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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von Mess- und Betriebsdaten einer Maschinenkomponente, eine Recheneinheit, eine Maschinenkomponente, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Die Erfindung dient insbesondere der prädiktiven Diagnose zur Unterstützung von Predictive Maintenance im ‚Industrie 4.0‘-Umfeld und findet Anwendung bei Luft-, Körper- oder Fluidschall emittierenden, rotatorischen Maschinenkomponenten mit periodischer Anregung, wie zum Beispiel hydrostatischen Verdrängereinheiten, die auch als Axialkolbenmaschinen bezeichnet werden. Eine Zustandsüberwachung an Maschinenkomponenten kann durch Vorhersage von Ausfällen die Maschinenverfügbarkeit verbessern und die Wartungs- und Ausfallkosten senken. Dazu werden im Umfeld von ‚Industrie 4.0‘ verschiedene Komponenten mit Sensoren und Software vernetzt, um ein umfassendes Bild über den Maschinenzustand erfassen zu können.
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Derartige Maschinenkomponenten sind vorwiegend im stationären Umfeld vorzufinden. Die Erfindung kann jedoch auch an elektrischen Maschinen, Verbrennungskraftmaschinen, mechanischen Getrieben und Wälzlagern sowie grundsätzlich im industriellen wie auch im mobilen Umfeld angewandt werden.
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Stand der Technik
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In derartigen Maschinenkomponenten können sogenannte loT-Gateways (Internet of Things) zur Verarbeitung von Mess- und Betriebsdaten der Maschinenkomponente vorgesehen sein. Der Fokus solcher loT-Gateways kann z.B. auf der Sammlung von Maschinendaten und der Übertragung dieser in die Cloud sowie der Visualisierung liegen.
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Es ist wünschenswert, Mess- und Betriebsdaten zuverlässig und deterministisch während eines vorgegebenen Betriebszustands zu erheben und eine Vergleichbarkeit von Daten zu gewährleisten, die zu verschiedenen Messzeitpunkten aufgenommen worden sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren, eine Recheneinheit, eine Maschinenkomponente, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Verarbeiten von Mess- und Betriebsdaten einer Maschinenkomponente, die wenigstens eine Messkomponente aufweist, und umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Empfangen von Betriebsdaten der Maschinenkomponente, Erkennen eines Betriebszustands der Maschinenkomponente anhand der Betriebsdaten und Feststellen, ob der Betriebszustand zum Durchführen einer Messung geeignet ist, Auslösen einer Messung durch die Messkomponente im Falle eines für die Messung geeigneten Betriebszustands, Empfangen von aufgrund der Messung erzeugten Messdaten der Messkomponente, Zusammenführen wenigstens der Messdaten und der Betriebsdaten zu einem Datensatz und Bereitstellen des Datensatzes.
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Dabei handelt es sich bei den Mess- und Betriebsdaten um Daten der Maschinenkomponente, die einander zugeordnet werden können und deterministisch einem bestimmten Betriebszustand zugehörig sind. Bei der Maschinenkomponente kann es sich um eine rotatorische Machine, z.B. eine Axialkolbenmaschine handeln, die beispielsweise in einer Presse o.ä. verwendet wird. Die Messdaten können sich beispielsweise auf Körperschallgeräusche der Maschinenkomponente beziehen, wobei in diesem Fall die Messkomponente ein autark arbeitender, intelligenter Körperschallsensor sein kann. Die Betriebsdaten gehen vorzugsweise zyklisch ein und können insbesondere von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zur Verfügung gestellt oder lokal gemessen werden.
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Das Feststellen, ob der Betriebszustand zum Durchführen einer Messung geeignet ist, erfolgt insbesondere anhand vorbestimmter Kriterien. Kriterien können beispielweise vorbestimmte Intervalle oder Schwellwerte der Betriebsdaten sein. Damit die Messdaten aussagekräftig sind, werden sie möglichst immer in einem vorgegebenen, stabilen Betriebszustand gemessen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen länger andauernden, gleichmäßigen Lastzustand, wie beispielsweise den Rückhub einer Presse.
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Wenn festgestellt wird, dass der Betriebszustand für die Messung geeignet ist, wird eine Messung durch die Messkomponente ausgelöst. Dies erfolgt beispielsweise durch sogenannte Triggersignale, auch Trigger genannt. Aufgrund des Triggers führt die Messkomponente eine Messung durch und erzeugt Messdaten.
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Das Bereitstellen des Datensatzes erfolgt vorzugsweise über das Internet an einen externen Server, auf dem eine Auswertesoftware läuft. Alternativ dazu kann der Datensatz zur Auswertung einem anderen Softwaremodul oder einer im Netzwerk vorhandenen anderen Komponente bereitgestellt werden.
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Somit können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Mess- und Betriebsdaten während eines vorgegebenen Betriebszustands erhoben und zusammengeführt werden, um eine verbesserte Auswertung der Daten zu gewährleisten.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren einen weiteren Verfahrensschritt des Verifizierens, dass der Betriebszustand während eines für die Messung erforderlichen Messintervalls unverändert ist. Vorteilhaft kann dies dadurch erfolgen, dass während des Messintervalls die Betriebsdaten überwacht werden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Betriebsdaten regelmäßig, insbesondere zyklisch, bereitgestellt werden. Anhand der Betriebsdaten kann der Betriebszustand der Maschinenkomponente erneut erkannt werden. Durch den Schritt des Verifizierens wird sichergestellt, dass die Messung vollständig während des geeigneten Betriebszustands durchgeführt wurde. Dadurch ist gewährleistet, dass die Messdaten aussagekräftig sind. Schlägt das Verifizieren fehl, wird also festgestellt, dass der Betriebszustand während des Messintervalls verändert wurde, so können die Messdaten und/oder der Datensatz verworfen werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird beim Auslösen der Messung des Weiteren ein Zeitstempel erzeugt, der den Beginn des Messintervalls definiert, wobei das Verifizieren wenigstens mittels des Zeitstempels und des Messintervalls erfolgt. Durch den Zeitstempel und das Messintervall wird ein Endzeitpunkt definiert, bis zu dem der Betriebszustand unverändert sein muss, damit die Messdaten aussagekräftig sind.
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Vorzugsweise umfasst das Messintervall eine Übermittlungsdauer, die zum Auslösen der Messung erforderlich ist, eine Messdauer, die zum Durchführen der Messung erforderlich ist, und eine vorgebbare Sicherheitsdauer. Die Übermittlungsdauer kann insbesondere eine Buslaufzeit sein, die benötigt wird, damit das Triggersignal von der Messkomponente empfangen wird. Die Messdauer ist die Dauer, welche die Messkomponente für die Messung benötigt. Die Sicherheitsdauer kann ein konstanter, vorgegebener Zeitraum sein, der auch „Null“ betragen kann. Das Vorsehen einer Sicherheitsdauer ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Verifizieren, dass der Betriebszustand während eines für die Messung erforderlichen Messintervalls unverändert ist, nicht kontinuierlich erfolgt.
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Vorzugsweise wird der Datensatz des Weiteren mit dem Zeitstempel versehen. Dies erlaubt insbesondere auch das Verarbeiten und In-Beziehung-Setzen von Datensätzen von unterschiedlichen Messkomponenten und/oder unterschiedlichen Messzeitpunkten. Insbesondere für eine Zustandsüberwachung kann das Auswerten einer zeitlichen Entwicklung der Messdaten zweckmäßig sein.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird beim Empfangen der bereitgestellten Betriebsdaten ein Identifikator erzeugt, wobei die Betriebsdaten und die Messdaten mittels des Identifikators zu dem Datensatz zusammengeführt werden. Beispielsweise kann ein Identifikator eine UUID (Universally Unique Identifier) sein. Vorzugsweise werden die empfangenen Betriebsdaten mit dem Identifikator versehen. Anschließend werden die Messdaten dem Identifikator der Betriebsdaten zugeordnet, sodass die Betriebsdaten und die Messdaten zusammengeführt sind. Vorzugsweise werden die Messdaten dem Identifikator der Betriebsdaten erst dann zugeordnet, wenn erfolgreich verifiziert wurde, dass der Betriebszustand während des Messintervalls unverändert war. In diesem Fall kann schon aufgrund einer vorhandenen Zuordnung der Messdaten zu dem Identifikator festgestellt werden, dass die Messdaten erfolgreich verifiziert wurden und aussagekräftig sind.
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Vorzugsweise wird der Datensatz wiederholt bereitgestellt, beispielsweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen und/oder jedes n-te Mal (n =1,...), wenn ein Betriebszustand erkannt wird, der zum Durchführen einer Messung geeignet ist. Insbesondere kann eine Vielzahl solcher Datensätze zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) verwendet werden, wobei beispielsweise aus den Frequenzkomponenten und deren Amplituden auf den Zustand der Maschinenkomponente geschlossen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein im Netzwerk der Maschinenkomponente angeordnetes Gateway, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente kann insbesondere eine Axialkolbenmaschine sein und weist wenigstens eine Messkomponente und die erfindungsgemäße Recheneinheit auf.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere, wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Systemstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maschinenkomponente mit einer Recheneinheit, auf der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird,
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 3 zeigt eine detaillierte Darstellung des Schritts des Verifizierens gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt eine Maschinenkomponente 10, bei der es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Axialkolbenmaschine handelt. Die Maschinenkomponente 10 umfasst eine als Gateway ausgebildete Recheneinheit 11, eine Messkomponente 12, eine Steuerung 13, eine Multiachsensteuerung 14, eine Prozesssensorik 15 und eine Axialkolbeneinheit 16. Pfeile in 1 kennzeichnen eine Datenübertragung zwischen den jeweiligen Systemkomponenten. Die genannten Teile der Maschinenkomponente können zentral an der Axialkolbeneinheit angebracht sein oder verteilt bzw. getrennt von dieser angeordnet sein.
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Bei der Messkomponente 12 handelt es sich um einen intelligenten, autark arbeitenden Körperschallsensor, der Körperschallgeräusche der Axialkolbeneinheit 16 misst. Zusätzlich kann der Körperschallsensor dazu eingerichtet sein, eine Vorverarbeitung der Messdaten, beispielsweise eine Fast-Fourier-Transformation zum Erhalt eines Frequenzspektrums als Messdaten durchzuführen. Die Steuerung 13 ist eine insbesondere speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die Multiachsensteuerung 14 ist eine digitale Multiachsen-NC-Steuerung in modularer Bauweise für komplexe Steuerungsaufgaben.
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Die Prozesssensorik 15 und die Axialkolbeneinheit 16 versorgen die Steuerung 13 und die Multiachsensteuerung 14 mit Daten. Auf Grundlage der erhaltenen Daten stellen die Steuerung 13 und/oder die Multiachsensteuerung 14 der Recheneinheit 11 Betriebsdaten 30a, 30b, 30c der Maschinenkomponente 10 zyklisch zur Verfügung, wie insbesondere 2 anschaulich zeigt. Aufgrund einer Bereitstellung durch die Multiachsensteuerung 14 können unter Umständen die Latenzzeiten der Steuerung 13 umgangen werden und die Daten direkt von der Multiachsensteuerung 14 an die Recheneinheit 11 weitergeleitet werden.
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Die Recheneinheit 11 steht über eine Netzwerkverbindung, z.B. über das Internet, mit einer entfernten Recheneinheit 20 in Verbindung, auf der eine Auswertesoftware läuft.
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Wie 2 zeigt, empfängt die Recheneinheit 11 Betriebsdaten 30a, 30b, 30c der Maschinenkomponente 10 zyklisch. Zunächst werden die Betriebsdaten 30a, 30b, 30c mit einem Zeitstempel und einer UUID (Universally Unique Identifier) versehen (Element 31). Die UUID dient als Identifikator.
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Im Folgenden wird anhand der Betriebsdaten 30a, 30b, 30c ein Betriebszustand der Maschinenkomponente 10 erkannt (Element 32) und festgestellt, ob der Betriebszustand zum Durchführen einer Messung geeignet ist (Element 33). Das Feststellen, ob der Betriebszustand zum Durchführen einer Messung geeignet ist, erfolgt anhand vorbestimmter Kriterien. Kriterien können beispielweise vorbestimmte Intervalle oder Schwellwerte der Betriebsdaten 30a, 30b, 30c sein. Damit die Messdaten aussagekräftig sind, werden sie möglichst immer in einem vorgegebenen, stabilen Betriebszustand gemessen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen länger andauernden, gleichmäßigen Lastzustand, wie beispielsweise den Rückhub einer Presse.
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Wird festgestellt, dass der Betriebszustand für die Messung nicht geeignet ist („0“), führt das Verfahren zurück zu Element 32. Wenn festgestellt wird, dass der Betriebszustand für die Messung geeignet ist („1“), wird eine Messung durch die Messkomponente ausgelöst. Dies erfolgt durch ein Triggersignal 45 (Element 34). Bei Auslösen der Messung wird zudem ein Zeitstempel erzeugt und gespeichert, der durch die Absendezeit des Triggersignals 45 definiert ist (Element 35). Anschließend wird auf eine Statusnachricht 46 der Messkomponente 12 gewartet (Elemente 36, 37), welche signalisiert, dass die Messung beendet ist. Währenddessen führt die Messkomponente 12 aufgrund des Triggers 45 eine Messung durch. Nach Beendigung der Messung erzeugt die Messkomponente 12 die Statusnachricht 46 und stellt sie der Recheneinheit 11 zur Verfügung.
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Sobald die Statusnachricht 46 eingegangen ist („1“), werden Messdaten 48 abgerufen bzw. heruntergeladen. Dies geschieht, indem ein entsprechendes Anfragesignal 47 an die Messkomponente 12 gerichtet wird (Element 38). Diese stellt sodann die aufgrund der durchgeführten Messung erzeugten Messdaten 48, ggfs. zusammen mit einem Zeitsignal, zur Verfügung. Die Messdaten 48 werden empfangen und gespeichert (Element 39).
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Anschließend wird verifiziert, dass der Betriebszustand während eines für die Messung erforderlichen Messintervalls 54a, 54b unverändert ist (Element 40).
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Die Verifizierung sowie die Bestimmung des Messintervalls 54a, 54b ist in 3 anschaulich dargestellt. 3 zeigt in Beispiel für eine gültige Messung 50a, bei der der Betriebszustand während des für die Messung erforderlichen Messintervalls 54a unverändert ist, und ein Beispiel für eine ungültige Messung 50b, bei der sich der Betriebszustand während des für die Messung erforderlichen Messintervalls 54b ändert.
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Zunächst geht zu einem Zeitpunkt 60 eine erste Nachricht mit Betriebsdaten ein, die signalisieren, dass ein Betriebszustand vorliegt, der zum Durchführen einer Messung geeignet ist. Vom Zeitpunkt 60 des Eingangs der Nachricht bis zum Zeitpunkt 61a, 61b des Auslösens der Messung durch das Triggersignal 45 wird die Nachricht zunächst verarbeitet (siehe 51a, 51b) und mittels eines sogenannten Message-Brokers dem entsprechenden Softwaremodul bereitgestellt (Laufzeit 52a, 52b). Anschließend wird das Triggersignal 45 erzeugt (53a, 53b).
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Nach Erzeugen des Triggersignals 45 wird zu den Zeitpunkten 61a, 61b das Triggersignal 45 versendet. Die Zeitpunkte 61a, 61b stellen den Beginn das Messintervalls 54a, 54b dar. Zur Definition des Beginns des Messintervalls 54a, 54b dient der beim Auslösen der Messung erzeugte Zeitstempel (s. Element 35).
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Das Messintervall 54a, 54b umfasst eine Übermittlungsdauer 55a, 55b, die zum Auslösen der Messung erforderlich ist, eine Messdauer 56a, 56b, die zum Durchführen der Messung erforderlich ist, und eine vorgegebene Sicherheitsdauer 57a, 57b.
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Die Übermittlungsdauer 55a, 55b ist im vorliegenden Beispiel eine Buslaufzeit, die benötigt wird, damit das Triggersignal 45 von der Messkomponente 12 empfangen wird.
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Die Messdauer ist die Dauer, welche die Messkomponente 12 zum Durchführen der Messung benötigt.
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Die Sicherheitsdauer ist ein konstanter, vorgegebener Zeitraum. Dadurch wird den zeitlichen Abständen zwischen den Betriebsdatenübermittlungen Rechnung getragen. Die Sicherheitsdauer sollte zumindest einen solchen Zeitabstand betragen.
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Im Beispiel gemäß 3 bezeichnet die Zustandsdauer 58 die konstante Dauer des zum Durchführen der Messung geeigneten Betriebszustands. Wie 3 zeigt, gehen während des Messintervalls 54a, 54b innerhalb der Zustandsdauer 58, nämlich zu den Zeitpunkten 62, 63, 64, jeweils Nachrichten mit Betriebsdaten ein, die signalisieren, dass der zum Durchführen der Messung geeignete Betriebszustand weiterhin vorliegt. Zum Zeitpunkt 65, nach Ablauf der Zustandsdauer 58, geht eine Nachricht mit Betriebsdaten ein, die signalisiert, dass der zum Durchführen der Messung geeignete Betriebszustand nicht mehr vorliegt.
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Zum Zeitpunkt 65 ist das Messintervall 54a bereits abgeschlossen. Das Messintervall 54b ist noch nicht abgeschlossen. Somit wird festgestellt, dass während des Messintervalls 54a der Betriebszustand unverändert ist und sich während des Messintervalls 54a der Betriebszustand verändert hat. Somit ist die Messung 50a gültig und die Messung 50b ungültig.
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Im Anschluss werden die Messdaten bei einer ungültigen Messung („0“) verworfen (Element 41). Im Falle einer gültigen Messung („1“) werden die Messdaten mit der UUID der entsprechenden Betriebsdaten 30a, 30b, 30c verknüpft (Element 42) und zu dem Datensatz zusammengeführt (Element 43). Schließlich wird der Datensatz über das Internet der Recheneinheit 20 bereitgestellt (Element 44), wo eine entsprechende Auswertesoftware den Datensatz auswertet.
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Insbesondere kann eine Vielzahl solcher Datensätze zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) verwendet werden, wobei beispielsweise aus den Frequenzkomponenten und deren Amplituden auf den Zustand der Axialkolbeneinheit geschlossen werden kann.
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Das mit Hilfe der Figuren beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht eine deterministische Machine-to-Machine-Kommunikation zum Austausch von Betriebs- und Messdaten sowie eine zeitsynchrone Einbindung eines intelligenten Körperschallsensors 12. Des Weiteren wird die eindeutige Kennzeichnung und zeitliche Zuordnung der verschiedenen Informationen ermöglicht. Dies basiert vorzugsweise auf einer Softwarearchitektur, die modular aufgebaut ist, weshalb zusätzliche Funktionen (z.B. Analysen, Aggregation, Kl, Statistische Kennwerte...), jederzeit implementierbar und bestehende Funktionen jederzeit deaktivierbar bzw. änderbar sind.
