionsanlagen verwendet werden. Sie betrifft insbesondere ein System und ein Verfahren zur Regelung eines Aktuators, wobei die Positionierung von Aktuatoren und die Validierung des Sensors der Positionen des Aktuators durch Kombinieren oder Verschmelzen von Daten von physischen oder realen Sensoren mit Daten von virtuellen Sensoren geregelt wird, wobei beide Sensoren genutzt werden, die Aktuatoren zu überwachen. Während offensichtlich ist, dass der Weg der vorliegenden Erfindung bei unterschiedlichsten Anwendungen genutzt werden kann, wird die Erfindung hier mit Bezug auf Aktuatoren beschrieben, die bei Maschinen zur Papierherstellung verwendet werden, für die die Erfindung entwickelt und anfänglich genutzt wurde.
Hintergrund der Erfindung:
Systeme mit einer Regelkreisrückführung sind aus dem Stand der Technik als Mittel zur Regelung von Prozessvariablen in Produktionsstätten bekannt, beispielsweise zur Positionierung eines Aktuators in einer gewünschten Position. Rückführungsmechanismen und Regelungsalgorhytmen werden verwendet, um ein erkanntes Fehlersignal auf einen minimalen Wert zu fahren. Die Voraussetzung für eine Regelung ist allerdings, dass die Rückführungsposition die eines fehlerfreien Zustandes ist.
Falls Sensoren zur Überwachung von Aktuatoren verwendet werden, sind die Sensoren üblicher Weise Einzelelement-Rückführungsvorrichtungen. Derartige Sensoren sind in der Lage entweder unter dynamischen Bedingungen oder unter nahezu statischen Bedingungen eine gute Rückführung zu bieten, jedoch üblicher Weise nicht in beiden Fällen. Das für derartige Sensoren erforderliche Maß an Präzision und Genauigkeit, insbesondere bei solchen Sensoren, die für einen Breitbandbetrieb geeignet sind, überschreitet oftmals das, was im Handel zu praktikablen Kosten für eine praktische Verwendung in industriellen Regelungsanwendungen erhältlich ist.
Falls Sensoren von Aktuatoren plötzlich versagen, werden die Versagensfälle im Allgemeinen einfach mit dem unglücklichen Ergebnis festgestellt, dass die Rückführung vom dem Sensor, der versagt hat, vollkommen unbrauchbar ist. Die unter diesen Umständen einzige Handlungsoption ist, jede weitere Handlung zur Regelung des Aktuators zu vermeiden, um möglicherweise katastrophale oder dauerhafte Beschädigungen von Systemkomponenten zu vermeiden, was das Arbeitsverhalten der Maschine, bei der die Aktuatoren verwendet werden, schwerwiegend stört.
Wenn sich der Rauschpegel des Sensors in der Nähe des zur Regelung erforderlichen Signalpegels befindet, können geschlossene Regelkreissysteme Schwankungen in den geregelten Prozess einleiten. Bei Papier herstellenden Maschinen wurde dieses Phänomen insbesondere bei empfindlichen Regelungssystemen für den Stoffauflauf beobachtet. Die Lösung für derartige Schwankungsprobleme ist derzeit, die Totzone aufzuweiten, was zu einer Verminderung der Genauigkeit der Regelung und zu kürzeren Prozessantwortzeiten führt.
Es wurde außerdem beobachtet, dass sehr langsam auftretende Wanderungen oder Fehler, wie sie bei sich progressiv verschlechternder Sensorhardware ausgegeben werden, innerhalb des geschlossenen Regelkreises typisch für Aktuatoren mit Regelung verdeckt werden können. Derartige verdeckte Wanderungen oder Fehler können dazu führen, dass der Regelungsmechanismus und/oder typische Alarmierungsstrukturen vollkommen nutzlos werden.
Zusammenfassung der Erfindung:
Ein System und ein Verfahren zur verbesserten Regelung von Aktuatoren erzeugt durch Verschmelzen von Informationen, die durch wenigstens einen physischen oder realen Sensor erzeugt wurden, mit Informationen, die durch wenigstens einen virtuellen Sensor erzeugt wurden, Hybrid-, Soft- oder Smartsensoren. Virtuelles Abtasten kann durch Ansammeln von Regelungssignalen und/oder der absoluten Werte des Regelungssignale, die an einen Aktuator angelegt werden, durchgeführt werden, beispielsweise durch Zählen von Schritten, die an einen Schrittmotor angelegt werden, um die Regelungssignale und/oder die absoluten Werte der Regelungssignale effektiv zu integrieren. Die angesammelten Regelungssignale werden in eine entsprechende Position umgewandelt, in der sich der Aktuator basierend auf den gesammelten Regelungssignalen befinden würde. Die resultierende virtuelle, möglichst genau geschätzte Position des Aktuators wird zusammen mit der durch den realen Sensor physikalisch erfassten, möglichst genau geschätzten Position des Aktuators verwendet, um den Hybrid-, Soft- oder Smartsensor auszubilden. In diesem Zusammenhang beziehen sich die Bezeichnungen „verschmolzen”, „verschmelzen” oder „Verschmelzung” auf die Nutzung oder Kombination der Signale, um den Hybridsensor auszubilden.
Die sich ansammelnden Regelungssignale können kleineren periodischen Korrekturen unterzogen werden, um, falls möglich, eine Korrelation zwischen dem virtuellen Sensor und dem realen Sensor über die Zeit zu bewahren oder zu erzielen. Diese Korrekturen verringern Fehler in der Position des Aktuators, die durch den virtuellen Sensor angezeigt wird, langsam. Um sich ansammelnde numerische Fehler bei den sich ansammelnden Regelungssignalen zu vermindern und außerdem die Signifikanz von Ereignissen, die lange in der Vergangenheit stattgefunden haben, abzuschwächen, kann ein Verdrängungsfaktor (k_ff) bei festgelegten Zeitdauern (t_ff) verwendet werden, sodass die sich ansammelnden Regelungssignale um einen gewissen Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Lehren der vorliegenden Anmeldung umfass ein System für eine Verschmelzung eines Sensors für einen Aktuator wenigstens einen realen Sensor, der mit einem Aktuator verbunden ist und reale Sensorsignale erzeugt, und wenigstens einen virtuellen Sensor, der basierend auf zur Regelung des Aktuators verwendeten Signalen virtuelle Sensorsignale erzeugt. Ein Prozessor verschmelzt die realen Sensorsignale und die virtuellen Sensorsignale, um eine Betriebsstörung des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors zu erfassen. Der Prozessor kann dazu ausgebildet sein, bei einer festgestellten Betriebsstörung des wenigstens einen realen Sensors auf einen Betrieb des Aktuators unter Verwendung des wenigstens einen virtuellen Sensors zurückzugreifen. Der Prozessor kann den wenigstens einen virtuellen Sensor modellieren und historisch aufgenommene Daten zu sammeln, die die zum Aktuator gesendeten Regelungssignale darstellen.
Der Prozessor kann ausgebildet sein, die Signale des realen Sensors und die Signale des virtuellen Sensors durch einen Vergleich einer Position des Aktuators, die durch die Signale des realen Sensors angezeigt wird, und einer Position des Aktuators, die durch die Signale des virtuellen Sensors angezeigt wird, zusammenzuführen, um eine Differenz in den angezeigten Positionen des Aktuators zu bestimmen und um eine Fehlfunktion des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors auf Grund der Differenz in der angezeigten Position zu bestimmen, die ein Differenzlimit überschreitet.
Der Prozessor kann ausgebildet sein, periodische Korrekturen, die hinsichtlich des virtuellen Sensors ausgeführt wurden, anzusammeln und die angesammelten periodischen Korrekturen mit einem Limit zu vergleichen, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des realen Sensors zu bestimmen. Der Prozessor kann außerdem ausgebildet sein, einen Gedächtnisfaktor (k_ff) bei bestimmten Zeitdauern (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen anzuwenden, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen periodisch um einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Der Prozessor kann außerdem ausgebildet sein, absolute Werte der periodischen Korrekturen, denen der virtuelle Sensor unterzogen wird, anzusammeln und die angesammelten absoluten Werte der periodischen Korrekturen mit einem Limit zu vergleichen, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des realen Sensors festzustellen. Der Prozessor kann des Weiteren ausgebildet sein, um einen Gedächtnisfaktor (k_ff) an festgesetzten Zeiträumen (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen anzuwenden und einen Gedächtnisfaktor (k_ff1) bei festgesetzten Zeitdauern (t_ff1) auf die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen anzuwenden, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen und die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen periodisch um bestimmte Bereiche ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Der Prozessor kann ausgebildet sein, die absoluten Werte der periodischen Korrekturen, denen der virtuelle Sensor unterzogen wird, anzusammeln, und die angesammelten absoluten Werte der periodischen Korrekturen mit einem Limit zu vergleichen, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des realen Sensors festzustellen. In diesem Fall kann der Prozessor ausgebildet sein, einen Gedächtnisfaktor (k_ff1) bei festgesetzten Zeitdauern (t_ff1) anzuwenden, so dass die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen periodisch um einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Lehren der vorliegenden Anmeldung umfass ein Verfahren für eine Verschmelung eines Sensors für einen Aktuator unter Verwendung eines Prozessors ein Überwachen wenigstens eines mit einem Aktuator verbundenen realen Sensors, unter Nutzung eines Prozessors ein Überwachen wenigstens eines virtuellen Sensors und unter Nutzung eines Prozessors ein Verschmelzen von Realsensorsignalen erzeugt durch den realen Sensor und virtuellen Sensorsignalen erzeugt durch den virtuellen Sensor, um eine Fehlfunktion des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors zu erfassen. Das Verfahren kann außerdem aufgrund eines festgestellten Versagens des wenigstens einen realen Sensors ein Zurückführen zu einem Betrieb des Aktuators unter Verwendung des wenigstens einen virtuellen Sensors umfassen.
Das Verfahren kann außerdem ein Modellieren des wenigstens einen virtuellen Sensors und ein Ansammeln historischer Trackingdaten, die für an den Aktuator gesendete Regelungssignale repräsentativ sind, umfassen. Ein Verschmelzen der Signale des realen Sensors und der Signale des virtuellen Sensors kann ein Vergleichen einer Position des Aktuators, die durch die Signale des realen Sensors anzeigt ist, und einer Position des Aktuators, die durch die Signale des virtuellen Sensors anzeigt ist, ein Bestimmen einer Differenz der angezeigten Position des Aktuators und ein Anzeigen einer Fehlfunktion des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors aufgrund der Differenz der angezeigten Position umfassen, die ein Differenzlimit überschreitet.
Das Verfahren kann des Weiteren ein Ansammeln periodischer Korrekturen, die auf den virtuellen Sensor angewendet wurden, und ein Vergleichen der angesammelten periodischen Korrekturen mit einem Limit zum Bestimmen einer Verschlechterung des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors umfassen. In diesem Fall kann das Verfahren außerdem ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff) bei vorbestimmten Zeitspannen (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen umfassen, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen periodisch um einen bestimmte Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Das Verfahren kann des Weiteren ein Ansammeln sowohl von periodischen Korrekturen, die auf den virtuellen Sensor ausgeübt wurden, als auch der absoluten Größe von periodischen Korrekturen, die auf den virtuellen Sensor ausgeübt wurden, und ein Vergleichen der Ansammlungen mit Limits zum Feststellen einer Verschlechterung des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors umfassen. In diesem Fall kann das Verfahren des Weiteren unter Verwendung eines Prozessors ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff) bei festgesetzten Zeitspannen (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen und unter Verwendung eines Prozessors ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff1) auf die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen bei festgesetzten Zeitspannen (t_ff1) umfassen, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen und die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen periodisch um einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Das Verfahren kann des Weiteren unter Verwendung eines Prozessors ein Ansammeln der absoluten Werte von periodischen Korrekturen, die auf den virtuellen Sensor angewendet wurden, und ein Vergleichen der angesammelten absoluten Werte der periodischen Korrekturen mit einem Limit umfassen, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des realen Sensors zu bestimmen. In diesem Fall kann das Verfahren des Weiteren unter Verwendung eines Prozessors ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff1) bei festgelegten Zeitspannen (t_ff1) umfassen, so dass dies sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen periodisch um einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtiger Werte verringert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Die Leistungen und Vorteile der Erfindung nach der vorliegenden Anmeldung werden sich Fachleuten des Gebietes, auf das sich die Erfindung bezieht, aus der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der angehängten Ansprüche zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ergeben, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines gemäß den Lehren der anliegenden Anwendung betreibbaren Systems zeigt,
2 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridsensors gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung zeigt,
3 Abläufe einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridsensors gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung darstellt,
4 Abläufe einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridsensors gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung für eine langsame Drift eines Hardwaresensors darstellt,
5 Abläufe einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridsensors gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung für ein geringfügiges, jedoch permanentes Motorkriechen darstellt,
6 Abläufe einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridsensors gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung für ein plötzliches Versagen eines Hardwaresensors darstellt, und
7 Abläufe einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridsensors gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung für einen fortlaufenden Motor zeigt.
Ausführlich Beschreibung der Erfindung:
Das System und das Verfahren der vorliegenden Anmeldung wird mit Bezug auf ein Regeln von Aktuatoren in Papier herstellenden Maschinen beschrieben, für welche es bzw. sie entwickelt und anfänglich genutzt wurde. Fachleute werden allerdings erkennen, dass die vorliegende Erfindung in einer breiten Vielzahl von Anwendungen genutzt werden kann.
Es wird ein System und ein Verfahren zur verbesserten Regelung von Aktuatoren offenbart, um Hybridsensoren zu schaffen, die hier außerdem als Softsensoren oder Smartsensoren bezeichnet werden, indem Informationen, die durch wenigstens einem realen Sensor erzeugt werden, mit Informationen, die durch wenigstens einen virtuellen Sensor erzeugt werden, verschmolzen werden. Bei Papier herstellenden Maschinen werden zahlreiche Aktuatoren verwendet, um den Prozess zu regeln. Es werden beispielsweise zahlreiche Stoffauflaufaktuatoren verwendet, um die Kantenöffnung eines Auslaufs eines Stoffauflaufs zu regeln. Die Stoffauflaufaktuatoren erfordern ein hohes Maß an Genauigkeit, um die Kante des Auslaufs präzise zu positionieren. Die meisten Betätigungen der Kante des Auslaufs sind von geringer Größe und treten allmählich mit der Zeit auf, so dass, falls Aktuatorsensoren verwendet werden, diese bei geringen und langsam variierenden Bewegungen, die nur geringfügige Änderungen zeigen, gut funktionieren müssen. Einige Betätigungen der Auslaufkanten sind allerdings verhältnismäßig groß und erfordern sich schnell ändernde Bewegungen. Verhältnismäßig große, sich schnell ändernde Bewegungen können beispielsweise global quer über den gesamten Stoffauflauf ausgeführt werden, wenn Papiergradwechsel durchgeführt werden. Die größeren Bewegungen des Aktuators erfordern weiterhin ein hohen Maß an Genauigkeit, um sicherzustellen, dass Sicherheitsmaßnahmen gegen ein Biegen des Kante aufrecht erhalten werden, um eine Beschädigung der Auslaufkante während dieser großen Bewegungen zu verhindern. Daher müssen Aktuatorsensoren zur Überwachung von Aktuatoren von Stoffaufläufen außerdem während verhältnismäßig großer und schneller Bewegungen der Aktuatoren gut funktionieren. In der Folge sind Aktuatorsensoren gefordert, die sowohl während verhältnismäßig statischen als auch während verhältnismäßig dynamischen Umständen gut funktionieren.
Da Sensoren mit einer weiten Bandbreite üblicherweise teuer sind, kann ihre Nutzung bei zahlreichen Verwendungen nicht praktikabel sein, insbesondere bei Anwendungen, die einen verhältnismäßig großen Anzahl an Aktuatoren benötigen, wie zum Beispiel bei einer Regelung der Auslaufkante von Stoffaufläufen, wo viele Aktuatoren und entsprechend viele Sensoren für die große Breite von Papier herstellenden Maschinen erforderlich sind. In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Anmeldung werden Informationen von verschiedenen Quellen intelligent verschmolzen, um die Funktionalität von Sensoren über den üblichen einfachen Vergleich ihrer Ausgangssignale hinaus auf die Grenzen dieser Signale zu erstrecken, so dass käuflich erhältliche, verhältnismäßig günstige Sensoren verwendet werden können.
Mit Kenntnis der Eigenschaften eines Aktuators kann ein Modell eines offenen Regelkreises entwickelt und zum Tracken der Historie von Aktuatoranweisungen zum Erzeugen eines virtuellen Sensors genutzt werden. Die Trackinghistorie dieses virtuellen Sensors wird dann verwendet, um sekundäre Messwerte (MV) oder Schätzungen von Bewegungen des Aktuators oder der Position des Aktuators zu erzeugen, die mit gemessenen Werten basierend auf einem physischen Sensor, der den Aktuator überwacht, verglichen werden. Es werden daher Wege zur Verschmelzung von Daten von primären Messungen, die durch einen physischen Sensor erzeugt wurden, und von sekundären Messungen, die durch einen virtuellen Sensor erzeugt wurden, angewendet, um Messungen höherer Qualität und eine Konsistenz von Messungen mittels Fehlerabschätzungen, Tracking und Anpassung des Systems zu bewirken.
1 zeigt ein vereinfachtes System 100, das gemäß den Lehren der vorliegenden Anwendung betrieben werden kann. Dabei regelt ein Prozesskontroller 102 einen Aktuator 104, typischerweise einen von zahlreichen Aktuatoren, über eine Aktuatorregelung 106. Ein Hardwaresensor 108 überwacht den Aktuator 104 und erzeugt physische Sensorsignale oder Realsensorsignale, die für die gemessene Aktuatorbewegung repräsentativ sind. Der Sensor 108 kann jede für eine gegebene Anwendung geeignete Form annehmen, wie zum Beispiel ein üblicher linearer variabler Differentialtransformer (LVDT) bei linearen Aktuatoranwendungen, ein Drehratensensor für Drehaktuatoren und sogar Drehratensensoren an geeigneter Stelle bei Linearaktuatoreinheiten mit einer geeigneten Modellierung. Unter Verwendung der Spezifikationen des Sensors 108 und normaler statistischer und/oder systemischer Fehlereigenschaften sowie Messungen durchgeführt an dem Sensor 108 werden die Betriebseigenschaften des Sensors 108 bestimmt. Die bestimmten Betriebseigenschaften werden dann verwendet, um ein offenes Steuerungsmodell, das für normale Betriebsbedingungen der Aktuator/Sensorkombination 104/108 bestimmt ist, zu erzeugen. Eine Steuerungsmodellierung ist Fachleuten gut bekannt und wird nicht über das hinausgehend beschrieben, was für ein Verständnis des Systems und des Verfahrens zur verbesserten Aktuatorregelung gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung notwendig ist.
Ein virtueller Sensor 110 trackt fortwährend ausgegebene Anweisungen (oder eine Schrittbewegung falls angewendet auf einen Schrittgeber), um virtuelle Sensorsignale zu erzeugen, die eine geschätzte Position des Aktuators 104 definieren. Die Ausgangssignale oder abgeschätzten Signale des virtuellen Sensors 110 zur Position des Aktuators neigen dazu, im Kurzzeit- und Schritt-für-Schritt-Modus sehr genau zu sein, tendieren jedoch zu einem langsamen Driften aus der Genauigkeit heraus, da der Aktuator eine physische Vorrichtung ist und nicht in genauer Übereinstimmung mit dem zu seiner Regelung gesendeten Anweisungen reagiert. Zum Beispiel können Schritte aufgrund eines geringen Drehmoments bei frühen Schritten eines Schrittmotors falsch ausgeführt werden. Da der virtuelle Sensor 110 eine integrative Vorrichtung ist, kann der Sensordriftfehler über eine große Zeitspanne unendlich groß werden.
Signale vom physischen Sensor oder Hardwaresensor 108 werden mit Signalen vom virtuellen Sensor in einem Sensorfusor 112 verglichen, um Unterschiede zwischen der physisch festgestellten Position des Aktuators 104 und der berechneten Position des Aktuators 104 festgestellt durch den virtuellen Sensor 110 festzustellen und zu tracken. Die Daten des realen Sensors und die Daten des virtuellen Sensors werden kombiniert, um ein höheres Güte der Positionsdaten durch den Hybridsensor, Soft- oder Smartsensor definiert durch die Verwendung der Lehren der vorliegenden Anwendung zu erzielen. Die Sensorverschmelzung ist nicht auf einem physischen und einen virtuellen Sensor beschränkt, sondern in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Anmeldung können zahlreiche Datenquellen fusioniert werden. Der virtuelle Sensor 110 und der Sensorfusor 112 können in einem oder mehreren zugehörigen Prozessoren oder in einem Prozessor interveniert sein, der mit der Regelung des Systems unter Verwendung des Aktuators 104 einschließlich dem virtuellen Sensor 110 und dem Sensorfusor 112 verbunden ist. Der Hybrid-, Soft- oder Smartsensor kann außerdem in wünschenswerter Weise mehr Information betreffend die Unversehrtheit des Sensors 108 und des Aktuators 104 bestimmen und dabei den intelligenten Nutzwert der Ausstattung steigern.
2 ist ein Blockdiagramm einer möglichen Ausführungsform eines Hybridsensors 200 in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Anmeldung, wobei der Aktuator als Schrittmotor dargestellt ist. Regelungssollwertwechsel werden an einen Schrittgenerator 202 geleitet, der die Sollwertwechsel in eine geeignete Anzahl von Schritten wandelt, die an einen Schrittmotor 204 ein Aktuators 205 gegeben werden. Die Schrittsignale werden an einen Nachlaufkompensator 206 und einen Schrittzähler 208 geleitet, der die Schritte zählt, um die an den Aktuator 205 geleiteten Regelungssignale durch den Kompensator 206 als Teil des virtuellen Sensors zu integrieren. Der Nachlaufkompensator 206 führt die Anzahl der Schritte nach, um einem Nachlauf in einem Getriebe 210 des Aktuators 205 Rechnung zu tragen, wenn Richtungswechsel geführt werden. Falls zum Beispiel ein Rückschrittlauf von zehn Schritten durchgeführt werden muss, können fünfzehn Schritte notwendig sein, um den Nachlauf in den verbundenen Aktuatorgetriebe 210 auszugleichen. Betriebseigenschaften des Nachlaufkompensators 206 werden in üblicher Weise empirisch bestimmt. Ein Hardwaresensor 212 ist mit dem Aktuator 205 in üblicher Weise verbunden, um die Position des Aktuators, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, zu überwachen.
Während das Ausgangssignal des Sensors 212 direkt genutzt werden kann, wird in der in der 2 dargestellten Ausführungsform das Ausgangssignal des Sensors modifiziert, um physischen Eigenschaften des Sensors 212 und des Systems und der Umgebung, in dem bzw. der der Sensor verwendet wird, Rechnung zu tragen. Wenn zum Beispiel der Sensor 112 in eine Richtung bewegt und dann in die entgegengesetzte Richtung zurückbewegt wird, gibt es eine leichte Missübereinstimmung oder Hysterese im Ausgangssignal des Sensors 112, ähnlich dem Nachlauf im Getriebe 210 des Aktuators 205. Diese Missübereinstimmung wird durch Verwendung eines Hysteresekorrektors 214 kompensiert. Die Hysterese des Sensors 212 kann basierend auf Spezifikationen des Sensors 212 und/oder durch Tests, die an dem aktuell verwendenden Sensor durchgeführt werden, bestimmt werden. Außerdem ist ein Variabilitätenkorrektor 216 vorgesehen, um Abweichungen von den idealen Eigenschaften des Sensors 212 zu kompensieren, da der Sensor 212 eine reale, physische Vorrichtung ist, die von nominalen Eigenschaften abweicht. Zum Beispiel wird ein Linearsensor mit linearen Eigenschaften üblicherweise von einer idealen Graden abweichen, so dass, falls nichtlineare Korrekturen durchgeführt werden, diese die Genauigkeit des Ausgangssignals des Sensors verbessern. Der Sensor 212 kann des Weiteren eingestellt sein, um anderen Variationen vom Idealzustand Rechnung zu tragen, die durch einen Tuningkorrektor 218 angezeigt ist. Der Tuningkorrektor 218 kann zum Beispiel Sensorvariationen aufgrund von Temperatur kompensieren.
Das direkte Ausgangssignal (oder der kompensierte/eingestellte Output) des Sensors 212, das die bestmögliche Annahme der Position des Aktuators 205 basierend auf durch den Sensor 212 durchgeführten Messungen repräsentiert, wird dann zur Verschmelzung mit einer bestmöglichen Annahme der Position des Aktuators, die durch den virtuellen Sensor erzeugt wurde, an ein Diagnose/Analysemodul 212 geleitet. Die virtuelle Erfassung wird in der Ausführungsform nach 2 durch den Schrittzähler 208 durchgeführt, der die durch den Schrittgenerator 202 auf den Aktuator 205 angewendeten Schritte zählt. Der Schrittzähler 208 integriert die von den Schritterzeuger 202 empfangenen Schritte effektiv. Das Ausgangssignal des Schrittzähler 208 wird in eine entsprechende Position umgewandelt, in der sich der Aktuator 205 idealerweise bewegt haben würde, wenn der Aktuator 205 durch einen Schrittwandler 222 die Anzahl an Schritten empfangen hätte, die durch den Schrittzähler 208 gesammelt wurden. Die berechnete resultierende bestmöglich abgeschätzte Position des Aktuators 205, die das Ausgangssignal des virtuellen Sensors der Ausführungsformen nach 2 ist, wird außerdem an das Diagnose/Analysemodul 220 geleitet, um mit der bestmöglich abgeschätzten Position des Aktuators 205 durch den Sensor 212 verschmolzen zu werden.
Wie im Folgenden genauer dargelegt werden wird, wird der Schrittzähler 208 mittels eines periodischen Korrektors 224 kleineren periodischen Korrekturen unterzogen, falls begrenzende Umstände vorliegen, um, falls möglich, eine Korrelation zwischen dem virtuellen Sensor und dem Hardwaresensor über die Zeit zu bewahren oder zu erzielen. Die mittels des periodischen Korrektors 224 durchgeführten Korrekturen verringern langsam nummerische Fehler hinsichtlich der Position des Aktuators, die durch den virtuellen Sensor angezeigt wird. Diese nummerischen Fehler können begründet sein durch Rundungsvorgänge resultierend aus der finiten Genauigkeit von Realgleitwerten in nummerischen Berechnungen, der diskreten Natur von Schritten, manchmal verpassten Motorschritten bei Startvorgängen, die von nicht energenetisierten Schrittspulen oder einen geringen Haltestrom aufweisenden Schrittspulen, die zur Verringerung von Ruhestromanforderungen nicht im Gebrauch sind, resultieren können, Missausrichtung der Heimatposition, möglichen Sensordriften oder dergleichen. In Arbeitsausführungen des Systems und des Verfahrens zur verbesserten Regelung von Aktuatoren nach der vorliegenden Anmeldung wurden periodische Korrekturen einmal in jeder Minute bei einer Größe von 0,7 Mikrometern (für lineare Korrekturen) oder 0,1 Grad (für rotatorische Korrekturen) durchgeführt.
Mit diesem Verständnis des Systems und des Verfahrens zur verbesserten Regelung von Aktuatoren gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung werden nun statistisches Tracking und Sensorverschmelzung beschrieben, um ein besseres Verständnis einer dargestellten Ausführung der Erfindung zu schaffen. Um die Leistungseigenschaften eines Sensors und eines Motors zu tracken, werden die folgenden Statistiken getrakt:

– Die Varianz des Stroms zwischen dem Hardwaresensor und dem virtuellen Sensor (H2SΔ)
– Die Summe von periodischen Korrekturen (”Richtungs”-sensitiv) (Σ(Korrektur))
– Die Summe von absoluten periodischen Korrekturen (Nicht ”Richtungs”-sensitiv) (Σ|Korrektur|)

Diese statistischen Werte werden beim Start der maschinellen Anlage einschließlich des Aktuators genullt und werden über die Einschaltdauer eines Aktuators gesammelt. Als ein Mittel zur Abschwächung gegenüber sich ansammelnden nummerischen Fehlern der statistischen Werte und außerdem zum Verringern der Signifikanz von Ereignissen, die lange Zeit zuvor geschehen sind, und um dadurch eine größere Gewichtung auf frische Ereignisse zu legen, kann ein Gedächtnisfaktor (k_ff) angewendet werden. Durch periodische Verwendung des Gedächtnisfaktor (k_ff) basierend auf einer festgesetzten Zeitdauer (t_ff) werden die statistischen Akkumulatoren um einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert. Falla beispielsweise (t_ff) auf gleich eine Stunde eingestellt ist, und (k_ff) auf einen Wert von 0,90 eingestellt ist, gilt in stündlichen Intervallen: Σ(Korrektur) = Σ(Korrektur)·0,90; und Σ|Korrektur| = Σ|Korrektur|·0,90
Der Gedächtnisfaktor hilft außerdem, grobe Zufallseffekte, die Erfassungen von Problemen falsch triggern, zu vermindern, und in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Anmeldung können verschiedene Gedächtnisfaktoren und verschiedene Zeitdauern zur Anwendung in der Gedächtnisfaktoren verwendet werden.
Die Werte von (t_ff) und (k_ff) werden anhand von Überlegungen zu den gewünschten Erfassungsraten für Sensordrift, Motorkriechen oder dergleichen bestimmt. Kürzere Zeitperioden und/oder kleinere proportionale Einstellungen erhöhen das Maß von Drift, Motorkriechen oder dergleichen, das zur Erfassung eines Problems erforderlich ist. In einer Arbeitsausführungsform war (t_ff) auf einen Wert gleich einer Stunde eingestellt und (k_ff) war auf einen Wert von 0,98 eingestellt. Durch Verwendung eines Gedächtnisfaktors ist die Möglichkeit eines Einflusses einer Korrektur, die in der fernen Vergangenheit durchgeführt wurde, auf das Triggern von beliebigen Alarmierungen während der laufenden Zeit verringert. Falls ein Gedächtnisfaktor verwendet wird, sollten daher eine Korrektur von einem Prozent, die vor einer Stunde aufgetreten ist, und eine andere Korrektur von einem Prozent, die gegenwärtig erforderlich war, Alarm auslösen. Allerdings sind eine Korrektur von einem Prozent, die vor sieben Monaten aufgetreten ist, und die gleiche Änderung von einem Prozent, die nun auftritt, kein Grund zur Besorgnis, so dass kein Alarm ausgelöst werden sollte. Es ist zu beachten, dass ein vorsichtiges Tunen der Rate periodischer Korrekturen, der Größe der periodischen Korrekturen, der Alarmdurchschnitte und der Gedächtnisrate erforderlich ist. Zum Beispiel benötigen ein Gedächtnisfaktor (k_ff) von 0,95 und ein Zeitfaktor (t_ff) von zwei Stunden wenig mehr als einen Tag, ungefähr 26 Stunden, um die Wichtigkeit eines Ereignisses um 50% zu reduzieren, einen weiteren Tag, um die historische Wichtigkeit eines Events auf 25% zu reduzieren, usw.
Σ(Korrektur) ist ein Anzeichen der Sensordrift und Σ|Korrektur| ist ein Anzeichen des Motorkriechens, wenn man bedenkt, dass ein Motor üblicherweise auf ungefähr dieselbe Position gesteuert wird und Kriechen in beide Richtungen auftreten kann, voraussichtlich gleichmäßig gemittelt über eine Zeitdauer. Obwohl als statistische Werte bezeichnet, wird vermerkt, dass H2SΔ, der Σ(Korrektur)-Akkumulator und der Σ|Korrektur|-Akkumulator nur Anzeigen und keine mathematisch starken statistischen Werte sind, da sowohl Kriechen als auch Drift stochastische Effekte auf beide Akkumulatoren haben werden.
3 zeigt Vergleiche zwischen den Werten des (H2SΔ) des Hardwaresensors und des virtuellen Sensors und Varianzabschnitte, in denen der periodische Korrektor 224 aktiv ist. Die verschiedenen Grenzwerte sind dargestellt als Werte von 1% (L1) und 2% (L2) des gesamten Sensorbereiches. Die dargestellten Differenzgrenzwerte, L1 und L2, wurden für Testzwecke ausgewählt, und es ist offensichtlich, dass unter Verwendung der Lehren der vorliegenden Anmeldung andere Prozentwerte, feste Werte oder andere geeignete Werte für gegebene Anwendungen verwendet werden können. In 3 ist dargestellt, dass falls die Variable H2SΔ zwischen dem Hardwaresensor und dem virtuellen Sensor innerhalb +/–1% des Gesamtsensorbereiches der gegenseitigen Übereinstimmung liegt, der virtuelle Sensor als gut festgesetzt wird, und der Wert des virtuellen Sensors im Allgemeinen genutzt wird, da er die höhere Auflösung besitzt.
Falls die Hardwaresensoren und virtuellen Sensoren im Wesentlichen miteinander übereinstimmen, so dass die Varianz H2SΔ zwischen dem Hardwaresensor und dem virtuellen Sensor zwischen 1% und 2% des gesamten Sensorbereiches der gegenseitigen Übereinstimmung liegt, wird die Varianz als vernachlässigbar betrachtet und der periodische Korrektor 224 aktiviert. Falls zum Beispiel der virtuelle Sensor um 1,5% erhöht war, möglicherweise aufgrund schlechter Initialisierung, eines kurzen einmaligen Motorrastens, einer Ungewissheit beim Hochfahren über die Richtung, in die der Motor sich zuletzt bewegt hat, oder dergleichen, dann würden nach einer Zeitdauer die periodischen Korrekturen langsam den Hardwaresensor und den virtuellen Sensor zurück in eine akzeptable Abstimmung oder Korrelation bringen, das heißt in eine Übereinstimmung innerhalb 1%. Wenn ein solches einmaliges Ereignis korrigiert wurde und keine weiteren Symptome aufgetreten sind, wurde das System hinsichtlich der Sensordiskrepanz sicher korrigiert.
Falls, wie in der dargestellten Ausführungsform von 3 angezeigt ist, ein größerer Fehler festgestellt wird, da die Varianz H2SΔ zwischen dem Hardwaresensor und dem virtuellen Sensor größer als 2% des gesamten Sensorbereiches (Versagensbereich) ist, wird eine Feststellung getroffen, welches Ergebnis zu nutzen ist. Bei einem Motorversagen sollte der Hardwaresensor verwendet werden, da das die Anzeige des physischen Outputs ist. Falls ein Versagen des Hardwaresensors festgestellt wird, liefert der virtuelle Sensor eine Anzeige des physischen Outputzustandes.
Die folgenden Beispiele stellen Reaktionen unter Verwendung der überwachten statistischen Werte gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung dar. Das erste, in 4 dargestellte Beispiel (wo +Det und –Det positive beziehungsweise negative Erfassungsdurchschnittswerte sind) zeigt eine langsame Drift des Hardwaresensors, was ein Zustand ist, der zuvor bei Regelungssystemen für einen Aktuator unbemerkt geblieben wäre. Zuvor wurde jeder kleine Fehler (unterhalb des Durchschnittswertes einer unerwarteten Bewegung), der zwischen Regelungsscans aufgetreten ist, nachfolgend durch die Rückführung des Qualitätregelungssystems (QCS), das eine Regelungsaktion durchführt, verdeckt. Der driftende Sensor wäre letztendlich nur erfasst worden, wenn ein Aktuator die Biegegrenze der Auslaufkante durchbrochen hätte, obwohl sich der Auslauf/der Aktuator physisch dort befunden hätte, wo er aus prozessregelungstechnischer Sicht gefordert ist. Dieser Zustand könnte mehrere Stunden angedauert haben, da Biegegrenzwerte typischerweise ±500 Mikrometer betragen, sodass eine Sensordrift von gut mehr als 500 Mikrometer erforderlich gewesen wäre. Alle statistischen Werte der 4 zeigen einen von den idealen Mittellinien divergierenden Wert. Bei Erfassung des driftenden Sensors unter Verwendung der Lehren der vorliegenden Anmeldung wäre eine möglich Aktion, einen Alarm auszulösen, wonach der Sensor suboptimal ist. Durch die frühzeitige Erfassung des driftenden Sensors anstatt das man darauf warten muss, dass eine Aktuatorgrenze überschritten wird, ist ein Aussperren des Aktuators zu diesem Zeitpunkt nicht erforderlich.
Das zweite Beispiel, das in 5 dargestellt ist, zeigt ein geringfügiges, jedoch fortwährendes Motorkriechen. Weil ein geringes Motorkriechen nicht vollständig schädlich für das Regelungsverhalten ist, kann es verursachen, dass der Aktuator und das den Aktuator nutzende System schwerfällig wirken. Obwohl die QCS das Kriechen bei aufeinanderfolgenden Scans korrigiert, ist eine Erfassung eines geringfügigen Kriechens nützlich, um eine Anzeige für einen ausfallenden Motors zu schaffen, was während terminierter präventiver Wartungsarbeiten korrigiert werden kann. Ein Motor, der anfängt, Anzeichen eines Kriechens zu zeigen, kann daher für eine Auswechslung terminiert werden, bevor ein gänzlicher Ausfall die Leistung des Stoffauflaufs beeinträchtigt, indem ein unplanmäßiger Ausfall verursacht wird. Bei einem Feststellen eines Motorgleitens wären unter Verwendung der Lehren der vorliegenden Anmeldung mögliche Aktionen das Auslösen eines Alarms, dass sich der Motor nicht in optimalem Zustand befindet, das Setzten eines Flags zum Erhöhen einer Drehmomenteinstellung zur Regelung des Motors und zur Anzeige, das zum derzeitigen Zeitpunkts kein Absperren des Motors erforderlich ist.
Das dritte Beispiel, das ist in 6 gezeigt ist, stellt einen plötzlichen Ausfall eines Hardwaresensors dar. Große Sensorverschiebungen, die für einen Hardwareausfall charakteristisch sind, eine Zielverschiebung oder dergleichen werden durch große und plötzliche Bewegungen der H2SΔ Statistik erkannt. Im Falle eines ausgefallenen oder ausfallenden Sensors kann der Sensor nach der Verschiebung hängen, wie bei (a) dargestellt ist, oder das Traking fortsetzten, wie bei (b) dargestellt ist. Falls die Verschiebung des H2SΔ Wertes groß genug ist, werden keine periodischen Korrekturen angewendet. Beim Betrieb der beispielhaften Ausführungsform eines Hybridsensors nach 3 werden zum Beispiel keine periodischen Korrekturen für eine Verschiebung des H2SΔ Wertes um mehr als 2% außerhalb des Bereiches angewendet. Wie offensichtlich ist, wird eine Erfassung von Versagensfällen des Hardwaresensors erfasst durch einen Vergleich der statistischen H2SΔ Werte gegenüber Grenzwerten. Eine typische Reaktion auf einen Alarm würde ein Alarmsignal sein, das eine unerwartete Bewegung aufgetreten ist, die einen defekten Sensor anzeigt. Ein Alarmsignal für einen defekten Sensor würde üblicherweise in einer Verriegelung des Aktuators an Ort und Stelle führen, indem verhindert wird, das weitere Schrittanfragen an den Aktuator gesendet werden. Wenn jedoch ein Hybridsensor gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, kann die den Aktuator verwendende Maschine weiterhin betrieben werden, wenigstens zeitweise, unter Verwendung von Daten, die durch den virtuellen Sensor erzeugt werden.
Das vierte Beispiel, das in 7 dargestellt ist, zeigt einen fortlaufenden Motor. Im Falle eines fortlaufenden Motors hat das Regelungssystem keine Schritte angewiesen, so dass der virtuelle Sensor nicht erhöhen wird. Allerdings erfasst der Hardwaresensor, der die physische Bewegung des Motors misst, einen ansteigenden H2SΔ-Wert. Periodische Korrekturen der Σ(Korrektur) und der Σ|Korrektur| werden, auch wenn sie langsam und klein sind, höchstwahrscheinlich verhindern, dass die Σ(Korrektur) und die Σ|Korrektur| die Erfassungsgrenzen ±Det erreichen, so dass die H2SΔ-Grenze getriggert wird. Das Regelungssystem sollte jede Maßnahme ergreifen, die zum Einstellen des Fortlaufes zur Verfügung stehen. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass ein katastrophaler Ausfall der Motorantriebsschaltung bereits aufgetreten ist. Bei Erfassung des Motorkriechens unter Verwendung der Lehren der vorliegenden Anmeldung wären außerdem mögliche Aktionen die Schrittantriebsleitungen abzuschalten, Antriebsstillschaltung, ein Nullen der Bezugsschaltung des Digital/Analog-Konverters (DAC), um Strom zu begrenzen.

In Anbetracht der vorstehenden verschiedenen Beispiele kann die Kombination der Beobachtung der drei statistischen Werte in der folgenden Tabelle zusammengefasst werden.

H2SΔ-Grenze	Σ(Korrektur) @Grenze	Σ\|Korrektur\| @Grenze	Diagnose	Aktionen
< L1	Nein	Nein	Normaler Betrieb	normaler Betrieb
> L1, < L2	> Det oder	> Det	Langsame Sensordrift	zeige versagenden Sensor an, führe Betrieb fort
Periodisch > L1, immer < L2	Geringer Wert	> Det	Geringes Motorgleiten	zeige versagenden Motor an, führe Betrieb fort
> L2	Geringer Wert	Geringer Wert	Plötzliche Sensorverschiebung oder ausgesetzter Motor	zeige versagenden Aktuator an, sperre Motor
> L2	Ansteigender Wert (bis L2)	Ansteigender Wert (bis L2)	Fortlaufender Motor	zeige versagenden Aktuator an, sperre Motor

Es sollte beachtet werden, dass, während es eine gewisse Ungewissheit bei der Differenzierung eines plötzlichen Sensorversatzes gegenüber einem fortlaufenden Motorglied bestehen kann (die statistischen Akkumulatoren können schwierig zu platzieren sein), der große H2SΔ Wert in beiden Fällen anzeigt, das eine Motorabsperrung erforderlich ist. Falls die periodischen Korrekturakkumulatoren einen Fehler selektieren, während sich der H2SΔ Wert unterhalb des Alarmdurchschnitts befindet, wird üblicherweise eine langsamere Fehlerart angezeigt, so dass der Betrieb des Systems fortgeführt werden kann, allerdings sollten Komponenten bei der nächsten Gelegenheit ersetzt werden. Die H2SΔ Statistik ist für die Entscheidung, wann eine unmittelbare Aktion erforderlich ist, am wichtigsten.
Obwohl die Erfindung der vorliegenden Anmeldung mit besonderem Bezug auf deren besonderen dargestellten Ausführungsformen beschrieben wurde, können Variationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung innerhalb der Idee und des Bereiches der nachfolgenden Ansprüche bewirkt werden. Die Hybridsensoren der vorliegenden Anmeldung können insbesondere die besten Merkmale jeder Informationsquelle in einer optimalen Weise kombinieren, um ein verbessertes Tracking von Aktuator- und Sensorcharakteristiken zur verbesserten gesteigerten Diagnose zu ermöglichen und ermöglichen eine Selbstbestimmung von Sensorfehlern sowie einen fortgeführten Betrieb von Systemen, die Aktuatoren verwenden, die durch Hybridsensoren in Notlauffunktionen überwacht werden.
Aktuatoren ohne oder mit existierenden Sensoren bieten nicht die für moderne Stoffauflaufapplikationen erforderliche Präzision. Falls ein Sensorausfall auftritt und für eine Erkennung ausreichend abrupt ist, ist es am besten, den Aktuator auszusperren, wodurch eine wesentlich verschlechterte Stoffauflaufleistung resultiert. Die Hybridsensoren der vorliegenden Anmeldung ermöglichen eine intelligente Inline-Diagnose derartiger Ausfälle, da eine Verwendung des Aktuators in einer Notlauffunktion ermöglicht wird, wobei die kalkulierte Position von der verbleibenden Informationsquelle oder von den verbleibenden Quellen für den fortgeführten Betrieb verwendet werden kann. Langsam auftretende Fehler/Abweichungen aufgrund progressiven Ausfallens der Sensoren können durch die ähnlich Natur von üblichen Regelungsanwendungen maskiert werden und zu schwerwiegenden Schäden zum Beispiel einer permanenten Deformation des Stoffauflaufauslaufes führen. Gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung können langsame Sensorabweichungen und Versagensmodi durch die kontinuierliche Diagnose aufgrund der kontinuierlichen Querbezüge zwischen den verschiedenen Informationsquellen aufgefangen werden.
Die Hybridsensoren der vorliegenden Anmeldung bieten eine bessere Breitbandantwort auf geringes Rauschen, Präzision, Genauigkeit und stabile Messungen sowohl bei niedrigen dynamischen Prozessbedingungen als auch bei schnellen dynamischen Prozessbedingungen in Perioden schneller Aktuatorbewegung. Sie ermöglichen außerdem eine verbesserte Diagnose von Aktuatoren und Sensoren. Durch Querverweise oder Verschmelzungen von Sensorinformationen mit anderen Informationsquellen, anstatt einfach Sensorinformationen mit Gesamtgrenzen zu vergleichen, ermöglichen die Hybridsensoren der vorliegenden Anmeldung eine fortwährende Betätigung von Aktuatoren während Zeitdauern eines teilweisen Sensorversagens, während Warnungen vorgesehen sind, so dass eine geeignete Wartung bei der nächsten möglichen Gelegenheit durchgeführt werden kann, wodurch die Betriebszeit der gesamten Regelungssysteme maximiert wird.
Durch Kombinieren von Feedbackinformationen von verschiedenen Orten/Quellen unter Verwendung intelligenter Datenverschmelzung ist es außerdem möglich, Fehlerarten einschließlich abrupten Versagen, Hochrauschen und Abweichungsfehlern zu erfassen. Falls gewünscht ist im Falle eines Versagens einer von zwei Datenquellen eine Rückkehr zu einem Einzelsensorbetrieb, wie dargestellt wurde, möglich. Bei hoher erforderter Betriebsbereitschaft, die einen fortwährenden Betrieb erfordert, zum Beispiel bei Papier herstellenden Maschinen, wo eine Ausfallzeit der Maschine außerordentlich teuer ist, ermöglichen die Hybridsensoren ein Fortführen des Betriebs in einem reduzierten Modus oder Notlaufmodus, was außerordentlich wertvoll ist. Des Weiteren ermöglicht die intelligente Kombination von Datenquellen mit verschiedenen dynamischen Eigenschaften eine optimale Verwendung der Sensoreigenschaften wie niedriges Rauschen, stabile Präzision in langsam wechselnden Umgebungen und schnellen dynamischen Antworten für schnell wechselnde Prozessumgebungen.
Die Datenverschmelzungstechniken gemäß den Lehren der vorliegenden Anmeldung können des Weiteren entweder mit einer Aktuatoreinheit selbst oder mit einem Übersystem, das in der Regelungsarchitektur höher ist, durchgeführt werden. Die Fusionstechniken können Informationen von zwei oder mehr Quellen, realen und/oder virtuellen Quellen übernehmen, um einen optimalen Hybridsensor, Smartsensor oder Softsensor zu schaffen.

Claims

System zur Aktuatorsensorverschmelzung, umfassend, wenigstens einen realen Sensor verbunden mit einem Aktuator und erzeugend reale Sensorsignale, wenigstens einen virtuellen Sensor erzeugend virtuelle Sensorsignale basierend auf Signalen, die zur Regelung des Aktuators verwendet werden, und einen Prozessor zum Verschmelzen der realen Sensorsignale und der virtuellen Sensorsignale, um ein Versagen des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors zu detektieren.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ausgebildet ist, nach einem festgestellten Versagen des wenigstens einen realen Sensors zu einem Betrieb des Aktuators unter Verwendung des wenigstens einen virtuellen Sensors zurückzukehren.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor den wenigstens einen virtuellen Sensor modelliert und historische Trackingdaten repräsentativ für zu dem Aktuator gesendete Regelungssignale sammelt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ausgebildet ist, die realen Sensorsignale und die virtuellen Sensorsignale durch Vergleichen einer Position des Aktuators angezeigt durch die realen Sensorsignale und einer Position des Aktuators angezeigt durch die virtuellen Sensorsignale zu fusionieren, um einen Unterschied der angezeigten Position des Aktuators festzustellen und ein Versagen des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors aufgrund eines Überschreitens einer Differenzgrenze durch die Differenz der angezeigten Position anzuzeigen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ausgebildet ist, periodische Korrekturen angewendet auf den virtuellen Sensor zu sammeln und die gesammelten periodischen Korrekturen mit einer Grenze zu vergleichen, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des realen Sensors festzustellen.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ausgebildet ist, einen Gedächtnisfaktor (k_ff) bei vorbestimmten Zeitdauern (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen anzuwenden, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen periodisch um einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ausgebildet ist, Absolutwerte von periodischen Korrekturen angewendet auf den virtuellen Sensor zu sammeln und die gesammelten absoluten Werte der periodischen Korrekturen mit einer Grenze zu vergleichen, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des realen Sensors festzustellen.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ausgebildet ist, einen Gedächtnisfaktor (k_ff) bei vorbestimmten Zeitdauern (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen anzuwenden und einen Gedächtnisfaktor (k_ff1) bei vorbestimmten Zeitdauern (t_ff1) auf die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen anzuwenden, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen und die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen periodisch um bestimmte Anteile ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor ausgebildet ist, einen Gedächtnisfaktur (k_ff1) bei festgelegten Zeitdauern auf (tff1) anzuwenden, so dass die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen periodisch um einen gewissen Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Verfahren zur Aktuator Sensorfusion umfassend: ein Überwachen wenigstens eines realen Sensors, der mit einem Aktuator verbunden ist, unter Verwendung eines Prozessors, ein Überwachen wenigstens eines virtuellen Sensors unter Verwendung eines Prozessors und ein Fusionieren der realen Sensorsignale erzeugt durch den realen Sensor und der virtuellen Sensorsignale erzeugt durch den virtuellen Sensor unter Verwendung eines Prozessors, um ein Versagen des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 10, des Weiteren umfassend eine Rückkehr zu dem Betrieb des Aktuators unter Verwendung des wenigstens einen virtuellen Sensors nach einem festgestellten Versagen des wenigstens einen realen Sensors.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, des Weiteren umfassend, ein Modellieren des wenigstens einen virtuellen Sensors und ein Sammeln historischer Trackingdaten representativ für Regelungssignale, die an den Aktuator gesendet wurden.
Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fusionieren der realen Sensorsignale und der virtuellen Sensorsignale umfasst: ein Vergleichen einer Position des Aktuators angezeigt durch die realen Sensorsignale und einer Position des Aktuators angezeigt durch die virtuellen Sensorsignale, ein Bestimmen eines Unterschieds der angezeigten Position des Aktuators und ein Anzeigen eines Versagens des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors aufgrund des Unterschieds der angezeigten Position, der eine Unterschiedsgrenze überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, des Weiteren umfassend: ein Sammeln periodischer Korrekturen angewendet an dem virtuellen Sensor und ein Vergleichen der gesammelten periodischen Korrekturen mit einer Grenze, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 14, des Weiteren umfassend ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff) bei vorbestimmten Zeitdauern (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen periodisch um einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, des Weiteren umfassend: ein Ansammeln der absoluten Magnitude periodischer Korrekturen angewendet auf den virtuellen Sensor und ein Vergleichen der angesammelten periodischen Korrekturen mit einer Grenze, um eine Verschlechterung des Aktuators und/oder des wenigstens einen realen Sensors festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend: ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff) bei vorbestimmten Zeitdauern (t_ff) auf die sich ansammelnden periodischen Korrekturen unter Verwendung eines Prozessors und ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff1) auf die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen bei festgelegten Zeitdauern (t_ff1) unter Verwenden eines Prozessors, so dass die sich ansammelnden periodischen Korrekturen und die sich ansammelnden absoluten Werte der periodischen Korrekturen periodisch um bestimmte Anteile ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 17, des Weiteren umfassend ein Anwenden eines Gedächtnisfaktors (k_ff1) zu vorbestimmten Zeitdauern (t_ff1) unter Verwendung eines Prozessors, so dass die sich ansammelnden Werte der periodischen Korrekturen periodisch einen bestimmten Anteil ihrer gegenwärtigen Werte verringert werden.