DE102016124083B4

DE102016124083B4 - Verfahren zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems

Info

Publication number: DE102016124083B4
Application number: DE102016124083.4A
Authority: DE
Inventors: Ralf Hoffmann; Jens Heinrich; Sebastian Heinrich; Christian Müller
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: US10324431B2; RU2677702C1; FR3060131A1; GB2557740A; CN108037452A; DE102016124083A1; JP6611370B2; CN108037452B; US20180164759A1; GB2557740B; FR3060131B1; GB201720613D0; JP2018106705A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems. Das Verfahren (100) umfasst ein Erfassen (101) einer mechanischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, ein Erfassen (103) einer elektrischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln (105) eines Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Automatisierungstechnik.
Bei einer elektromechanischen Komponente in einem Automatisierungssystem, beispielsweise bei einem Schaltgerät oder einem Sicherheitsschaltgerät, können sich der Zustand und die Arbeitsweise der elektromechanischen Komponente in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen verändern. Ursächlich hierfür sind beispielsweise Temperaturänderungen, Stoßschwingungen, Komponentenverschleiß, Kontaktverschleiß von elektrischen Schaltkontakten oder mechanischer Verschleiß von Ventilen.
Gegenwärtig erfolgt die Prognose einer Lebensdauer einer elektromechanischen Komponente üblicherweise auf der Grundlage von empirischen Tests. Dabei wird typischerweise davon ausgegangen, dass die getesteten elektromechanischen Komponenten ein repräsentatives Abbild der Streuungen der Parameter darstellen und die Testergebnisse einer statistisch zu erwartenden Verteilung entsprechen. Aus den Testergebnissen wird schließlich eine Prognose auf Grundlage des Verschleißverhaltens abgeleitet. Bei elektromechanischen Komponenten, insbesondere Relais, hat sich für den Verschleiß von schaltenden Kontakten die Weibull-Verteilung basierend auf experimentell ermittelten Stützstellen hinsichtlich eines Ausfallzeitpunktes als anwendbar erwiesen.
Gemäß der ermittelten Weibull-Verteilung kann nunmehr eine Prognose abgeleitet werden, welche Schaltspielzahl von einem bestimmten prozentualen Anteil einer Grundgesamtheit typischerweise erreicht wird. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Prognosegenauigkeit von der Menge der geprüften elektromechanischen Komponenten und der Fähigkeit der Abbildung der tatsächlich auftretenden Streuung der Parameter abhängt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der ermittelte Grenzwert in einem konkreten Fall eines Einsatzes einer elektromechanischen Komponente typischerweise zu konservativ angesetzt wird, d.h. Wartungsintervalle zu oft und zu häufig angesetzt werden und die elektromechanischen Komponenten deshalb überdimensioniert und unnötig teuer werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Anzahl von sich im Einsatz befindlichen elektromechanischen Komponenten vor einem erwarteten Ausfall ausfallen und es daher zu Störungen, Fehlern oder sogar potentiell gefährlichen Ausfällen kommen kann.
Die Druckschrift DE 11 2005 001 085 B4 offenbart eine Zustandserfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Zustands, beispielsweise eines Abnutzungsbetrages eines Schaltkontaktes eines Leistungsschalters einer betätigten Vorrichtung oder eines elektromagnetischen Betätigungssystems. Zum Erfassen eines Zustandes werden sowohl mechanische als auch elektrische Größen erfasst, wobei zumindest eine Kennlinie ermittelt und verarbeitet werden kann. Die Kennlinie kann beispielsweise eine Spulenwiderstandsänderungs-Kennlinie oder eine Spannungsänderungs-Kennlinie sein.
Die Druckschrift US 2015/0276877 A1 offenbart ein System zur Überwachung eines Gesundheitszustands eines Leistungsschalters. Das System kann eine Spannungsmessung über einer Spulenanordnung und eine Strommessung durch die Spulenanordnung durchführen und eine Mehrzahl von Übergangspunkten in Kennlinien zum Durchführen einer prädiktiven Analyse identifizieren.
Die Druckschrift DE 10 2010 040 426 A1 offenbart eine elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse für Kraftfahrzeuge. Zwischen einem ersten Getriebeelement und einem Bremssattel ist ein elastisches Abstützelement mit einer definierten Federkraft-Federweg-Kennlinie angeordnet, über welches sich das erste Getriebeelement an dem Bremssattel abstützt. In einer Betätigungseinheit ist ein Weg- oder Positionssensor angeordnet, welcher eine Position oder Verschiebung des ersten Getriebeelementes misst.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Konzept zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnungen.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems. Das Verfahren umfasst ein Erfassen einer mechanischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, ein Erfassen einer elektrischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln eines Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist in dem mehrdimensionalen Kennlinienfeld jedem Zustand der elektromechanischen Komponente ferner ein Geometrieparameter zugeordnet, wobei das Verfahren ein Ermitteln eines Geometrieparameters der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln des Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes umfasst, wobei der ermittelte Zustand der erfassten mechanischen Zustandsgröße, der erfassten elektrischen Zustandsgröße und dem Geometrieparameter zugeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das mehrdimensionale Kennlinienfeld durch digitale Datenwerte, insbesondere vorgespeicherte digitale Datenwerte, repräsentiert. Die digitalen Datenwerte können in einem Speicher der elektromechanischen Komponente vorgespeichert sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Interpolieren zwischen Stützpunkten des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes, um den Zustand der elektromechanischen Komponente zu ermitteln, wobei die Stützpunkte durch elektrische Zustandsgrößen, durch mechanische Zustandsgrößen, und/oder durch Geometrieparameter gegeben sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Bestimmen des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes auf der Basis eines Verhaltensmodells der elektromechanischen Komponente, wobei das Verhaltensmodell einen Einfluss der erfassten mechanischen Zustandsgröße auf die erfasste elektrische Zustandsgröße berücksichtigt.
Gemäß einer Ausführungsform wird das mehrdimensionale Kennlinienfeld durch Ausführen einer Verhaltenssimulation der elektromechanischen Komponente bestimmt, wobei die Verhaltenssimulation das Verhaltensmodell implementiert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Anzeigen des ermittelten Zustandes der elektromechanischen Komponente, insbesondere mittels einer Anzeigeeinrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Erzeugen eines Steuersignals zur Ansteuerung der elektromechanischen Komponente ansprechend auf den ermittelten Zustand der elektromechanischen Komponente, und ein Ansteuern der elektromechanischen Komponente mit dem erzeugten Steuersignal.
Gemäß einer Ausführungsform werden die mechanische Zustandsgröße und die elektrische Zustandsgröße durch die elektromechanische Komponente erfasst.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die mechanische Zustandsgröße eine der folgenden mechanischen Zustandsgrößen: eine Prellung eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente, eine Prelldauer einer Prellung eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente, eine Prellanzahl von Prellungen eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente, eine Temperatur eines Elementes der elektromechanischen Komponente, eine Umgebungstemperatur der elektromechanischen Komponente, eine Bewegungsgeschwindigkeit eines Elementes der elektromechanischen Komponente, insbesondere eines Ankers, einer Kontaktkraft oder einer Lösekraft eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Zustandsgröße ein Strom durch die elektromechanische Komponente oder eine Spannung der elektromechanischen Komponente.
Gemäß einer Ausführungsform ist der ermittelte Zustand der elektromechanischen Komponente eine Lebensdauer der elektromechanischen Komponente.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elektromechanische Komponente ein elektromechanischer Schalter, insbesondere ein Relais.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektromechanische Komponente. Die elektromechanische Komponente umfasst eine Erfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, eine mechanische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente und eine elektrische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente zu erfassen. Die elektromechanische Komponente umfasst ferner einen Speicher, in welchem ein mehrdimensionales Kennlinienfeld mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente gespeichert ist, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist. Die elektromechanische Komponente umfasst zudem einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, einen Zustand der elektromechanischen Komponente auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes zu ermitteln.
Die elektromechanische Komponente ist ausgebildet, das Verfahren durchzuführen. Weitere Merkmale der elektromechanischen Komponente resultieren unmittelbar aus den Merkmalen des Verfahrens.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens. Die elektromechanische Komponente kann programmtechnisch eingerichtet sein, um den Programmcode oder Teile des Programmcodes auszuführen.
Die Erfindung kann in Hardware und/oder Software implementiert werden.
Weitere Ausführungsformen werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems;
2 ein schematisches Diagramm einer elektromechanischen Komponente;
3 schematische Diagramme mehrdimensionaler Kennlinienfelder;
4a ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;
Fig. 4a' ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;
4b ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;
Fig. 4b' ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;
5a schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;
5b schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;
5c schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;
5d schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;
5e schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;
5f schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;
6a ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;
Fig. 6a' ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;
6b ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes; und
Fig. 6b' ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes.

1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens 100 zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems. Das Verfahren 100 umfasst ein Erfassen 101 einer mechanischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, ein Erfassen 103 einer elektrischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln 105 eines Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist.
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektromechanischen Komponente 200. Die elektromechanische Komponente 200 umfasst eine Erfassungseinrichtung 201, welche ausgebildet ist, eine mechanische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente 200 und eine elektrische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente 200 zu erfassen. Die elektromechanische Komponente 200 umfasst ferner einen Speicher 203, in welchem ein mehrdimensionales Kennlinienfeld mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente 200 gespeichert ist, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente 200 eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist. Die elektromechanische Komponente 200 umfasst zudem einen Prozessor 205, welcher ausgebildet ist, einen Zustand der elektromechanischen Komponente 200 auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes zu ermitteln.
3 zeigt schematische Diagramme mehrdimensionaler Kennlinienfelder. Die mehrdimensionalen Kennlinienfelder können ein Verhaltensmodell für die Beschreibung eines Zustandes, beispielsweise einer Lebensdauer, für eine elektromechanische Komponente, beispielsweise ein Relais, repräsentieren. Die Beschreibung des Zustandes kann mittels des Verhaltensmodells erfolgen, mit dem beispielsweise unter Berücksichtigung der Lastbedingungen, der Umgebungsbedingungen und der Geometrieparameter eine Prognose des Zustandes erfolgen kann.
Das Konzept kann darin bestehen, dass experimentell ermittelte Zustände der elektromechanischen Komponente, beispielsweise Lebensdauerwerte, in dem Verhaltensmodell unter Berücksichtigung der Lastbedingungen, der Umgebungsbedingungen, der mechanischen Zustandsgrößen, der elektrischen Zustandsgrößen und/oder der Geometrieparameter abgebildet werden, um eine Prognose des zu erwartenden Zustandes, beispielsweise der Lebensdauer im Sinne der Zuverlässigkeit abzuleiten.
Dabei kann beispielsweise eine zu schaltende Last Lastbereichen zugeordnet werden, die jeweils durch gleiche Ausfallmechanismen jedoch unterschiedliche Belastungsstärken charakterisiert sind. Das sind beispielsweise:

- Gleichspannung / Wechselspannung;
- Induktive Last / Ohmsche Last / Kapazitive Last und Kombinationen; oder
- Schwachlast und Kontaktunterbrechung.

Resultierend kann ein Kennlinienfeld erstellt werden, welches einen Zustand, beispielsweise eine Lebensdauer, einer elektromechanischen Komponente in Abhängigkeit von den Lastbedingungen, den Umgebungsbedingungen, den mechanischen Zustandsgrößen, den elektrischen Zustandsgrößen und/oder den Geometrieparameter repräsentiert.
Im Einzelnen können hierfür folgende Schritte durchgeführt werden:
Schritt 1:
Aufnahme aller relevanten elektrischen Zustandsgrößen, mechanischen Zustandsgrößen, Geometrieparametern und - soweit gewünscht - weiterer Parameter jeder zu testenden elektromechanischen Komponente.
Schritt 2:
Festlegung und/oder Ermittlung der Lastbereiche und Definition von ausgewählten Lasten, die die Lastbereiche ausreichend abbilden, beispielweise Maximalwert, Mittelwert und Minimalwert.
Schritt 3:
Durchführung der Tests in den ausgewählten Stellen der definierten Lastbereiche mit unterschiedlichen Parametern, beispielsweise Überhub, Kontaktabstand, Rückstellkraft oder Prellzeit.
Schritt 4:
Erstellung des Verhaltensmodells anhand der Testergebnisse unter Berücksichtigung der Variation oder Streuung der Parameter.
Die Anwendung der Prognose basierend auf einem mehrdimensionalen Kennlinienfeld erfolgt, indem unter Berücksichtigung der Kennwerte der elektromechanischen Komponente, beispielsweise Überhub, Kontaktabstand, Rückstellkraft oder Prellzeit, der zu erwartende Zustand aus dem Kennlinienfeld abgeleitet wird. Unter Berücksichtigung von bereits absolvierten Schaltspielen kann beispielsweise die noch verbleibende Lebensdauer prognostiziert werden.
Eine beispielhafte Anwendung dieses Verhaltensmodells ist ein Abbild einer realen elektromechanischen Komponente, beispielsweise eines Relais mit Elektronik und Firmware, bei dem die für die elektrische Lebensdauer wichtigen Kennwerte im laufenden Betrieb ermittelt bzw. gemessen werden und unter Berücksichtigung der geschalteten Last mit Spannung / Strom über dem Kontakt, bereits absolvierter Schaltspiele, und/oder Umgebungsbedingungen eine verbleibende Lebensdauer abgeleitet werden soll.
Im Falle eines innerhalb einer bestimmten Zeit aufgrund einer hohen Schaltspielzahl zu erwartenden Ausfalls kann das Automatisierungssystem vorbeugend gewartet werden oder die elektromechanische Komponente ausgewechselt werden. Die Einbindung dieses Verhaltensmodells in ein Systemmodell mittels eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes ist vorteilhaft.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen des Verfahrens 100 sowie der elektromechanischen Komponente 200 detaillierter beschrieben.
Das Verfahren 100 ermöglicht eine Analyse und Überwachung der elektromechanischen Komponente 200 unter Verwendung eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes, welches auf der Grundlage eines Verhaltensmodells bestimmt werden kann. Hierfür kann ein Verhaltenssimulator zum Einsatz kommen. Die elektromechanische Komponente 200 kann beispielsweise ein Schaltgerät sein. Das Konzept ermöglicht es, mit den aus der realen elektromechanischen Komponente 200 erfassten Zustandsgrößen, welche Kennwerte sein können, ein Verhalten der elektromechanischen Komponente 200 mittels des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes abzubilden.
In der Verhaltenssimulation bzw. Systemsimulation werden die in einem Automatisierungssystem vorhandenen Komponenten unterschiedlicher Domänen in Verhaltensmodellen abgebildet und über Zustandsgrößen bzw. Wirkgrößen verknüpft, beispielsweise über einen Strom, eine Kraft, einen Fluss oder einen logischen Zustand. Der Vorteil der Verhaltenssimulation besteht beispielsweise darin, dass die Wirkung und Rückwirkung der Zustandsgrößen berücksichtigt werden können. Damit können beispielsweise Rückwirkungen von mechanischen Systemen auf elektromagnetische und elektrische Systeme abgebildet werden.
Die Verhaltenssimulation bildet somit einen Zustand der elektromechanischen Komponente 200 ab. Damit sind beispielsweise Werte und Änderungen der mechanischen oder elektrischen Zustandsgrößen erfassbar.
Neben der Abbildung in Verhaltensmodellen mit bidirektionalem Fluss der Zustandsgrößen können komplexe Verhaltensmodelle über Metamodelle abgebildet und in die Verhaltenssimulation eingebunden werden. Die Anwendung von Metamodellen ist beispielsweise bei der Darstellung eines Zuverlässigkeitsverhaltens von elektrischen Kontakten in Anhängigkeit von einer Last, eines mechanischen Überhubs, eines Kontaktabstands, einer Kontaktkraft, einer Rückstellkraft, eines zeitabhängigen Prellens oder einer Öffnungsgeschwindigkeit vorteilhaft. Durch die Einbindung von Metamodellen kann ferner eine Ausfallwahrscheinlichkeit mittels der erfassten Zustandsgrößen ermittelt werden und bei einem potentiell gefährlichen Zustand eine Abschaltung des Automatisierungssystems durchgeführt werden.
Das Verhaltens- bzw. Simulationsmodell umfasst typischerweise Objekte aus folgenden Domänen:

- Elektrische, z.B. elektronische Schaltungen, Sensoren wie Lichtschranken oder Schalter;
- Magnetische, z.B. Reedkontakte, Sensoren;
- Elektromagnetische, z.B. Relais, Schütze, Ventile, Hallsensor;
- Fluide, z.B. Druckventile, Düsen;
- Thermische Quellen, z.B. Lastwiderstände, Heizungen, Lüfter, Kühler;
- Softwareobjekte, z.B. Firmware Blöcke, PWM, OSSD; und
- Metamodelle zur Abbildung stochastischer Zusammenhänge.

4a und Fig. 4a' zeigen ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes. Das Verhaltensmodell betrifft beispielsweise ein elektromagnetisches Schaltgerät als elektromechanische Komponente. Das Diagramm zeigt eine Firmware-Komponente 401, eine Elektronik-Komponente 403, eine Elektromechanik-Komponente 405, eine Fluid-Komponente 407, und eine Datenschnittstelle 409 zur bidirektionalen Datenübertragung. Das Diagramm zeigt ferner ein Firmware-Modul 411, ein Elektronik-Modul 413, ein Elektromagnetik-Modul 415, ein Mechanik-Modul 417, und ein Metamodell-Modul 419 zur Ermittlung einer Kontaktzuverlässigkeit als Zustand der elektromechanischen Komponente.
Durch die Ausführung einer Verhaltenssimulation auf der Basis des Verhaltensmodells kann das mehrdimensionale Kennlinienfeld bestimmt werden, welches mechanische Zustandsgrößen und elektrische Zustandsgrößen der elektromechanischen Komponente auf den Zustand der elektromechanischen Komponente abbildet.
4b und Fig. 4b' zeigen ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes. Das Verhaltensmodell betrifft beispielsweise ein elektromagnetisches Schaltgerät als elektromechanische Komponente. Das Diagramm zeigt eine Firmware-Komponente 401, eine Elektronik-Komponente 403, eine Elektromechanik-Komponente 405, eine Fluid-Komponente 407, und eine Datenschnittstelle 409 zur bidirektionalen Datenübertragung. Das Diagramm zeigt ferner ein Objekt 421 zur Ermittlung einer Lichtbogenbrenndauer als Zustand der elektromechanischen Komponente, ein Objekt 423 zur Ermittlung eines Prellverhaltens von Kontakten als Zustand der elektromechanischen Komponente, und ein Objekt 425 zur Ermittlung eines Kontaktwiderstandes als Zustand der elektromechanischen Komponente, welche optional oder zusätzlich verwendet werden können.
Durch die Ausführung einer Verhaltenssimulation auf der Basis des Verhaltensmodells kann das mehrdimensionale Kennlinienfeld bestimmt werden, welches mechanische Zustandsgrößen und elektrische Zustandsgrößen der elektromechanischen Komponente auf den Zustand der elektromechanischen Komponente abbildet.
5a bis 5f zeigen schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen elektromechanischer Komponenten. Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Die Lebensdauer eines Kontaktes eines Relais als elektromechanische Komponente hängt bei Lasten mit hohem Einschaltstrom, beispielsweise bei Schützen oder Motoren, stark vom Prellverhalten beim Einschalten des Kontaktes ab.
Wenn der Kontakt nicht prellt bzw. die Prellzeit keiner als 0,1 µs ist, so dass sich üblicherweise kein Einschaltlichtbogen bilden kann, ist der Kontaktverschleiß durch Erwärmung durch den Einschaltlichtbogen geringer als bei prellenden Kontakten mit einer Prellzeit von typischerweise mehr als 1 bis 5ms und einer Anzahl der Preller zwischen 2 und 5. Bei Überschreitung von kritischen Werten, beispielsweise der Prellanzahl oder der Prelldauer, kann der Lastkontaktdauerhaft verschweißen und somit die Last eingeschaltet bleiben, was einen potentiell gefährlichen Zustand darstellen kann.
Die Veränderung des Prellverhaltens kann durch eine Vielzahl von Einflüssen erfolgen, beispielsweise eine Schaltspielzahl am Lastkontakt, einem Einfluss einer Umgebungstemperatur oder eines mechanischen Verschleißes, einem Einfluss einer Ansteuerspannung oder einer Ermüdung von Kontaktfedern.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das Prellverhalten, insbesondere die Prellanzahl oder die Prelldauer, des Lastkontaktes ermittelt. Bei Veränderungen dahingehend, dass sich das Prellverhalten in kritische Werte hinsichtlich der Prellanzahl oder der Prelldauer verändert, werden der elektromechanischen Komponente Information über diese Zustandsänderung bereitgestellt. Daraufhin kann beispielsweise eine Warnung an einen Betreiber erfolgen oder auch eine Abschaltung zu einem geeigneten Zeitpunkt vor einem Ausfall und damit vor einem kritischen Zustand durchgeführt werden.
Die Ermittlung des Prellverhaltens kann dadurch erfolgen, dass der Laststrom mittels eines Stromsensors, beispielsweise einem Reedkontakt, und die mechanische Rückwirkung des Kontaktprellens auf den Ansteuerstrom der Relaisspule erfasst werden. Bei prellenden Kontakten wird der Laststrom durch den geöffneten Kontakt kurzzeitig abgeschaltet. Bei hohen Lasten kann ein Lichtbogen zwischen den offenen Kontakten entstehen. Die Erfassung der Unterbrechung und/oder Veränderung des Laststromes kann herausfordernd sein, wenn die Lastspannung sehr hoch ist, beispielsweise bei Netzspannung, und sich damit die verbleibende Quellspannung bedingt durch den stehenden Lichtbogen nur sehr wenig ändert.
Daher kann zusätzlich oder parallel der mechanische Einfluss des prellenden Kontaktes auf den Ansteuerstrom der Spule ermittelt werden. In 5a sind die Erregerspannung der Relaisspule, der Spulenstrom, der Kontaktstrom am Schließer-Kontakt und die Ankerbewegung dargestellt. Diese Zustandsgrößen können messtechnisch erfasst werden. Dabei ist ersichtlich, dass sich die Preller des Schließer-Kontaktes auf den Spulenstrom auswirken. Dieser Einfluss auf den Spulenstrom kann messtechnisch erfasst und ausgewertet werden.
Eine Möglichkeit der Auswertung ist die 1 bis 2-malige Differenzierung des Spulenstroms, um die Änderung des Spulenstromes zu erfassen, wie beispielsweise in 5b gezeigt ist. Nach erfolgter erster Kontaktgabe sind die Preller als Nullstellen nach 2-facher Differenzierung des Spulenstromes identifizierbar. Über die Anzahl und die Dauer der Nullstellen kann man auf der Ansteuerseite die Anzahl und die Dauer der Kontaktpreller identifizieren.
Eine weitere mögliche Anwendung ist die Analyse der Ursachen von Kontakt-Prellern und gegebenenfalls einer Korrektur im laufenden Betrieb. Eine Ursache für auftretende Preller kann beispielsweise eine Erwärmung des Relais und eine damit verbunden Erhöhung des Spulenwiderstandes sein. Durch diesen Effekt wird der Spulenstrom zur Erregung des Relais verringert, was gleichzeitig eine Verringerung der Kraft des Magnetsystems und, damit verbunden, eine Erhöhung der Prelldauer bzw. der Anzahl der Preller nach sich ziehen kann.
Weitere Möglichkeiten sind die Veränderungen der mechanischen Parameter, beispielsweise durch Reibung oder Ermüdung, und damit Veränderungen der kinetischen Verhältnisse bei der Kontaktgabe. Um die Ursachen hierfür zu ermitteln, ist ein Vergleich der ermittelten Zustandsgrößen des Verhaltensmodells unter Variation der Relaisparameter und der gemessenen Zustandsgrößen des realen Objekts möglich. Durch Optimierung der Modellparameter mit dem Ziel einer minimalen Abweichung einer Modell-Charakteristik, beispielsweise des differenzierten Spulenstromes und des gemessenen differenzierten Spulenstroms, können die für das veränderte Verhalten des realen Objektes bestimmenden Parameter und deren Größe ermittelt werden. Basierend auf dieser Kenntnis kann beispielsweise durch eine Veränderung der Ansteuercharakteristik, beispielsweise eines Stromanstiegs, eines Spannungswerts, einer Impulsform, einer Impulsdauer, einer Impulsfrequenz bei einer Puls-Weiten-Modulation (PWM), eine Ansteuerung das Prellverhalten derart beeinflussen, dass die Anzahl oder Dauer der Preller minimiert wird und damit der Zeitpunkt zur Erreichung eines kritischen Zustandes, beispielsweise eines dauerhaft verschweißten Kontaktes, nach hinten verschoben werden kann.
Zweites Ausführungsbeispiel:
Zur Reduzierung der Ansteuerleistung von Relais wird oft eine PWM-Ansteuerung gewählt. Diese hat den Vorteil, dass die Relaisspule nach einem Einschalten mit einer getakteten Spannung betrieben werden kann, die ausreichend ist, den Arbeitszustand aufrecht zu erhalten. Da die Relaisparameter streuen können, wird typischerweise die Pulsweite so gewählt, dass auch unter Worst-Case-Bedingungen für alle möglichen Relais dieser Arbeitszustand erhalten bleibt. Da aber nur sehr wenige Relais - bei normalverteilten Prozessen << 0,1% - diese Worst-Case-Bedingungen erfordern, wird die verbleibende überwiegende Mehrheit mit einer höheren als der notwendigen Leistung angesteuert. Diese Leistung führt zu einer Erwärmung und damit zu Herausforderungen, insbesondere bei einer großen Anzahl gleichzeitig angesteuerter Relais.
Das Konzept besteht darin, die für das jeweilige Relais optimale Ansteuerleistung, beispielsweise mittels eines Puls-Pause-Verhältnisses, zu erfassen und die Ansteuerung minimal derart einzustellen, dass die Arbeitslage immer eingehalten wird.
Der Ablauf erfolgt beispielsweise folgendermaßen:
Schritt 1:
Erregung des Relais im Einschaltzeitraum mit voller Spannung bis zur sicheren Erreichung der Endlage.
Schritt 2:
PWM-Tastung der Betriebsspannung und Messung des Spulenstromes.
Schritt 3:
Bei beginnender Ankerbewegung - identifizierbar durch einen Anstieg der Spulenspannung - Veränderung des Impulsverhältnisses derart, dass der Anker wieder sicher in der Arbeitslage verbleibt.
In 5c sind beispielhaft der Verlauf der Ansteuerspannung, des Spulenstromes, die Bewegung des Ankers und die Kontaktkraft unter Normalbedingungen dargestellt. Die Spulenspannung wird nach 45ms auf eine PWM umgeschaltet, die derart ausgelegt ist, dass der Anker in der Arbeitslage verbleibt. 5d zeigt einen beispielhaften Fall, in welchem die PWM nicht ausreichend bemessen ist, sodass nach einer Verzögerungszeit von ca. 62ms der Anker beginnt, sich von der Endlage zu lösen und damit auch die Kontaktkraft reduziert wird. 5e und 5f zeigen einen Zustand, bei dem die Ankerbewegung erkannt wird, indem der Spulenstrom differenziert wird und die Ankerbewegung durch einen positiven Nulldurchgang des differenzierten Ankerstroms erfasst wird. Mit diesem Signal wird die PWM nunmehr so verändert, beispielsweise durch eine Erhöhung eines Duty-Werts, dass der Anker unmittelbar wieder sicher die Endlage erreicht. Die resultierende verbleibende Ankerbewegung ist minimal und die Kontaktkraft am Lastkontakt bleibt praktisch ohne Veränderung, wie in 5e gezeigt ist.
6a, Fig. 6a', 6b und Fig. 6b' zeigen ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes. Das physikalische Verhaltensmodell der elektromechanischen Komponente kann einen „Digitalen Zwilling“ der elektromechanischen Komponente bilden. Das Verhaltensmodell kann mittels eines Verhaltenssimulators implementiert werden und zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes verwendet werden.
Das Verhaltensmodell (1) als Systemabbildung beinhaltet physikalische Modelle aller Komponenten der elektromechanischen Komponente, wie beispielsweise:

(1.1) Elektronik (Ansteuerschaltung Relais, inklusive Schalt-Anforderungsblock);
(1.2) Elektromagnet (Magnetsystem Relais);
(1.3) Mechanik (Kontaktfeder, Rückstellfedern Relais);
(1.4) Schaltkontakt (Modell Kontaktwiderstand, Lichtbogen Schaltkontakt Relais);
(1.5) Stromsensor (Sensor Laststrom);
(1.6) Lastspannung;
(1.7) Last (Widerstand, Induktivität, Kapazität); und
(1.8) Kennlinienfeld Lebensdauer.

Dazu können Ergebnisse von Tests und dazugehörige Parameter in einem Ersatzmodell bzw. Metamodell ähnlich einem Kennlinienfeld abgebildet werden. Es kann dabei vorteilhaft sein, für verschiedene Lastarten, beispielsweise Gleichstrom oder Wechselstrom, sowie Ausfallmechanismen, beispielsweise einen nicht öffnenden Kontakt als potentiell gefährlichen Ausfall oder einen nicht schließenden Kontakt, unterschiedliche Modelle zu generieren. Die Erzeugung eines Ersatzmodells erfolgt beispielsweise mittels der Methode des MOP (Metamodel of Optimal Prognosis).
Die Zustandsgrößen umfassen beispielsweise:

(2.1) Kontaktspannung NC-Kontakt;
(2.2) Betriebsspannung Ansteuerschaltung;
(2.3) Spulenstrom Relais;
(2.4) Kontaktspannung NO-Kontakt (Lastkontakt);
(2.5) Umgebungstemperatur;
(2.6) Laststrom; und
(2.7) Lastspannung.

Nunmehr erfolgt eine Simulation des Verhaltens der elektromechanischen Komponente. Dabei werden beispielsweise innere Parameter aus der Simulation gewonnen, die messtechnisch nicht erfassbar jedoch für das Verhalten (z.B. Ausfall / Lebensdauer) relevant sein können, beispielsweise ein Überhub des Lastkontaktes oder ein Reibweg des Lastkontaktes.
Darüber hinaus werden die als Signale übertragenen Messwerte durch mathematische Operationen, wie beispielsweise Integraloperationen, Transformationen oder Ableitungen, derart konvertiert, dass die charakteristischen Eigenschaften der Signale beispielsweise durch Koeffizienten dargestellt werden können. Diese können analog zu normalen Parametern dargestellt und verarbeitet werden.
Die übertragenen Messwerte und die daraus in der Simulation ermittelten Parameter sowie die mit dem Verhaltensmodell in der Simulation ermittelten Parameter werden beispielsweise in zumindest einem Metamodell zur Prognose eines Ausfallsverhaltens, beispielsweise einer verbleibenden Schaltspielzahl, verarbeitet.
Die Zustandsgrößen bzw. Zustände werden ausgegeben oder visualisiert. Im Falle einer deutlichen Verringerung der zu erwartenden Rest-Lebensdauer oder einer geringen Rest-Lebensdauer kann beispielsweise mittels einer vorbeugenden Wartung ein unerwarteter Ausfall vermieden werden. Im Fall einer verbleibenden hohen Rest-Lebensdauer kann beispielsweise eine geplante Wartung verschoben werden.
In einer weiteren Anwendung erfolgt eine aktive Beeinflussung oder Optimierung der elektromechanischen Komponente durch Veränderungen von einstellbaren Parametern (1.9), wie beispielsweise:

- einer Betriebsspannung;
- einem PWM Duty-Wert; oder
- einer Schaltsequenz bei Redundanz.

Dazu kann auf der Ebene des Simulationsmodells ein Optimierer (6) die Ergebnisse der Simulation, beispielsweise die Rest-Lebensdauer, unter Variation von Simulationsparametern (1.9), beispielsweise Relaiskennwerten, dahingehend optimieren, dass ein optimaler Parametersatz (1.10) gefunden wird, bei dem beispielsweise eine möglichst hohe Rest-Lebensdauer erreicht wird.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen beschriebenen und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu erzielen.
Bezugszeichenliste

100: Verfahren zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente
101: Erfassen einer mechanischen Zustandsgröße
103: Erfassen einer elektrischen Zustandsgröße
105: Ermitteln eines Zustandes der elektromechanischen Komponente
200: Elektromechanische Komponente
201: Erfassungseinrichtung
203: Speicher
205: Prozessor
401: Firmware-Komponente
403: Elektronik-Komponente
405: Elektromechanik-Komponente
407: Fluid-Komponente
409: Datenschnittstelle
411: Firmware-Modul
413: Elektronik-Modul
415: Elektromagnetik-Modul
417: Mechanik-Modul
419: Metamodell-Modul
421: Objekt
423: Objekt
425: Objekt

Claims

Verfahren (100) zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente (200) eines Automatisierungssystems, mit: Erfassen (101) einer mechanischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente (200); Erfassen (103) einer elektrischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente (200); und Ermitteln (105) eines Zustandes der elektromechanischen Komponente (200) auf der Basis eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente (200), wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente (200) eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei in dem mehrdimensionalen Kennlinienfeld jedem Zustand der elektromechanischen Komponente (200) ferner ein Geometrieparameter zugeordnet ist, mit: Ermitteln eines Geometrieparameters der elektromechanischen Komponente (200); und Ermitteln des Zustandes der elektromechanischen Komponente (200) auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes, wobei der ermittelte Zustand der erfassten mechanischen Zustandsgröße, der erfassten elektrischen Zustandsgröße und dem Geometrieparameter zugeordnet ist.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das mehrdimensionale Kennlinienfeld durch digitale Datenwerte, insbesondere vorgespeicherte digitale Datenwerte, repräsentiert ist.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit: Interpolieren zwischen Stützpunkten des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes, um den Zustand der elektromechanischen Komponente (200) zu ermitteln, wobei die Stützpunkte durch elektrische Zustandsgrößen, durch mechanische Zustandsgrößen, und/oder durch Geometrieparameter gegeben sind.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit: Bestimmen des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes auf der Basis eines Verhaltensmodells der elektromechanischen Komponente (200), wobei das Verhaltensmodell einen Einfluss der erfassten mechanischen Zustandsgröße auf die erfasste elektrische Zustandsgröße berücksichtigt.
Verfahren (100) nach Anspruch 5, wobei das mehrdimensionale Kennlinienfeld durch Ausführen einer Verhaltenssimulation der elektromechanischen Komponente (200) bestimmt wird, wobei die Verhaltenssimulation das Verhaltensmodell implementiert.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner ein Anzeigen des ermittelten Zustandes der elektromechanischen Komponente (200), insbesondere mittels einer Anzeigeeinrichtung, umfasst.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner ein Erzeugen eines Steuersignals zur Ansteuerung der elektromechanischen Komponente (200) ansprechend auf den ermittelten Zustand der elektromechanischen Komponente (200), und ein Ansteuern der elektromechanischen Komponente (200) mit dem erzeugten Steuersignal umfasst.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mechanische Zustandsgröße und die elektrische Zustandsgröße durch die elektromechanische Komponente (200) erfasst werden.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mechanische Zustandsgröße eine der folgenden mechanischen Zustandsgrößen umfasst: eine Prellung eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente (200), eine Prelldauer einer Prellung eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente (200), eine Prellanzahl von Prellungen eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente (200), eine Temperatur eines Elementes der elektromechanischen Komponente (200), eine Umgebungstemperatur der elektromechanischen Komponente (200), eine Bewegungsgeschwindigkeit eines Elementes der elektromechanischen Komponente (200), insbesondere eines Ankers, einer Kontaktkraft oder einer Lösekraft eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente (200).
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Zustandsgröße ein Strom durch die elektromechanische Komponente (200) oder eine Spannung der elektromechanischen Komponente (200) ist.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der ermittelte Zustand der elektromechanischen Komponente (200) eine Lebensdauer der elektromechanischen Komponente (200) ist.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektromechanische Komponente (200) ein elektromechanischer Schalter, insbesondere ein Relais, ist.
Elektromechanische Komponente (200), mit: einer Erfassungseinrichtung (201), welche ausgebildet ist, eine mechanische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente (200) und eine elektrische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente (200) zu erfassen; einem Speicher (203), in welchem ein mehrdimensionales Kennlinienfeld mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente (200) gespeichert ist, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente (200) eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist; und einem Prozessor (205), welcher ausgebildet ist, einen Zustand der elektromechanischen Komponente (200) auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes zu ermitteln.
Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.