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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Peristaltikpumpe zur Förderung von Fluiden durch einen Schlauch.
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Eine Peristaltikpumpe, auch als Schlauchpumpe oder Schlauchquetschpumpe, bezeichnet, umfasst einen Stator mit einer bogenartig geformten Statorinnenfläche, einen in dem Stator um eine Drehachse rotierend gelagerten Rotor mit mehreren winkelmäßig um die Drehachse verteilten, der Statorinnenfläche zumindest zeitweise gegenüberliegend angeordneten Schlauchquetschmitteln zur äußeren Beaufschlagung eines zwischen der Statorinnenfläche und dem Rotor angeordneten Schlauches, und einen mit dem Rotor antreibend verbundenen Antrieb. Ein Querschnitt des Schlauchs wird durch die Schlauchquetschmittel lokal verengt, wobei unter Einwirkung des mit dem Rotor verbundenen Antriebs die durch die Schlauchquetschmittel verursachte lokale Verengung des Querschnitts des Schlauches mit dem betreffenden Schlauchquetschmittel entlang des Schlauchs bewegt wird, um das Fördermedium zu fördern.
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Eine derartige Peristaltikpumpe ist beispielsweise aus
WO 2009/0953598 A1 bekannt.
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Peristaltikpumpen sind für eine Vielzahl an Anwendungen vorteilhaft einsetzbar und eignen sich insbesondere auch für einen Dauerbetrieb. Ein Nachteil ist eine relativ kurze Schlauchlebensdauer durch starkes Walken und eine Verwendung ungeeigneter Schläuche.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum verbesserten Betreiben einer Peristaltikpumpe zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer Peristaltikpumpe umfassend einen Stator mit einer Statorinnenfläche, einen in dem Stator um eine Drehachse rotierend gelagerten Rotor, einen mit dem Rotor antreibend verbundenen Antrieb und einen zwischen der Statorinnenfläche und dem Rotor angeordneten Schlauch geschaffen, wobei die Vorrichtung eine Erfassungseinheit aufweist, mit welcher mindestens ein Betriebsparameter der Peristaltikpumpe erfassbar ist, und eine Recheneinheit, mit welcher der mindestens eine erfasste Betriebsparameter mit Erfahrungswerten des mindestens einen Betriebsparameters zum Auffinden einer Anomalie vergleichbar ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Peristaltikpumpe umfassend einen Stator mit einer Statorinnenfläche, einen in dem Stator um eine Drehachse rotierend gelagerten Rotor, einen mit dem Rotor antreibend verbundenen Antrieb und einen zwischen der Statorinnenfläche und dem Rotor angeordneten Schlauch geschaffen, wobei mindestens ein Betriebsparameter der Peristaltikpumpe erfasst wird und der mindestens eine erfasste Betriebsparameter mit Erfahrungswerten des mindestens einen Betriebsparameters zum Auffinden einer Anomalie verglichen wird.
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Anhand des Vergleichs der erfassten Istwerte mit den Erfahrungswerten ist beispielsweise erkennbar, ob bei einem aktuellen Betriebszustand Abweichungen der Istwerte von den Erfahrungswerten vorliegen. Die Ursachen für die Abweichungen sind beispielsweise ein Einlegen eines für die Peristaltikpumpe ungeeigneten Schlauchs, ein Einlegen eines hinsichtlich seiner Dimension falschen Schlauchs, ein nicht sachgerechtes Einlegen des Schlauchs und/oder eine Änderung des Schlauchs, beispielsweise durch Verschleiß. Diese Abweichungen werden im Zusammenhang der Anmeldung als Anomalie bezeichnet. Durch Auffinden der Anomalie kann frühzeitig auf diese reagiert werden.
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Je nach einem für den Vergleich eingesetzten Algorithmus werden die Erfahrungswerte und/oder die erfassten Betriebsparameter jeweils einzeln oder in Kombination für einen Vergleich der erfassten Betriebsparameter mit Erfahrungswerten verwendet.
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In einer Ausgestaltung werden als Betriebsparameter eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Rotors, eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung einer Drehachse des Antriebs, eine Antriebskraft des Antriebs, ein auf den Rotor einwirkendes Widerstandsmoment und/oder ein auf den Antrieb einwirkendes Widerstandsmoment erfasst. Die Erfassungseinheit ist durch den Fachmann je nach Betriebsparameter geeignet gestaltbar. Bei dem Antrieb handelt es sich in einer Ausgestaltung um einen Elektromotor, kurz Motor, wobei ein Motor- oder Antriebsstrom und/oder eine Drehgeschwindigkeit einer Antriebswelle und/oder eine Beschleunigung der Antriebswelle erfassbar ist. Die Erfassungseinheit ist dabei in einer Ausgestaltung Teil des Antriebs. In einer Ausgestaltung werden als Betriebsparameter der Motorstrom und ein Signal eines Positionsgebers an dem Motor erfasst. Der Positionsgeber ist dabei in einer Ausgestaltung direkt an dem Motor angeordnet und/oder Teil des Motors. Ein Motorstrom wird in einer Ausgestaltung an einem dem Motor zugeordnete Verstärker erfasst. Der Verstärker und der Motor sind in einer Ausgestaltung separate Bauteile. In anderen Ausgestaltungen ist der Verstärker ein integriertes Teil an dem Motor. Als Recheneinheit dient dabei in einer Ausgestaltung eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), welche den Verstärker ansteuert. In anderen Ausgestaltungen ist eine separate Recheneinheit vorgesehen.
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In einer Ausgestaltung werden die Erfahrungswerte bei im Vorfeld durchgeführten Betriebsläufen der Peristaltikpumpe erfasst, beispielsweise bei einer Kalibrierung. Alternativ oder zusätzlich werden die Erfahrungswerte für den Betrieb der Peristaltikpumpe fortwährend aktualisiert. Gleichzeitig ist sicherzustellen, dass eine kontinuierliche Änderung, beispielsweise aufgrund eines Verschleiß, nicht zu einer fehlerhaften Aktualisierung der Erfahrungswerte führt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Recheneinheit einen Speicher auf, in welchem Erfahrungswerte des mindestens einen Betriebsparameters und/oder den Erfahrungswerten zugeordnete Daten abgelegt sind.
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Ein geeigneter Algorithmus für den Vergleich ist durch den Fachmann festlegbar. In einer einfachen Ausgestaltung wird festgestellt, ob die erfassten Werte innerhalb definierter Grenzwerte liegen. In einer Ausgestaltung erfolgt ein Vergleich des mindestens einen erfassten Betriebsparameters mit Erfahrungswerten des mindestens einen Betriebsparameters modellbasiert. In vorteilhaften Ausgestaltungen erfolgt ein Vergleich mittels eines „isolation forest“- Algorithmus (Deutsch „Isolations-Wald-Algorithmus“). Der Algorithmus ist beispielsweise in der Veröffentlichung „Liu, Fei Tony, Ting, Kai Ming and Zhou, Zhi-Hua. „Isolation forest." ICDM‘08. 8th IEEE International Conference on Data Mining, 2008“ beschrieben, auf welche hiermit Bezug genommen wird. Bei diesem Algorithmus werden erfasste Werte jeweils isoliert, d.h. unterschiedliche Werte werden voneinander getrennt. Der Algorithmus ‚isoliert‘ unterschiedliche erfasste Werte durch zufällige Wahl eines Merkmals und anschließende zufällige Wahl eines Trennwerts zwischen dem Maximum und dem Minimum des Merkmals. Diese Unterteilung wird wiederholt, alle zueinander unterschiedlichen Werte isoliert sind. Durch diese Unterteilung wird somit eine Baumstruktur geschaffen. Dieser Prozess wird mit erneut zufällig gewählten Kriterien wiederholt, sodass mehrere Baumstrukturen geschaffen werden. Daher wird der Algorithmus als Isolations-Wald-Algorithmus („isolation forest“- Algorithmus) bezeichnet. Der Algorithmus nutzt die Überlegung, dass Anomalien selten auftreten und die zugehörigen Messwerte sich deutlich von den anderen Messwerten unterscheiden. Für die Vereinzelung eines einer Anomalie zugeordneten Messwerts sind daher weniger Unterteilungsschritte notwendig als für die Vereinzelung eines einem Normalzustand zugeordneten Messwerts. Die Anzahl der Unterteilungsschritte wird auch als Pfad bezeichnet.
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Anomalien weisen somit einen kurzen Pfad auf. Um den Algorithmus einzusetzen, werden vorzugsweise zunächst mehrere Baumstrukturen anhand eines Datensatzes mit mehreren Messwerten der Betriebsparameter aufgebaut. Im Betrieb wird dann die Pfadlänge eines Messwertes innerhalb der aufgebauten Baumstruktur erfasst und ausgewertet, um so eine Anomalie festzustellen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt die einzige Figur
- schematisch eine Vorrichtung zum Betreiben einer Peristaltikpumpe.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Betreiben einer Peristaltikpumpe 2 umfassend einen Stator 3 mit einer bogenartig geformten Statorinnenfläche 30, einen in dem Stator 3 um eine Drehachse 40 rotierend gelagerten Rotor 4 und einen mit dem Rotor 4 antreibend verbundenen Antrieb 5.
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An dem Rotor 4 sind mehrere, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sechs winkelmäßig um die Drehachse 40 verteilte, der Statorinnenfläche 30 zumindest zeitweise gegenüberliegend angeordnete Schlauchquetschmittel 41 vorgehen. Zwischen dem Rotor 4 und der Statorinnenfläche 30 ist ein Schlauch 6 angeordnet.
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Die Schlauchquetschmittel 41 dienen zur äußeren Beaufschlagung des zwischen der Statorinnenfläche 30 und dem Rotor 4 angeordneten Schlauches 6, wobei ein Querschnitt des Schlauchs 6 durch die Schlauchquetschmittel 41 lokal verengt wird und unter Einwirkung des mit dem Rotor 4 verbundenen Antriebs 5 die durch die Schlauchquetschmittel 41 verursachte lokale Verengung des Querschnitts des Schlauches 6 mit dem betreffenden Schlauchquetschmittel 41 entlang des Schlauchs 6 bewegt wird, um ein Fördermedium zu fördern.
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Die dargestellte Gestaltung und Anordnung der Schlauchquetschmittel 41 ist ebenso wie die Form der Statorinnenfläche 30 lediglich beispielhaft.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine Erfassungseinheit 10 und eine mit dieser zumindest für einen Datenaustausch drahtlos oder mittels einer Leitung verbundene Recheneinheit 11. Die Recheneinheit 11 ist in einer Ausgestaltung Teil einer Steuereinheit für den Antrieb 5, beispielsweise dient als Recheneinheit 11 eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), welche einen Verstärker (nicht dargestellt) des Antriebs 5 ansteuert. In anderen Ausgestaltungen ist eine separate Recheneinheit vorgesehen. Mittels der Erfassungseinheit 10 ist mindestens ein Betriebsparameter der Peristaltikpumpe 2, insbesondere des Rotor 4 und/oder des Antriebs 5 erfassbar. Mittels der Vorrichtung 1 ist der mindestens eine erfasste Betriebsparameter mit einem Erfahrungswert für diesen Betriebsparameter vergleichbar. Die Erfahrungswerte sind beispielsweise in einem Speicher 12 der Vorrichtung 1 abgelegt. Für einen Vergleich der Erfahrungswerte des mindestens einen Betriebsparameters mit einem erfassten Istwert des Betriebsparameters ist beispielsweise ein elektronisches Bauteil 13 mit einem Algorithmus vorgesehen. In einer Ausgestaltung wird ein Fehlersignal generiert, sofern eine Abweichung des Istwertes von einem Erfahrungswert einen festgelegten Schwellwert übersteigt.
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Als Betriebsparameter wird beispielsweise eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Rotors 4 und/oder einer Drehachse des Antriebs 5 bei einem definierten Antriebsstrom oder ein auf den Rotor 4 und/oder den Antrieb 5 einwirkendes Widerstandsmoment erfasst. In einer anderen Ausgestaltung wird in einem Betrieb ein Bewegungsprofil des Rotors 4 vorgegeben. Das Bewegungsprofil wird als Sollwert bezeichnet, wobei der Antrieb 5 durch eine Positionsregelung diesem Sollwert folgt. Der dabei benötigte Antriebs- oder Motorstrom ist ein Maß für die Widerstandsmomente und als Betriebsparameter erfassbar.
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Anhand des Vergleichs der Istwerte mit den Erfahrungswerten ist beispielsweise erkennbar, ob ein für die Peristaltikpumpe 2 geeigneter Schlauch 6 eingelegt ist oder ob eine Änderung des Schlauchs 6 durch Verschleiß vorliegt.
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Für eine Detektion der Anomalie wird in einer Ausgestaltung ein als „isolation forest“ bezeichneter Algorithmus eingesetzt, welcher nach dem Prinzip arbeitet, dass Abweichungen wenig sind und vereinzelt auftreten, sodass zu deren Isolation aus einer Datenmenge weniger Schritte notwendig sind, als für Messwerte im Normalbetrieb. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung dieses Algorithmus beschränkt und es sind andere Algorithmen, welche selbstlernend oder modellbasiert arbeiten, denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/0953598 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Liu, Fei Tony, Ting, Kai Ming and Zhou, Zhi-Hua. „Isolation forest.“ ICDM‘08. 8th IEEE International Conference on Data Mining, 2008 [0014]
