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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme für die Überwachung eines Abnutzungsverhaltens.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung.
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Technischer Hintergrund
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Im Zuge der vorausschauenden Wartung ist es wichtig, den Zustand von Schaltelementen wie elektromechanischen Relais oder Schützen zu kennen und das gebrauchte oder verschlissene Schaltelement schon vor einem möglichen Ausfall auszutauschen um Stillstand oder Ausfallzeiten zu vermeiden.
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In sicherheitsrelevanten Anwendungen kann eine kontinuierliche Zustandsüberwachung von schaltenden Elementen noch deutlich wichtiger sein.
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In der
DE 10 2016 124083 B4 wird ein Relais überwacht, indem eine mechanische und eine elektrische Zustandsgröße ermittelt und über ein Kennlinienfeld der Zustand des Relais ermittelt wird.
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In der
DE 10 2018 114 425 A1 wird eine Schaltüberwachungsvorrichtung vorgestellt, die den Schaltzeitpunkt des Relais auf der Spulenseite (galvanische Trennung) unabhängig von der Belastung des Kontaktes detektieren kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Verschleißerkennung breitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung, wobei die Vorrichtung eine Messeinrichtung und eine Auswerteeinrichtung umfasst:
- Die Messeinrichtung ist dazu ausgebildet, mindestens einen vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung zu erfassen.
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Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, anhand eines maschinellen Tiefenlernen-Verfahrens unter Zuhilfenahme von Massendaten, vorzugsweise in Form von Trainingsdaten, aus dem erfassten vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung einen aktuellen Verschleißzustand der elektromechanischen Schalteinrichtung zu ermitteln.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, den Zustand von elektromechanischen Schalteinrichtungen, wie beispielsweise ein elektromechanisches Relais oder Schaltschütz, zu bestimmen und das gebrauchte oder verschlissene Schaltelement schon vor einem drohenden, möglichen Ausfall auszutauschen, um eine Stillstandzeit zu minieren oder das Auftreten eines Stillstands zu verhindern oder sonstige Störungen zu vermeiden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass eine Alterung von einer elektromechanischen Schalteinrichtung mit minimalem Messaufwand zuverlässig bestimmt wird.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch Methoden der künstlichen Intelligenz, wie maschinelles Lernen oder wie Künstliche neuronale Netze, auch künstliche neuronale Netzwerke, basierend auf in einem Anlernprozess verwendeten Trainingsdaten Vorhersagen zu aktuellen Messdaten zu treffen.
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Mit auf Englisch sogenannten „Deep Learning“-Methoden, auf Deutsch etwa „tiefgehendes Lernen“, nachfolgend auch als maschinelles Tiefenlernen-Verfahren“ bezeichnet, wird beispielsweise eine Klasse von Optimierungsmethoden künstlicher neuronaler Netze definiert, die zahlreiche Zwischenlagen - englisch „hidden layers“ - zwischen Eingabeschicht und Ausgabeschicht haben und dadurch eine umfangreiche innere Struktur aufweisen.
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Dies ermöglicht vorteilhaft, dass keine manuelle Merkmalsextraktion bzw. Festlegung von überwachten Merkmalen benötigt wird. Daher können präzise Vorhersagen getroffen werden, wenn die Modelle mit Massendaten, auf Englisch auch „Big Data“, in der Form von Trainingsdaten trainiert werden, wobei hier auch eine Markierung der Trainingsdaten mit Zustandsdaten der elektromechanischen Schalteinrichtungen erfolgen kann, d.h. referenziert oder gelabelt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden hierzu viele Relais mit vielen verschiedenen Lasten in vielen verschiedenen Einsatzszenarien vermessen und der aktuelle Zustand, etwa Verschleiß, Temperatur, Schaltzyklus, aktuelle Last, dokumentiert bzw. gelabelt.
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Wenn beispielsweise ein Relais nach 100.000 Schaltzyklen defekt ist und alle Schaltzyklen zuvor aufgenommen und gespeichert worden sind, kann die vorliegende erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ermitteln, dass dieses spezielle Relais bei dem 50.000 Schaltzyklus ca. 50% gealtert ist, wenn man eine lineare Alterung bei gleichbleibender Last zugrunde legt. Somit können nach dem Defekt des Relais die in der Vergangenheit aufgenommenen Daten von 100.000 Schaltzyklen dokumentiert und individuell mit einem Labeln, etwa Grad der Alterung von 0% bis 100%, versehen und als Trainingsdaten verwendet werden.
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Demzufolge wird beispielsweise in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein neuronales Netz mit einer Auswahl aus gelabelten 100.000 Schaltzyklen trainiert und wenn das neuronale Netz später einen ähnlichen Schaltzyklus wie der zuvor erwähnte 50.000 Schaltzyklus als einen aktuellen Schaltzyklus von einem anderen Relais vergleichbaren Typs erfasst, kann das neuronale Netz schätzen, dass dieses Relais auch zu etwa 50% verschlissen ist, auch wenn das andere Relais zu diesem Zeitpunkt vielleicht nur 1.000 Schaltzyklen mit einer anderen Last durchlaufen hat.
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In dem neuronalen Netz wird jedoch kein direkter Vergleich von den Schaltzyklen miteinander durchgeführt, sondern durch Optimierungsverfahren im Trainingsprozess hat das Verfahren selber gelernt bzw. die internen Parameter so optimiert, dass relevante Merkmale, die für den Verschleiß charakteristisch sind, implizit im neuronalen Netz enthalten sind und somit Prognosen zu aktuellen unbekannten Eingangsdaten ausgegeben werden können.
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Das in der Auswerteeinrichtung implementierte neuronale Netz ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zuvor trainiert worden und ist durch die Auswertung von aktuellen Messungen in der Lage, auf den aktuellen Zustand des aktuell verbauten Relais zu schließen, den Verschleißzustand zu ermitteln.
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Das in der Auswerteeinrichtung implementierte neuronale Netz kann auch die Einsatzhistorie der elektronischen Schalteinrichtung mitberücksichtigen, beispielsweise kann zugrunde gelegt werden, dass ein Relais typischerweise mit fortschreitender Zeit nicht besser, sondern eher schlechter wird, d.h. ein Verschleiß grundsätzlich immer zunimmt. Hierfür können sogenannte rekurrente neuronale Netze zum Einsatz kommen oder andere Verfahren verwendet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf dem ermittelten aktuellen Verschleißzustand und den Massendaten eine Prädiktion für den zukünftigen Abnutzungsverlauf der elektromechanischen Schalteinrichtung zu ermitteln.
Dies ermöglicht vorteilhaft auch Voraussagen über die Entwicklung des zukünftigen Verschleißes und der zu erwartenden Abnutzung der elektromechanischen Schalteinrichtung bereitzustellen.
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Wenn beispielsweise die Last des Relais mehr oder weniger konstant ist, in der Vergangenheit typischerweise 1.000 Schaltzyklen pro Woche aufgetreten sind, das Relais aktuell den 40.000 Schaltzyklus durchläuft, ein aktueller Verschleiß von 80% durch die Auswerteeinheit geschätzt worden ist und eine lineare Alterung vorausgesetzt wird, kann in einer einfachen Hochrechnung geschlussfolgert werden, dass von einer Restlebensdauer des Relais von ca. 10.000 Schaltspielen bzw. 10 Wochen ausgegangen werden kann. Selbstverständlich können auch komplexere Alterungsmodelle verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, die Massendaten mit einer Zuordnung zu einem jeweiligen Zustand der elektromechanischen Schalteinrichtung bereitzustellen; wobei vorzugsweise die Messeinrichtung einen Prozessor aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, über eine Datenschnittstelle einen Datenstrom umfassend den erfassten mindestens einen vorbestimmten Betriebsparameter zu übermitteln; wobei vorzugsweise die Messeinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, mit einer Energieversorgungseinrichtung gekoppelt zu werden und/oder über ein Ansteuersignal der elektromechanischen Schalteinrichtung mit Energie versorgt zu werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Vielzahl an Messeinrichtungen aufweist und die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, den aktuellen Verschleißzustand einer Vielzahl an elektromechanischen Schalteinrichtungen basierend auf einer Vielzahl an erfassten vorbestimmten Betriebsparametern zu ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung als eine dezentrale Computerumgebung, verteilt über ein Rechnernetz ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Vorrichtung ferner dazu ausgebildet ist, über einen Übertragungskanal Daten über den aktuellen Verschleißzustand an die elektromechanische Schalteinrichtung zu übertragen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem Relaissockel für die elektromechanische Schalteinrichtung integriert zu werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem Relaissockel für die elektromechanische Schalteinrichtung integriert zu werden, wobei vorzugsweise die Auswerteeinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, als ein gemeinsames Kopfmodul für eine Vielzahl von in weiteren Relaissockeln integrierten Messeinrichtung für weitere elektromechanische Schalteinrichtungen verwendet zu werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner eine Anzeigeneinrichtung umfasst, welche vorzugsweise dazu ausgebildet ist, den aktuellen Verschleißzustand der elektromechanischen Schalteinrichtung anzuzeigen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine vorbestimmte Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung eine Betätigungskraft, eine Gegenkraft, einen Betätigungsweg, einen Überhub, einen Schaltpunkt, einen Lichtimpuls, einen Lichtbogen, ein akustisches Signal, ein Magnetfeld, eine Temperatur, einen Spulenstrom, eine Spulenspannung, einen Kontaktstrom, einen Laststrom oder eine Kontaktspannung umfasst.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Massendaten beliebige Betriebsparameter umfassen und die beliebigen Betriebsparametereine Betätigungskraft, eine Gegenkraft, einen Betätigungsweg, einen Überhub, einen Schaltpunkt, einen Lichtimpuls, einen Lichtbogen, ein akustisches Signal, ein Magnetfeld, eine Temperatur, einen Spulenstrom, eine Spulenspannung, einen Kontaktstrom, einen Laststrom oder eine Kontaktspannung der elektromechanischen Schalteinrichtung umfassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, die beliebigen Betriebsparameter als Kennlinien basierend auf einer Vorabmessung während einer Initialisierungsphase der elektromechanischen Schalteinrichtung zu erfassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, bei dem maschinellen Tiefenlernen (i) eine Merkmalsextraktion aus den Massendaten und/oder (ii) eine Merkmalsklassifizierung der Massendaten zu verwenden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung ein neuronales Netz, eine Stützvektormaschine, einen Klassifikator und/oder einen Regressor aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf einer Vielzahl von erfassten vorbestimmten Betriebsparameter einen individuellen Abnutzungskurvenverlauf der elektromechanischen Schalteinrichtung zu bestimmen und darauf basierend auf einen Typenparameter der jeweiligen elektromechanischen Schalteinrichtung zu schließen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Umgebungsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung und/oder einen Typenparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung, vorzugsweise in der Form eines Herstellercodes, zu erfassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Umgebungsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung und/oder dem Typenparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung den aktuellen Verschleißzustand der elektromechanischen Schalteinrichtung zu ermitteln.
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In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung, wobei das Verfahren folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Als ein erster Verfahrensschritt erfolgt ein Erfassen von mindestens einem vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung mittels einer Messeinrichtung.
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Als ein zweiter Verfahrensschritt erfolgt ein Ermitteln eines aktuellen Verschleißzustandes der elektromechanischen Schalteinrichtung anhand eines maschinellen Tiefenlernen-Verfahrens unter Zuhilfenahme von Massendaten, vorzugsweise in Form von Trainingsdaten, aus dem erfassten vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung mittels einer Auswerteeinrichtung.
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Als ein dritter Verfahrensschritt erfolgt optional ein Ermitteln einer Prädiktion für den zukünftigen Abnutzungsverlauf der elektromechanischen Schalteinrichtung basierend auf den Massendaten und den mittels der Auswerteeinrichtung.
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Nach einem dritten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, dass die Schritte des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt oder einer beliebigen Ausführungsform des zweiten Aspektes ausgeführt werden.
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Nach einem vierten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt oder einer beliebigen Ausführungsform des zweiten Aspektes ausgeführt werden.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der vorliegenden Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsformen beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermitteln.
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Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der vorliegenden Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Figuren der Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Figuren der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 2: eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4: eine schematische Darstellung von Diagrammen zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5: eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 6-9: je eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 10: eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung mit einer weiteren Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Der Begriff „Künstliches neuronales Netz“ wie von der vorliegenden Erfindung verwendet umfasst beispielsweise ein Rechnernetz basierend auf einer Sammlung von miteinander verbundenen Einheiten oder Knoten, die als künstliche Neuronen bezeichnet werden und die Neuronen in einem biologischen Gehirn lose modellieren.
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Der Begriff „rekurrentes neuronales Netz“ wie von der vorliegenden Erfindung verwendet umfasst beispielsweise ein neuronales Netz, das sich im Gegensatz zu einem normalen, auch als Feedforward-Netz bezeichneten Netz durch Verbindungen von Neuronen einer Schicht zu Neuronen derselben oder einer vorangegangenen Schicht auszeichnet.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung 100 umfasst eine Messeinrichtung 10 und eine Auswerteeinrichtung 20.
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Die Messeinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, mindestens einen vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung zu erfassen.
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Die Auswerteeinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, anhand eines maschinellen Tiefenlernen-Verfahrens unter Zuhilfenahme von Massendaten, vorzugsweise in Form von Trainingsdaten, aus dem erfassten vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung einen aktuellen Verschleißzustand der elektromechanischen Schalteinrichtung zu ermitteln.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht eine Verschleißerkennung, d.h. eine Überwachung einer Abnutzung bzw. des Abnutzungsverhaltens eines elektromechanischen Schaltgerätes, bereitzustellen.
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Die Messeinrichtung 10 ist beispielsweise als eine Messvorrichtung zum Detektieren eines Betriebsparameters ausgebildet, wie etwa ein Ereignis, d.h. etwa ein Schaltvorgang des elektromechanischen Schaltgerätes, eine Temperaturerhöhung des elektromechanischen Schaltgerätes, oder auch eine Entfernung oder ein Ausfall des elektromechanischen Schaltgerätes in Form des Relais.
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Die Messeinrichtung 10 ist beispielsweise als eine Messvorrichtung zur Detektion eines Kurvenverlaufes und/oder einer oder mehrerer charakteristischer Größen des Ereignisses ausgebildet.
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Die Auswerteeinrichtung 20 ist beispielsweise dazu ausgebildet, ein Zuordnen von digitalen repräsentativen Daten zu dem aktuellen Ereignis bzw. dem aktuellen Betriebsparameter vorzunehmen.
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Es kann ferner ein Einspielen der repräsentativen Daten und/oder der Trainingsdaten und/oder von Zustandsdaten in das künstliche neuronale Netz erfolgen.
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Das Ereignis bzw. der Betriebsparameter kann beispielsweise ein Spulenstrom im Einschaltmoment sein, es können auch mehrere elektrische oder physikalische Größen zu einem Betriebsparameter zusammengefasst werden, etwa Spulenstrom und Kontaktspannung. Als Betriebsparameter kann auch ein berechneter Wert wie beispielsweise ein ermittelter Überhub sein.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Als ein erster Verfahrensschritt erfolgt ein Erfassen S1 von mindestens einem vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung mittels einer Messeinrichtung.
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Als ein zweiter Verfahrensschritt erfolgt ein Ermitteln S2 eines aktuellen Verschleißzustandes der elektromechanischen Schalteinrichtung anhand eines maschinellen Tiefenlernen-Verfahrens unter Zuhilfenahme von Massendaten, vorzugsweise in Form von Trainingsdaten, aus dem erfassten vorbestimmten Betriebsparameter der elektromechanischen Schalteinrichtung mittels einer Auswerteeinrichtung.
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Die 3 zeigt eine Vorrichtung zur Verschleißerkennung einer elektromechanischen Schalteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Das in der 3 gezeigte Vorrichtung stellt einen Messaufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Ein Relais oder ein Schütz oder ein elektromechanisches Schaltgerät hat im inneren eine Spule verbaut, die mit einer Spannung über Kontakte beaufschlagt werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, sobald eine Spannung an der Spule anliegt, beginnt ein Strom durch die Spule zu fließen, ein Magnetfeld wird aufgebaut, eine Kraft auf einen Anker wird ausgeübt und der Anker bewegt einen Kontakt derart, dass ein elektrischer Kontakt geschlossen oder geöffnet wird, je nach Typ, Öffner oder Schließer. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler bezeichnet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann dabei die vorliegende Erfindung für beliebige Relais oder andere elektromechanische Schaltgerate anwendbar sein.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass man charakteristische elektrische Größen des Relais erfasst und auswertet.
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gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können beispielsweise in direkter Messung wie in 3 dargestellt die folgenden elektrischen oder physikalischen Größen als erfasste Größe bzw. Betriebsparameter verwendbar sein:
- i) Spulenstrom
- ii) Spulenspannung
- iii) Kontaktstrom bzw. Laststrom
- iv) Kontaktspannung bzw. Lastspannung
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können auch andere Kenngrößen, wie etwa ein Schaltzeitpunkt oder ein Kontaktwiderstand über andere, hierzu geeignete elektrische Schaltungen gemessen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können auch andere Messgrößen erfasst werden, beispielsweise indem man versucht, optisch einen möglichen Lichtbogen am Kontakt beim Öffnen zu detektieren oder durch einen Magnetfeldsensor Aussagen über das Magnetfeld in der Spule zu treffen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die gemessenen Größen anschließend von einer oder mehreren Messvorrichtungen in Form der Messeinrichtung 10 erfasst und dabei auch digitalisiert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können dabei weitere Informationen, wie beispielsweise ein Zeitstempel oder Zählerstände hinzugefügt werden, die indirekt gemessen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die digitalen Daten kontinuierlich vorliegen basierend auf einer kontinuierlich vorgenommenen Messung oder sinnvollerweise nur bei Schaltereignissen aktualisiert werden basierend auf einer durch unterschiedliche Triggerungen vorgenommenen Messung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise beispielsweise die Kontaktspannung nur dann übermittelt werden, wenn auch ein Schaltereignis vorliegt. In der Zeit zwischen Ein- und Ausschaltvorgang, d.h. während der leitenden Phase, ist der Informationsgehalt der Kontaktspannung gegebenenfalls nicht aussagekräftig, da bei einem ausreichend guten Zustand des Kontakts eine Kontaktspannung nahe Null zu erwarten ist.
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Im Ausschaltmoment wiederum kann der Informationsgehalt der Kontaktspannung sehr informativ sein, da darin beispielsweise Informationen über eine Ausbildung eines Lichtbogens in der Folge von Abnutzungserscheinung der Kontaktflächen enthalten sein können, was auf einen gewissen Materialabbrand und somit einen Verschleiß schließen lässt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die digitalen Daten somit nur bei jedem Schaltvorgang aktualisiert, mit anderen Worten, die Messeinrichtung 10 ist beispielsweise dazu ausgebildet, durch einen Schaltvorgang getriggert zu werden, eine Messung vorzunehmen, wobei auch eine Intervallauslösung der Messung vorgesehen sein kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nur jeder zweite Schaltvorgang, jeder 10. Schaltvorgang oder 100. Schaltvorgang ausgewertet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Aktualisierung pro Zeiteinheit, etwa pro Minute oder pro Stunde oder einmal am Tag vorgenommen und eine Messung durch die Messeinrichtung 10 vorgenommen, mit anderen Worten, eine zeitliche Intervallschaltung wird vorgesehen.
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Wenn eine Temperaturüberwachung vorliegt, können die digitalen Daten auch zwischen Schaltvorgängen aktualisiert werden, beispielsweise wenn das Relais in leitender Phase dauerhaft eine überhöhte Last schaltet, also außerhalb seiner Spezifikationen betrieben wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die digitalen Daten nach der Aktualisierung an das oben beschriebene künstliche neuronale Netz in der Auswerteeinrichtung 20 zugeführt.
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Das künstliche neuronale Netz erhält nun gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung diese digitalen Daten und kann daraus nach einer Berechnung den Zustand des Relais prognostizieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind mögliche Ausgabemöglichkeiten des künstlichen neuronalen Netzes beispielsweise:
- i) „Das Relais ist zu 70% verschlissen“
- ii) „Der Relaistyp ist XXX oder YYY“
- iii) „Das Relais ist an einer kleinen / mittleren / großen / zu großen Last angeschlossen“
- iv) „Die voraussichtliche Restlebensdauer ist 3 Jahre und 2 Monate“
- v) „Die Temperatur im Relais ist geschätzt zwischen 70°C und 80°C“
- vi) „Achtung: Es besteht die Gefahr, dass das Relais bald verklebt“
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Aus bereits gelernten Daten in der Trainingsphase kann das neuronale Netz gegebenenfalls anhand von Kurvenverläufen auf den Relaistyp schießen.
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Die Bestimmung der Last kann beispielsweise über die Alterungshistorie und der Auswertung der bereits durchlaufenen Schaltzyklen ermittelt werden, beispielsweise wenn ein Relais nach 1.000 Zyklen bereits 30% Verschleiß aufweist, ist die zu schaltende Last wohl eher zu groß und es wird weiter mit einer erhöhten Abnutzung in der Zukunft für eine gleichbleibende Last zu rechnen sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn der Laststrom gemessen wird, kann gegebenenfalls auch hierüber eine Aussage über die Art der Last getroffen werden, beispielsweise induktiv und/oder kapazitiv und/oder ohmsch getroffen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn die Last mehr oder weniger konstant bleibt und das Schaltintervall einem festen Zyklus folgt, kann die Auswerteeinrichtung 20 dazu ausgebildet sein, dass gegebenenfalls eine Restlebensdauer prognostiziert wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann gegebenenfalls aus Messungen am Kontakt ermittelt werden, welche Restlebensdauer noch vorhanden ist, oder wenn sich die Form des Spulenstroms signifikant ändert, kann hierauf auch eine Abnutzung ermittelt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann gegebenenfalls ermittelt werden, ob der gemessene Spulenstrom trotz anliegender Spannung Null oder annähernd Null ist. Daraus kann gegebenenfalls auf einen Defekt der Spule geschlossen oder geschlussfolgert werden, dass keine Spule angeschlossen ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann aus dem Verlauf des Spulenstroms ein temperaturabhängiger Widerstand oder eine Induktivität bestimmt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann alternativ auch die Temperatur direkt über einen Temperaturfühler gemessen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein Abgleich von charakteristischen Mustern in den Messdaten erfolgen oder in den davon abgeleiteten Daten, die beispielsweise während eine Ein- oder des Ausschaltvorgangs gemessen werden.
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In der 4 sind Kurvenverläufe der gemessenen Größen beispielhaft dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Einschaltmoment, also zum Zeitpunkt t=0 wird eine Spannung sprunghaft an die Spule gelegt und auf einem konstanten Wert gehalten.
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Auf dem oberen Diagramm sind die Kurvenverlaufe für ein neues Relais dargestellt, während auf dem unteren Diagramm die Kurvenverläufe eines stark gealterten Relais dargestellt sind.
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Obwohl hier stochastische Prozesse eine Rolle spielen und auch zwei direkt hintereinander folgende Einschaltmomente der selben elektromechanischen Schalteinrichtung deutlich voneinander abweichen können, sind dennoch wiederkehrende Schaltereignisse in einer korrespondierenden Phase des Abnutzungsverlaufs der elektromechanischen Schalteinrichtung ähnlich und die Werte wandern im Laufe der Zeit langsam in eine Richtung.
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Aus den Kurvenverlaufen können nun automatisiert charakteristische Merkmale abgeleitet werden. Ein beispielhafter Parameter bzw. ein Merkmal ist der so genannte Überhub, der sich in den Zeiten zwischen dem Kontaktschluss und dem Ankeraufschlag wiederspiegelt.
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Der Überhub ist eigentlich eine Strecke, die in mm gemessen wird, aufgrund einer Geschwindigkeit des Ankers in m/s bzw. mm/ms kann ein ähnliches charakteristisches Merkmal aber auch in ms ausgedrückt werden. Diese Größe wird in diesem Kontext auch als Überhub bezeichnet. Es wird also die Zeitspanne zwischen dem ersten Kontaktschluss und dem Ankeraufschlag aus den Kurvenverläufen abgelesen, dabei kann man für jeden Einschaltvorgang einen zeitlichen Überhub bestimmen.
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Wie anhand der beiden Diagramme erkennbar ist, unterscheiden sich die Kurvenverläufe eines neuen und eines stark gealterten Relais typischerweise deutlich voneinander.
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So ist beispielsweise bei dem stärker gealterten Relais ein deutlich erhöhtes Kontaktprellen festzustellen.
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Es ist nun eine Aufgabe des künstlichen neuronalen Netzes aus diesen Daten einen Abnutzungsgrad zu erkennen und zu quantifizieren.
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In 5 ist ein Diagramm dargestellt und der gemessene zeitliche Überhub über die Lebensdauer aufgetragen. Man erkennt zwar eine generelle abfallende Tendenz des Überhubs im Laufe des Lebenszyklus der elektromechanischen Schalteinrichtung 1000, es wird aber auch deutlich, dass die einzelnen Messwerte stark verrauscht sind.
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Man kann also nicht einfach den Überhub messen und daraus abschätzen, wie stark das Relais abgenutzt ist.
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In 6 ist die erfindungsgemäße Losung noch einmal bildlich dargestellt. Die gemessenen Kurvenverläufe werden in ein zuvor trainiertes neuronales Netz gegeben, das anhand von zuvor erlernten Kurven eine Prognose über den Zustand des Relais abgeben kann.
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Das neuronale Netz wurde zuvor mit gelabelten - mit einem Zusatz versehen - Daten trainiert. Es wurden wiederholt Messungen in das Netz gegeben und zu jeder Messung gesagt, wie stark das Relais in dieser Messung tatsachlich gealtert ist. Das neuronale Netz sucht im Optimierungsprozess in der Lernphase nun selbständig nach charakteristischen Merkmalen, die für die Alterung verantwortlich sind.
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In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aufbaus skizziert. Hier kommt ein Relais-Sockel 1020 zum Einsatz, der den Spulenstrom über einen Messwiderstand, auch als Shunt bezeichnet, in eine Spannung umwandelt und über eine Messvorrichtung, beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler, ADC, A/D-Wandler, englisch ADC - „analog-to-digital converter“ - misst und digitalisiert.
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Ein Prozessor kann die digitalen Stromdaten In einen Datenstrom umwandeln und über eine Schnittstelle, bezeichnet mit „Data+“ „Data-“, weiterleiten.
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Es können zusätzliche Daten hinzugefügt werden wie beispielsweise Zeitstempel, Temperaturen etc. Die Hilfsenergie kann entweder von extern, bezeichnet mit „PWR+“ und „PWR-“, hinzugefügt werden oder sie wird aus dem Spulenansteuerungssignal gewonnen.
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Wenn dieser Fall gewählt wird, ist darauf zu achten, dass die Energieversorgung nur dann sichergestellt ist, wenn auch eine Spannung an den Anschlüssen anliegt. Ferner kann auch über einen Pufferkondensator Energie zwischengespeichert werden, um die Daten auch noch nach einem Messvorgang übertragen zu können.
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Das neuronale Netz, das in diesem Ausführungsbeispiel außerhalb des Relaissockels implementiert ist, hat in diesem Ausführungsbeispiel die Aufgabe nur aus dem Spulenstrom und ggf. wenigen Zusatzinformationen auf den Zustand des Relais zu schließen.
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Der Überhub kann in diesem Fall beispielsweise nicht direkt berechnet werden. Dies ist aber auch nicht zwingend erforderlich, da das Neuronale Netz die relevanten Merkmale selbständig ermittelt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Datenschnittstelle derart ausgelegt, dass die Messdaten an eine Cloud übermittelt werden, in der das neuronale Netz gepflegt und ausgeführt wird. Dort sind dann alle Informationen über das Relais vereinbar. Ggf. gibt es einen optionalen Rückkanal, um beispielsweise den Zustand visuell am Relaissockel darzustellen.
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In 8 sind mehrere Relaissockel 1020 über einen lokalen Kommunikationsbus miteinander verbunden und die einzelnen Messdaten der Relais-Sockel 1020 werden von einem zentralen Kopfmodul verwaltet.
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In dem Kopfmodul kann dann das neuronale Netz ausgeführt werden, das alle an einem lokalen Bus angeschlossenen Relais überwacht. Das Kopfmodul kann mit einer weiteren Datenschnittstelle ausgestattet sein, um die gewonnen Daten extern weiterzugeben.
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Es kann auch sein, dass vom Kopfmodul die Daten der einzelnen Relais nur gesammelt werden und dass das neuronale Netz auf einem externen Gerat ausgewertet und verwaltet wird.
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Es können alternativ auch nur eine Datenvorverarbeitung oder Teile des neuronalen Netzes in dem Kopfmodul verarbeitet werden und andere Teile in einem externen Gerat.
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Das Kopfmodul kann in einer weiteren Ausführungsform auch derart ausgestaltet sein, dass keine eigene elektromechanischen Schalteinrichtung 100) und keine eigene Messeinrichtung 10 direkt daran angeschlossen werden, sondern dass durch das Kopfmodul die Daten nur eingesammelt und wie oben beschrieben weiterverarbeitet werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das neuronale Netz auch einen Prozessor oder einen Mikroprozessor beinhalten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine Anzeigeneinrichtung 30, die in Form einer mehrschichtigen Anzeige oder einer Ampelform dargestellt werden kann.
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Es können beispielsweise die folgende Falle visualisiert werden:
- • Klasse 1: Neues Produkt („new“)
- • Klasse 2: Produkt in Gebrauch („in use“)
- • Klasse 3: Abgenutztes Produkt („worn“)
- • Klasse 4: Lebensende naht („end of life“)
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Es kann bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass das eingesetzte Relais mit dem Relais-Sockel gekoppelt wird, also beispielsweise bereits direkt nach der Produktion und vor der Auslieferung des Produktes an den Kunden einige Schaltzyklen durchlaufen werden und das neuronale Netz genau für dieses Relais eine Feinabstimmung erhält.
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Sollte später ein neues Relais in den Sockel eingesetzt werden, könnte das neuronale Netz beispielsweise kurzfristig auf das neue Relais nachtrainiert werden.
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Dies kann in einer sogenannten Initialisierungsphase geschehen. Es ist auch denkbar, dass Zusatzinformation über das Relais (beispielsweise Herstellercode) händische in den Relais-Sockel eingegeben werden, beispielsweise über eine zusätzliche Datenschnittstelle, damit die Prognose des neuronalen Netzes verbessert wird.
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Die zusätzliche optionale Datenschnittstelle kann vorgesehen sein, um gewonnene Informationen über den Zustand des Relais nicht nur direkt am Relais darzustellen, sondern in ein übergeordnetes Netzwerk bereitzustellen. Es ist aber auch vorstellbar, dass über die Schnittstelle „Updates“ oder Datenbestandsänderungen in den Relais-Sockel übertragen werden, beispielsweise wenn eine neue Version des neuronalen Netzes vorliegt.
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In 10 ist eine Abwandlung von dem Relais-Sockel dargestellt, wobei gezeigt wird, dass neben dem Spulenstrom auch noch andere Messtechnik in dem Relais-Sockel integriert sein kann. Die Möglichkeiten sind hier vielfaltig und kurz in der 10 beschrieben.
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So ist es beispielsweise möglich, dass die Steuerung in der Form der Auswerteeinrichtung 20 das Einschaltsignal der elektromechanischen Schalteinrichtung 1000 erhält und ihrerseits die Spule der elektromechanischen Schalteinrichtung 1000ansteuert.
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Dadurch kann eine zusätzliche Flexibilität gewonnen werden, beispielsweise könnte die Spule besonders Relais-schonend angesteuert werden oder auf einen geeigneten Einschaltzeitpunkt gewartet werden, beispielsweise bei AC Anwendungen, hier kann es beispielsweise sinnvoll sein, auf einen Stromnulldurchgang am Kontakt zu warten bevor das Relais eingeschaltet wird.
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Dabei kann vorteilhaft die in der 10 dargestellte Schaltungstechnik zum Einsatz kommen, um Informationen zum Schaltzeitpunkt des Kontaktes zu erhalten, ohne eine aufwändige direkte Messtechnik auf der Kontaktseite bereitzustellen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016124083 B4 [0005]
- DE 102018114425 A1 [0006]
