DE102020209255A1 - Pneumatisches System und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches System (10) für die Industrieautomatisierung, umfassend: einen pneumatischen Aktor (3), eine Ventilanordnung (1) zur Bereitstellung von Druckluft an den pneumatischen Aktor (3), eine Schwingungssensoranordnung mit wenigstens einem Schwingungssensor (4, 4A, 4B), der ausgebildet ist, Schwingungen (DLS) der Druckluft zu erfassen und eine Auswerteeinheit (5), die ausgebildet ist, gemäß einem Spektrumsignal (SPS), das den zeitlichen Verlauf des Spektrums der erfassten Schwingungen (DLS) darstellt, einen aktuellen Systemzustand des Systems (10) aus mehreren möglichen Systemzuständen (SZ) zu ermitteln.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein pneumatisches System für die Industrieautomatisierung, umfassend: einen pneumatischen Aktor, eine Ventilanordnung zur Bereitstellung von Druckluft an den pneumatischen Aktor und eine Schwingungssensoranordnung mit wenigstens einem Schwingungssensor, der ausgebildet ist, Schwingungen der Druckluft zu erfassen. Bei dem Schwingungssensor handelt es sich beispielsweise um einen akustischen Sensor, insbesondere um ein Mikrofon, oder um einen Drucksensor.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen aktuellen Systemzustand des Systems zu ermitteln. Bei dem Systemzustand handelt es sich insbesondere um einen Aktorzustand des pneumatischen Aktors.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein pneumatisches System gemäß Anspruch 1. Das pneumatische System umfasst eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, gemäß einem Spektrumsignal, das den zeitlichen Verlauf des Spektrums der erfassten Schwingungen darstellt, einen aktuellen Systemzustand des Systems aus mehreren möglichen Systemzuständen zu ermitteln.
  • Das Spektrum der erfassten Schwingungen ist von dem aktuellen Systemzustand abhängig, so dass auf Basis des zeitlichen Verlaufs dieses Spektrums der aktuelle Systemzustand ermittelt werden kann. Es wird somit insbesondere möglich, auf weitere Sensorik, beispielsweise Positionssensorik für den pneumatischen Aktor, zu verzichten.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ermitteln eines aktuellen Systemzustands eines pneumatischen Systems für die Industrieautomatisierung, umfassend die Schritte: Bereitstellen von Druckluft an einen pneumatischen Aktor mittels einer Ventilanordnung, Erfassen von Schwingungen der Druckluft und Ermitteln eines aktuellen Systemzustands gemäß einem Spektrumsignal, das den zeitlichen Verlauf des Spektrums der erfassten Schwingungen darstellt.
  • Bevorzugt ist das Verfahren in Entsprechung zu einer Weiterbildung des pneumatischen Systems ausgestaltet. Vorzugsweise wird das Verfahren mit dem pneumatischen System ausgeführt.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren werden nachstehend exemplarische Ausführungsformen diskutiert. Dabei zeigt
    • 1 eine schematische Darstellung eines pneumatischen Systems,
    • 2 eine Sequenz von Systemzuständen,
    • 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung aus einer Auswerteeinheit gemäß einer ersten Variante und einem Schwingungssensor,
    • 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung aus einer Auswerteeinheit gemäß einer zweiten Variante und einem Schwingungssensor, und
    • 5 eine schematische Frontansicht einer Ventilanordnung.
  • Das in der 1 gezeigte pneumatische System 10 dient zweckmäßigerweise zum Einsatz in der Industrieautomatisierung. Das System 10 kann auch als industrielles System bezeichnet werden. Das System 10 dient zum Beispiel zum Einsatz bei einem industriellen Herstellungsprozess. Beispielsweise ist das System 10 eine industrielle Fertigungslinie.
  • Das pneumatische System 10 umfasst einen pneumatischen Aktor 3. Der pneumatische Aktor 3 verfügt über ein Aktorglied 11. Der pneumatische Aktor 3 kann durch Beaufschlagung mit Druckluft in verschiedene Aktorzustände versetzt werden. Bei den Aktorzuständen handelt es sich insbesondere um verschiedene Bewegungszustände des Aktorglieds 11. Die Aktorzustände können auch als Systemzustände bezeichnet werden.
  • Exemplarisch handelt es sich bei dem Aktor 3 um einen pneumatischen Antriebszylinder. Der Aktor 3 verfügt über einen insbesondere zylindrischen Aktorkörper 29, in dem das Aktorglied 11 angeordnet ist. Das Aktorglied 11 umfasst zweckmäßigerweise einen Kolben und vorzugsweise eine Kolbenstange. Der Aktor 3 ist bevorzugt als doppeltwirkender Aktor, insbesondere als doppeltwirkender Antriebszylinder, ausgeführt. Alternativ dazu kann der Aktor 3 als einfachwirkender Aktor, insbesondere als einfachwirkender Antriebszylinder, ausgeführt sein. Der Aktor 3 umfasst wenigstens eine Druckkammer 31, die mit Druckluft beaufschlagbar ist, um den Aktor in die verschiedenen Aktorzustände zu versetzen. Insbesondere kann das Aktorglied 11 durch die Beaufschlagung der wenigstens einen Druckkammer 31 mit Druckluft in die verschiedenen Bewegungszustände versetzt werden. Exemplarisch umfasst der Aktor 3 eine erste Druckkammer 31A und eine zweite Druckkammer 31B, die jeweils mit Druckluft beaufschlagbar sind, um den Aktor in die verschiedenen Aktorzustände zu versetzen.
  • Das pneumatische System 10 umfasst ferner eine Ventilanordnung 1 zur Bereitstellung von Druckluft an den pneumatischen Aktor 3. Die Ventilanordnung 1 umfasst wenigstens eine Ventileinrichtung 23, die mit einer Druckkammer 31 pneumatisch verbunden ist. Exemplarisch umfasst die Ventilanordnung 1 eine erste Ventileinrichtung 23A, die mit der ersten Druckkammer 31A pneumatisch verbunden ist und dazu dient, die erste Druckkammer 31A mit Druckluft zu beaufschlagen. Exemplarisch umfasst die Ventilanordnung 1 eine zweite Ventileinrichtung 23B, der mit der zweiten Druckkammer 31B pneumatisch verbunden ist und dazu dient, die zweite Druckkammer 31B mit Druckluft zu beaufschlagen. Bevorzugt ist die Ventilanordnung 1 ausgebildet, mittels der beiden Ventileinrichtungen 23A, 23B die beiden Druckkammern 31A, 31B unabhängig voneinander zu belüften und/oder zu entlüften.
  • Das pneumatische System 10 umfasst zweckmäßigerweise wenigstens einen Leitungsabschnitt 24, über den die Ventileinrichtung 23 pneumatisch mit der Druckkammer 31 verbunden ist. Exemplarisch umfasst das pneumatische System 10 einen ersten Leitungsabschnitt 24A, über den die erste Ventileinrichtung 23 pneumatisch mit der ersten Druckkammer 31A verbunden ist. Exemplarisch umfasst das pneumatische System 10 einen zweiten Leitungsabschnitt 24B, über den die zweite Ventileinrichtung 23B pneumatisch mit der zweiten Druckkammer 31B verbunden ist. Exemplarisch ist der Leitungsabschnitt 24, besondere der erste Leitungsabschnitt 24A und/oder der zweite Leitungsabschnitt 24B, Teil der Ventilanordnung 1. Alternativ kann der Leitungsabschnitt 24, besondere der erste Leitungsabschnitt 24A und/oder der zweite Leitungsabschnitt 24B, außerhalb der Ventilanordnung 1 angeordnet sein.
  • Das pneumatische System 10 umfasst eine Schwingungssensoranordnung mit wenigstens einem Schwingungssensor 4, der ausgebildet ist, Schwingungen DLS der Druckluft zu erfassen. Bei dem Schwingungssensor handelt es sich beispielsweise um einen akustischen Sensor, insbesondere um ein Mikrofon, oder um einen Drucksensor. Exemplarisch ist der Schwingungssensor 4 in oder an dem Leitungsabschnitt 24 angeordnet. Exemplarisch umfasst die Schwingungssensoranordnung einen ersten Schwingungssensor 4A, der zweckmäßigerweise in oder an dem ersten Leitungsabschnitt 24A angeordnet ist. Der erste Schwingungsensor 4A ist ausgebildet, Schwingung der Druckluft in dem ersten Leitungsabschnitt 24A zu erfassen. Exemplarisch umfasst die Schwingungssensoranordnung einen zweiten Schwingungssensor 4B, der zweckmäßigerweise in oder an dem zweiten Leitungsabschnitt 24B angeordnet ist. Der zweite Schwingungsensor 4B ist ausgebildet, Schwingung der Druckluft in dem zweiten Leitungsabschnitt 24B zu erfassen. Exemplarisch ist die Schwingungssensoranordnung Teil der Ventilanordnung 1. Alternativ kann die Schwingungssensoranordnung außerhalb der Ventilanordnung 1 angeordnet sein.
  • Bei den erfassten Schwingungen der Druckluft handelt es sich um mechanische Wellen in der Druckluft, insbesondere um Schallwellen. Die erfassten Schwingungen können auch als akustische Wellen bezeichnet werden.
  • Optional umfasst das pneumatische System 10 eine übergeordnete Steuerung 14, die beispielsweise als speicherprogrammierbare Steuerung ausgeführt ist. Die übergeordnete Steuerung 14 ist zweckmäßigerweise über einen Feldbus 16 mit der Ventilanordnung 1 verbunden. Die übergeordnete Steuerung 14 ist insbesondere ausgebildet, der Ventilanordnung 1 einen Steuerbefehl bereitzustellen, insbesondere über den Feldbus 16, um zu bewirken, dass die Ventilanordnung 1 den Aktor 3 mit der Druckluft beaufschlagt, so dass zweckmäßigerweise das Aktorglied 11 in eine mittels des Steuerbefehls vorgegebene Stellung versetzt wird.
  • Optional umfasst das pneumatische System 10 eine externe Rechnereinheit 15. Die externe Rechnereinheit 15 umfasst beispielsweise einen externen Server, insbesondere einen Cloud-Server, und/oder ein Mobilgerät, beispielsweise ein Smartphone und/oder ein Tablet. Bevorzugt ist die externe Rechnereinheit 15 mit der übergeordneten Steuerung 14 kommunikativ verbunden, insbesondere über ein Weitverkehrsnetz 17, vorzugsweise über das Internet. Alternativ oder zusätzlich kann die externe Rechnereinheit 15 mit der Ventilanordnung 1 und/oder einer Auswerteeinheit 5 kommunikativ verbunden sein, insbesondere über ein Weitverkehrsnetz, beispielsweise das Internet, und/oder über einen Feldbus.
  • Das pneumatische System 10 umfasst ferner die Auswerteeinheit 5. Die Auswerteeinheit 5 ist vorzugweise in der Feldebene 12 angeordnet. Die Auswerteeinheit 5 ist insbesondere in der Ventilanordnung 1 angeordnet. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 5 Teil der Ventilanordnung 1. Die Auswerteeinheit 5 ist zweckmäßigerweise als Rechnereinheit, insbesondere als Mikrocontroller, ausgeführt. Bevorzugt hat die Auswerteeinheit 5 eine Leistungsaufnahme von weniger als 10 Watt oder weniger als 1 Watt.
  • Die Auswerteeinheit 5 ist ausgebildet, gemäß einem Spektrumsignal SPS einen aktuellen Systemzustand des Systems 10 aus mehreren möglichen Systemzuständen SZ zu ermitteln. Das Spektrumsignal SPS stellt den zeitlichen Verlauf des Spektrums, insbesondere des Frequenzspektrums, der erfassten Schwingungen DLS der Druckluft dar. Das Spektrumsignal SPS zeigt insbesondere an, wie sich die Frequenzanteile der erfassten Schwingungen DLS über der Zeit verändern.
  • Die 2 zeigt eine vordefinierte Sequenz SQ von möglichen Systemzuständen SZ, die das pneumatische System 10 annehmen kann. Die vordefinierte Sequenz SQ kann auch als Reihenfolge bezeichnet werden. Die vordefinierte Sequenz SQ ist bevorzugt in der Auswerteeinheit 5 hinterlegt.
  • Jeder Systemzustand SZ stellt einen Sequenzeintrag der Sequenz SQ dar. Jeder Systemzustand SZ nimmt in der Sequenz SQ eine jeweilige Stelle ein. Die Systemzustände SZ umfassen einen ersten Systemzustand SZ1, der an erster Stelle der Sequenz SQ steht. Die Systemzustände SZ umfassen ferner einen letzten Systemzustand SZ5, der an letzter Stelle der Sequenz steht. Exemplarisch handelt es sich bei dem letzten Systemzustand SZ5 um den fünften Systemzustand SZ5. Die Systemzustände SZ umfassen ferner einen oder mehrere weitere Systemzustände, die in der Sequenz SQ zwischen dem ersten Systemzustand SZ1 und dem letzten Systemzustand SZ5 angeordnet sind. Jeder Systemzustand SZ (außer dem ersten Systemzustand SZ1) hat in der Sequenz SQ einen, insbesondere genau einen, Systemzustand SZ als Nachfolger. Jeder Systemzustand SZ (außer dem letzten Systemzustand SZ5) hat in der Sequenz SQ einen, insbesondere genau einen, Systemzustand SZ als Vorgänger. Rein exemplarisch umfasst die Sequenz SQ fünf Systemzustände SZ: den ersten Systemzustand SZ1, den zweiten Systemzustand SZ2, den dritten Systemzustand SZ3, den vierten Systemzustand SZ4 und den fünften Systemzustand SZ5. Exemplarisch befindet sich der erste Systemzustand SZ1 an erster Stelle der Sequenz SQ, der zweite Systemzustand SZ2 befindet sich an zweiter Stelle der Sequenz SQ, der dritte Systemzustand SZ3 befindet sich an dritter Stelle der Sequenz SQ, der vierte Systemzustand SZ4 befindet sich an vierter Stelle der Sequenz SQ und der fünfte Systemzustand SZ5 befindet sich an fünfter Stelle der Sequenz SQ.
  • Bevorzugt umfassen die Systemzustände SZ einen Belüftungs- und/oder Entlüftungszustand, in dem eine Druckkammer 31 des Aktors 3 belüftet oder entlüftet wird, einen Bewegungszustand, in dem sich das Aktorglied 11 des Aktors bewegt, einen Bremszustand, in dem das Aktorglied 11 gebremst wird, und/oder einen Ruhezustand, in dem sich das Aktorglied 11 nicht bewegt. Bevorzugt umfassen die Systemzustände SZ ferner einen Ansteuerungszustand, in dem eine Ventileinrichtung 23 angesteuert wird.
  • Exemplarisch ist der erste Systemzustand SZ1 der Ansteuerungszustand. Exemplarisch ist der zweite Systemzustand SZ2 der Belüftungs- und/oder Entlüftungszustand. Exemplarisch ist der dritte Systemzustand SZ3 der Bewegungszustand. Exemplarisch ist der vierte Systemzustand der Bremszustand. Exemplarisch ist der fünfte Bewegungszustand der Ruhezustand.
  • Die Sequenz SQ bildet zweckmäßigerweise die nacheinander auftretenden Zustände während eines Aktuierungsvorgangs des Aktors 3 ab. Der Aktuierungsvorgang beginnt mit dem Ansteuerungszustand, bei dem die Ventilanordnung 1 die Ventileinrichtung 23 mit einem Ansteuersignal ANS ansteuert, um zu bewirken, dass die Ventileinrichtung 23 die Druckkammer 31 belüftet oder entlüftet. Das Ansteuersignal ANS bewirkt insbesondere ein Schalten der Ventileinrichtung 23. Exemplarisch steuert im Ansteuerungszustand die Ventilanordnung 1 die erste Ventileinrichtung 23A mit einem ersten Ansteuersignal an, um zu bewirken, dass die erste Ventileinrichtung 23A die erste Druckkammer 31A belüftet. Optional steuert im Ansteuerungszustand die Ventilanordnung 1 die zweite Ventileinrichtung 23B mit einem zweiten Ansteuersignal an, um zu bewirken, dass die zweite Ventileinrichtung 23B die zweite Druckkammer 31B entlüftet. Alternativ erfolgt die Entlüftung der zweiten Druckkammer 31B in Ansprechen auf das erste Ansteuersignal und/oder ohne eigenes Ansteuersignal. Insbesondere wird das Entlüften der zweiten Druckkammer 31B bei und/oder durch das Entlüften der ersten Druckkammer 31A bewirkt.
  • Der Aktuierungsvorgang fährt mit dem Belüftungs- und/oder Entlüftungszustand fort, bei dem die durch das Ansteuersignal ANS bewirkte Belüftung und/oder Entlüftung erfolgt. Exemplarisch wird im Belüftungs- und/oder Entlüftungszustand die erste Druckkammer 31A belüftet und/oder die zweite Druckkammer 31B entlüftet.
  • Der Aktuierungsvorgang fährt mit dem Bewegungszustand fort, bei dem sich das Aktorglied 11 aufgrund des Belüftens der ersten Druckkammer 31A und/oder des Entlüftens der zweiten Druckkammer 31B in Bewegung befindet.
  • Der Aktuierungsvorgang fährt mit dem Bremszustand fort. Exemplarisch nähert sich das Aktorglied 11 bei dem Bremszustand einer Endposition, insbesondere einem Endanschlag, und wird insbesondere pneumatisch gebremst. Beispielsweise wird die Entlüftung der zweiten Druckkammer 31B reduziert und/oder gestoppt, so dass die in der zweiten Druckkammer 31B verbleibende Druckluft die Bewegung des Aktorglieds 11 bremst.
  • Der Aktuierungsvorgang fährt mit dem Ruhezustand fort. Exemplarisch befindet sich das Aktorglied 11 in dem Ruhezustand in der Endposition und liegt zweckmäßierweise an dem Endanschlag an.
  • Zweckmäßigerweise endet der Aktuierungsvorgang mit dem Ruhezustand.
  • Der Aktuierungsvorgang kann auch als erster Aktuierungsvorgang bezeichnet werden. An den ersten Aktuierungsvorgang schließt sich zweckmäßigerweise ein zweiter Aktuierungsvorgang an, bei dem zweckmäßigerweise wieder die Systemzustände SZ durchlaufen werden. Exemplarisch wird bei dem zweiten Aktuierungsvorgang das Aktorglied 11 in eine andere Bewegungsrichtung bewegt als beim ersten Aktuierungsvorgang. Zweckmäßigerweise wird beim zweiten Aktuierungsvorgang die zweite Druckkammer 31B belüftet und/oder die erste Druckkammer 31A entlüftet.
  • Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, auf Basis des Spektrumsignals SPS den aktuellen Systemzustand SZ zu erkennen. Die Systemzustände SZ, insbesondere der zweite, dritte, vierte und/oder fünfte Systemzustand erzeugen jeweils unterschiedliche Schwingungen der Druckluft, so dass die Auswerteeinheit 5 anhand der erfassten Schwingungen den aktuelle Systemzustand erkennen kann. Exemplarisch erkennt die Auswerteeinheit 5 anhand der erfassten Schwingungen der Druckluft - insbesondere auf Basis des Spektrumsignals - welcher aus dem zweiten, dritten, vierten und/oder fünften Systemzustand aktuell vorliegt. Den ersten Systemzustand SZ1 erkennt die Auswerteeinheit 5 zweckmäßigerweise nicht auf Basis des Spektrumsignals sondern auf Basis des Ansteuersignals ANS.
  • Bevorzugt stellt die Auswerteeinheit 5 auf Basis des erkannten Systemzustands ein Systemzustandssignal SZS bereit, das den ermittelten Systemzustand anzeigt. Insbesondere umfasst das Systemzustandssignal SZS eine Abfolge von nacheinander ermittelten Systemzuständen. Jeder ermittelte Systemzustand wird durch eine jeweilige Systemzustandsinformation repräsentiert insbesondere durch einen jeweiligen Code. Der Code kann auch als Label bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise überträgt die Auswerteeinheit 5 das Systemzustandssignal an die Ventilanordnung 1, die übergeordnete Steuerung 14, die externe Rechnereinheit 15 und/oder ein Feldgerät, beispielsweise eine weitere Ventilanordnung.
  • Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, den aktuellen Systemzustand SZ unter Berücksichtigung der vordefinierten Sequenz SQ zu ermitteln. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, auf Basis der vordefinierten Sequenz SZ und eines zuletzt ermittelten Systemzustands LSZ denjenigen Systemzustand als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, der in der vordefinierten Sequenz SQ auf den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt. In der 2 ist beispielsweise der dritte Systemzustand SZ3 der zuletzt ermittelte Systemzustand LSZ. Gemäß der Sequenz SQ hat der dritte Systemzustand SZ3 genau einen Nachfolger und zwar den vierten Systemzustand SZ4. Die Auswerteeinheit 5 ist ausgebildet, diesen Aspekt bei der Ermittlung des aktuellen Systemzustands auf Basis des Spektrumsignals zu berücksichtigen. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, auf Basis des Spektrumssignals SPS nur denjenigen Systemzustand als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, der in der Sequenz SQ auf den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt. Zweckmäßigerweise ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ zu speichern und bei der Ermittlung des aktuellen Systemzustands zu berücksichtigen.
  • Beispielsweise ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass die Auswerteeinheit 5 auf Basis des Spektrumsignals SPS denjenigen Systemzustand erkennt, der in der Sequenz SQ dem zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt, den auf Basis des Spektrumsignals erkannten Systemzustand als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln. Zweckmäßigerweise ist die Auswerteeinheit 5 ferner ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass die Auswerteeinheit 5 auf Basis des Spektrumsignals SPS einen Systemzustand erkennt, der in der Sequenz SQ nicht dem zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt, den erkannten Systemzustand nicht als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln.
  • Die Auswerteeinheit 5 ist insbesondere ausgebildet, durch die Berücksichtigung der Sequenz SQ die auf Basis des Spektrumsignals erkannten Systemzustände einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen und gegebenenfalls zu verwerfen, falls ein erkannter Systemzustand nicht der Sequenz SQ entspricht und somit die Plausibilitätsprüfung nicht besteht. Ein erkannter Systemzustand, der die Plausibilitätsprüfung besteht, soll als ermittelter Systemzustand bezeichnet werden. Insbesondere soll als ermittelter Systemzustand derjenige Systemzustand bezeichnet werden, der in dem Systemzustandssignal SZS bereitgestellt wird.
  • Die erkannten Systemzustände, die noch nicht von der Auswerteeinheit 5 auf Basis der Sequenz SQ geprüft wurden, können auch als Systemzustand-Kandidaten bezeichnet werden. Die Auswerteeinheit 5 wählt auf Basis der Sequenz SQ und insbesondere des zuletzt ermittelten Systemzustands LSZ einen der Systemzustand-Kandidaten aus und stellt ihn als den aktuellen ermittelten Systemzustand bereit, insbesondere in dem Systemzustandssignal SZS. Die Auswerteeinheit 5 stellt die nicht ausgewählten Systemzustand-Kandidaten zweckmäßigerweise nicht in dem Systemzustandssignal SZS bereit, sondern verwirft diese zweckmäßigerweise.
  • Die 3 zeigt eine Anordnung, die die Auswerteeinheit 5 gemäß einer ersten Variante und den Schwingungsensor 4 umfasst.
  • Der Schwingungssensor 4 erfasst die Schwingungen der Druckluft DLS und gibt auf Basis der erfassten Schwingungen ein Schwingungssignal SWS aus. Das Schwingungssignal SWS ist beispielsweise ein analoges oder digitales elektrisches Signal, das die Schwingungen der Druckluft abbildet.
  • Bevorzugt stellt der erste Schwingungssensor 4A ein erstes Schwingungssignal bereit und der zweite Schwingungssensor 4B stellt ein zweites Schwingungssignal bereit.
  • Die Auswerteeinheit 5 umfasst eine Transformationseinheit 18, die ausgebildet ist, auf Basis des Schwingungssignals SWS das Spektrumsignal SPS bereitzustellen. Insbesondere ist die Transformationseinheit 18 ausgebildet, eine Transformation des Schwingungssignals von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne durchzuführen, um das Spektrumsignal SPS bereitzustellen. Insbesondere ist die Transformationseinheit 18 ausgebildet, eine Fouriertransformation, exemplarisch eine Short-Time-Fourier-Transformation, STFT, des Schwingungssignals SWS durchzuführen, um das Spektrumsignal SPS bereitzustellen.
  • Die Transformationseinheit 18 ist insbesondere ausgebildet, das Schwingungssignal SWS in eine Vielzahl von aufeinander folgende Zeitfenster zu unterteilen und für jedes Zeitfenster eine vorgenannte Transformation in die Frequenzdomäne durchzuführen, um für jedes Zeitfenster ein jeweiliges Spektrum zu berechnen. Die Transformationseinheit 18 ist insbesondere ausgebildet, eine zeitliche Abfolge der berechneten Spektren als das Spektrumsignal SPS bereitzustellen. Jedes Spektrum umfasst zweckmäßigerweise eine Mehrzahl von Signalwerten, wobei jeder Signalwert einen jeweiligen Frequenzanteil representiert. Beispielsweise gibt jeder Signalwert die Amplitude eines jeweiligen Frequenzbands an. Exemplarisch umfasst das Spektrumsignal 5 bis 200 Frequenzbänder. Jedes Spektrum umfasst also vorzugsweise 5 bis 200 Signalwerte, wobei jeder Signalwert ein jeweiliges Frequenzband repräsentiert.
  • Exemplarisch ist die Transformationseinheit 18 ausgebildet, auf Basis des ersten Schwingungssignals ein erstes Spektrumsignal zu berechnen, insbesondere auf vorstehend erläuterte Weise. Exemplarisch ist die Transformationseinheit 18 ausgebildet, auf Basis des zweiten Schwingungssignals ein zweites Spektrumsignal zu berechnen, insbesondere auf vorstehend erläuterte Weise.
  • Die Auswerteeinheit 5 umfasst eine Verarbeitungseinheit 6, die ausgebildet ist, auf Basis des Spektrumsignals SPS, insbesondere auf Basis des ersten Spektrumsignals und/oder des zweiten Spektrumsignals, den aktuellen Systemzustand zu ermitteln.
  • Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 5, insbesondere die Verarbeitungseinheit 6, ausgebildet, unter Verwendung einer Künstliche-Intelligenz-Komponente, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, den aktuellen Systemzustand auf Basis des Spektrumsignals SPS, insbesondere auf Basis des ersten Spektrumsignals und/oder des zweiten Spektrumsignals, zu ermitteln.
  • Bevorzugt umfasst die Verarbeitungseinheit 6, insbesondere die Künstliche-Intelligenz-Komponente, mehrere, exemplarisch vier, Klassifikatoren erster Art 8. Die Klassifikatoren erster Art 8 können vorzugsweise als Einzel-Klassifikator bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise ist jeder Klassifikator erster Art 8 ein jeweiliges künstliches neuronales Netz. Rein exemplarisch sind die folgenden Klassifikatoren 8 vorhanden: ein erster Klassifikator erster Art 8A, ein zweiter Klassifikator erster Art 8B, ein dritter Klassifikator erster Art 8C und/oder ein vierter Klassifikator erster Art 8D.
  • Jeder Klassifikator 8 ist für die Erkennung eines jeweiligen, insbesondere nur eines einzigen, Systemzustands SZ der möglichen Systemzustände ausgebildet, insbesondere trainiert. Exemplarisch ist der erster Klassifikator 8A für die Erkennung des zweiten Systemzustands SZ2, insbesondere nur für die Erkennung des zweiten Systemzustands SZ2, trainiert. Exemplarisch ist der zweite Klassifikator 8B für die Erkennung des dritten Systemzustands SZ3, insbesondere nur für die Erkennung des dritten Systemzustands SZ3, trainiert.
  • Exemplarisch ist der dritte Klassifikator 8C für die Erkennung des vierten Systemzustands SZ4, insbesondere nur für die Erkennung des vierten Systemzustands SZ4, trainiert. Exemplarisch ist der vierte Klassifikator 8D für die Erkennung des fünften Systemzustands SZ5, insbesondere nur für die Erkennung des fünften Systemzustands SZ5, trainiert.
  • Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, auf Basis der Sequenz SQ und in Ansprechen auf einen zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ denjenigen Klassifikator 8 zu aktivieren, der für die Erkennung desjenigen Systemzustands SZ trainiert ist, der in der Sequenz SQ auf den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt, und/oder andere Klassifikatoren 8 zu deaktivieren. Die anderen Klassifikatoren 8 sind insbesondere für die Erkennung derjenigen Systemzustände trainiert, die in der Sequenz SQ nicht auf den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgen. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, nur denjenigen Klassifikator 8 der für denjenigen Systemzustand trainiert ist, der in der Sequenz SQ auf den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt, zu aktivieren und alle anderen Klassifikatoren erster Art 8 zu deaktivieren. Die Auswerteeinheit 5 aktiviert also zweckmäßigerweise stets nur denjenigen Klassifikator erster Art 8, der demjenigen Systemzustand SZ zugeordnet ist, der gemäß der Sequenz SQ als nächster Systemzustand SZ in Frage kommt.
  • Insbesondere ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, das Spektrumssignals SPS nur auf denjenigen Systemzustand SZ hin zu prüfen, der in der Sequenz SQ auf den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt, und insbesondere nicht auf die anderen Systemzustände SZ hin zu prüfen. Die Auswerteeinheit 5 ist insbesondere ausgebildet, das Spektrumssignal SPS zu jedem Zeitpunkt nur auf einen einzigen Systemzustand SZ hin zu prüfen, insbesondere mittels nur eines einzigen Klassifikators 8. Vorzugsweise ist zu jedem Zeitpunkt maximal ein einziger Klassifikator 8 aktiviert und die anderen Klassifikatoren 8 sind deaktiviert.
  • Wenn beispielsweise der zuletzt ermittelte Systemzustand LSZ der dritte Systemzustand SZ3 ist, dann prüft die Auswerteinheit 5 das Spektrumsignal SPS nur in Bezug auf den vierten Systemzustand SZ4, und vorzugsweise nicht in Bezug auf den fünften Systemzustand SZ5, den zweiten Systemzustand SZ2 und/oder den dritten Systemzustand SZ3. Wenn der dritte Systemzustand SZ3 als aktueller Systemzustand ermittelt wurde und somit der zuletzt ermittelte Systemzustand ist, dann aktiviert die Auswerteeinheit 5 in Ansprechen auf den dritten Systemzustand SZ3 als zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ den dritten Klassifikator 8C und deaktiviert vorzugsweise die anderen Klassifikatoren 8A, 8B, 8D. In Ansprechen darauf, dass die Auswerteeinheit 5, insbesondere der aktivierte dritte Klassifikator 8C, als den aktuellen Systemzustand den vierten Systemzustand SZ4 ermittelt - also dass der zuletzt ermittelte Systemzustand der vierte Systemzustand SZ4 ist - aktiviert die Auswerteeinheit 5 den vierten Klassifikator 8D und deaktiviert vorzugsweise die anderen Klassifikatoren 8A, 8B, 8C. In Entsprechung dazu verfährt die Auswerteeinheit 5 in Ansprechen darauf, dass die anderen Systemzustände, also insbesondere der erste Systemzustand SZ1 und/oder der zweite Systemzustand SZ2 der zuletzt ermittelte Systemzustand LSZ sind.
  • In der 4 ist eine Auswerteeinheit 5 gemäß einer zweiten Variante gezeigt. Bis auf die nachstehend diskutierten Unterschiede ist die zweite Variante vorzugsweise wie die vorstehend erläuterte erste Variante ausgebildet, so dass insoweit die vorstehend erläuterten Merkmale zweckmäßigerweise auch für die zweite Variante gelten.
  • Die zweite Variante unterscheidet sich von der ersten Variante insbesondere dadurch, dass die Auswerteeinheit 5, insbesondere die Künstliche-Intelligenz-Komponente, einen Klassifikator zweiter Art 9 umfasst, der für die Erkennung mehrerer Systemzustände SZ trainiert ist. Exemplarisch umfasst die Auswerteeinheit 5 gemäß der zweiten Variante keinen Klassifikator erster Art 8. Der Klassifikator zweiter Art 9 kann auch als Multi-Klassifikator bezeichnet werden. Der Klassifikator 9 ist vorzugsweise ein künstliches neuronales Netz. Der Klassifikator 9 ist insbesondere ausgebildet, auf Basis des Spektrumsignals SPS, insbesondere des ersten Spektrumsignals und/oder des zweiten Spektrumsignals, den zweiten Systemzustand SZ2, den dritten Systemzustand SZ3, den vierten Systemzustand SZ4 und/oder den fünften Systemzustand SZ5 zu erkennen.
  • Zweckmäßigerweise ist der Klassifikator 9 ausgebildet, das Spektrumsignal SPS auf mehrere Systemzustände hin zu prüfen, insbesondere zu jedem Zeitpunkt.
  • Die Auswerteeinheit 5 umfasst exemplarisch eine Zustandseinheit 19. Die Auswerteeinheit 5, insbesondere die Zustandseinheit 19, ist ausgebildet, auf Basis der Sequenz SQ einen von dem Klassifikator 9 erkannten Systemzustand nicht als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, falls der erkannte Systemzustand in der Sequenz SQ nicht auf den zuletzt ermittelten Systemzustand LSZ folgt.
  • Zweckmäßigerweise erkennt der Klassifikator 9 auf Basis des Spektrumsignals SPS, insbesondere auf Basis des ersten Spektrumsignals und/oder des zweiten Spektrumsignals, mehrere Systemzustände und stellt diese als Systemzustand-Kandidaten bereit. Die Zustandseinheit 19 prüft die Systemzustand-Kandidaten auf Basis der Sequenz SQ und des zuletzt ermittelten Systemzustands LSZ und stellt als den aktuellen ermittelten Systemzustand denjenigen Systemzustand-Kandidaten bereit, der in der Sequenz SQ auf den zuletzt ermittelten Systemzustand folgt. Die Zustandseinheit 19 stellt den aktuellen ermittelten Systemzustand insbesondere in dem Systemzustandsignal bereit.
  • Exemplarisch empfängt die Auswerteeinheit 5 das Ansteuersignal ANS, mit dem die Ventileinrichtung 23 angesteuert wird. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, bei der Erkennung des aktuellen Systemzustands das Ansteuersignal ANS zu berücksichtigen, gemäß dem die Ventilanordnung 1 die Druckluft bereitstellt. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, in Ansprechen auf das Ansteuersignal ANS den ersten Systemzustand SZ1 als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, insbesondere unabhängig von dem Spektrumsignal SPS. Der erste Systemzustand SZ1 ist vorzugsweise in der Sequenz SQ an erster Stelle angeordnet. Die Auswerteeinheit 5 ist insbesondere ausgebildet, das Ansteuersignal ANS als Zurücksetz-Signal, also als ResetSignal, zu verwenden, und in Ansprechen auf das Ansteuersignal ANS in Bezug auf die Ermittlung des Systemzustands zu dem ersten Systemzustand SZ1 zurückzukehren, also insbesondere den zuletzt erkannten Systemzustand LSZ auf den ersten Systemzustand SZ1 zu setzen. Optional kann die Auswerteeinheit 5 ausgebildet sein, bei der Ermittlung des ersten Systemzustands SZ1 auf Basis des Ansteuersignals ANS die Sequenz SQ zu ignorieren. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, in Ansprechen auf das Ansteuersignal ANS den ersten Systemzustand als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, unabhängig davon, welcher Systemzustand der zuletzt ermittelte Systemzustand LSZ ist.
  • Die Klassifikatoren 8 und/oder der Klassifikator 9 können zweckmäßigerweise mittels eines Testaufbaus trainiert werden, insbesondere empirisch. Beispielsweise kann der Testaufbau Positionssensoren aufweisen, mit denen die Position des Aktorglieds 11 - und dadurch die Systemzustände SZ2, SZ3, SZ4 und/oder SZ5 - direkt ermittelt werden kann. Ferner kann der Testaufbau eine Schwingungssensoranordnung aufweisen. Auf Basis der mittels den Positionssensoren erfassten Systemzustände und der mit der Schwingungsensoranordnung erfassten Schwingungen der Druckluft können dann die Klassifikatoren 8 und/oder 9 trainiert werden, um auf Basis der erfassten Schwingungen die Systemzustände zu erkennen.
  • Die 5 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung der Ventilanordnung 1. Die Ventilanordnung 1 ist insbesondere als Ventilinsel ausgeführt. Die Ventilanordnung 1 umfasst einen Anschlussabschnitt 21 und eine Mehrzahl von auf dem Anschlussabschnitt 21 nebeneinander angeordneten Ventileinheiten 22. Der Anschlussabschnitt 21 ist insbesondere plattenförmig ausgeführt und kann als Anschlussplatte bezeichnet werden. Die flächenmäßig größte Seite des Anschlussabschnitts 21 ist exemplarisch horizontal ausgerichtet und stellt zweckmäßigerweise die Oberseite des Anschlussabschnitts 21 dar. Der Anschlussabschnitt 21 verfügt insbesondere an der Oberseite über eine Mehrzahl von insbesondere horizontal nebeneinander angeordneten Bestückungsplätzen, an denen die Ventileinheiten 22 angebracht sind. Der Anschlussabschnitt 21 verfügt an einer insbesondere senkrecht zur Oberseite ausgerichteten Vorderseite 32 über eine Mehrzahl von Arbeitsausgängen 2, an denen Druckluft bereitgestellt und/oder abgelassen werden kann und an die ein oder mehrere Aktoren 3 angeschlossen werden können. Exemplarisch sind die Arbeitsausgänge 2 in zwei übereinander angeordneten Reihen angeordnet. Zwei übereinander angeordnete Arbeitsausgänge 2 sind zweckmäßigerweise einer jeweiligen Ventileinheit 22 zugehörig.
  • Exemplarisch ist der Schwingungssensor 4, insbesondere der erste Schwingungssensor 4A und/oder der zweite Schwingungssensor 4B, in dem Anschlussabschnitt 21 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Schwingungssensor 4, insbesondere der erste Schwingungssensor 4A und/oder der zweite Schwingungsensor 4B in einer oder mehreren Ventileinheiten 22 angeordnet sein.
  • Die Ventileinheiten 22 sind insbesondere als Ventilmodule ausgeführt und vorzugsweise plattenförmig. Die Ventileinheiten 22 sind in einer horizontalen Aufreihungsrichtung nebeneinander angeordnet. Zweckmäßigerweise sind die Ventileinheiten 22 mit ihrer jeweils flächenmäßig größten Seite vertikal ausgerichtet. Die Ventileinheiten 22 können auch als Ventilscheiben bezeichnet werden.
  • Zweckmäßigerweise umfasst jede Ventileinheit 22 eine oder zwei Ventileinrichtungen 23. Jede Ventileinrichtung 23 ist zweckmäßigerweise einem jeweiligen Arbeitsausgang 2 zugeordnet und mit dem jeweils zugeordneten Arbeitsausgang 2 pneumatisch verbunden, insbesondere über einen jeweiligen Leitungsabschnitt. Optional kann eine oder mehrere Ventileinheiten 22 über eine integrierte Auswerteeinheit 5 verfügen. Beispielsweise verfügt eine Ventileinheit 22 über ein Modulgehäuse 33, in dem eine oder zwei Ventileinrichtungen 23 sowie die Auswerteeinheit 5 angeordnet sind.
  • Optional umfasst die Ventilanordnung 1 einen Steuerabschnitt 34, der exemplarisch auf dem Anschlussabschnitt 21 angeordnet ist, insbesondere neben einer Ventileinheit 22. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann die Auswerteeinheit 5 in dem Steuerabschnitt 34 angeordnet sein. Der Steuerabschnitt 34 ist insbesondere als Steuermodul ausgeführt.
  • Bevorzugt kann bei dem pneumatischen System 10 der aktuelle Systemzustand gemäß einem Verfahren mit den folgenden Schritten ermittelt werden. In einem ersten Schritt wird mittels der Ventilanordnung 1 Druckluft an den pneumatischen Aktor 3 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt werden Schwingungen DLS der bereitgestellten Druckluft erfasst. In einem dritten Schritt wird der aktuelle Systemzustand gemäß einem Spektrumsignal SPS ermittelt, das den zeitlichen Verlauf des Spektrums der erfassten Schwingungen DLS darstellt.
  • Nachstehend sollen weitere exemplarische Details erläutert werden.
  • Das Spektrumsignal SPS umfasst insbesondere Zeitserien-Daten. Das Spektrumsignal SPS basiert insbesondere auf akustischen Signalen - den Schwingungen der Druckluft - die zweckmäßigerweise aus Ventilen - insbesondere den Ventileinrichtungen 23 und/oder den Ventileinheiten 22 - gewonnen werden.
  • Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, für die Erkennung der Systemzustände Merkmale (Features) in dem Spektrumsignal SPS zu erkennen, insbesondere zu extrahieren.
  • Die Ermittlung des aktuellen Systemzustands erfolgt zweckmäßigerweise in der Feldebene 12, insbesondere direkt in der Ventileinheit 22 und/oder direkt in der Ventilanordnung 1, insbesondere einer Ventilinsel. Die Ermittlung des aktuellen Systemzustands erfolgt insbesondere mittels Edge-Computing.
  • Das von der Schwingungssensoranordnung bereitgestellte Schwingungssignal SWS wird durch die Auswerteeinheit 5 in ein Systemzustandssignal SZS gewandelt. Das Systemzustandssignal SZS umfasst zweckmäßigerweise eine Abfolge von erkannten Systemzuständen, optional mit jeweils zugeordnetem Zeitstempel. Die Datenrate, insbesondere die Bandbreite, des Systemzustandssignals SZS ist zweckmäßigerweise geringer als die Datenrate, insbesondere Bandbreite, des Spektrumsignals SPS und/oder des Schwingungssignals SWS. Die Systemzustände werden in dem Systemzustandssignal SZS insbesondere durch jeweilige Label repräsentiert.
  • Zweckmäßigerweise umfasst die Ventileinrichtung 23 ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit einer Spule. Der erste Systemzustand SZ1 ist insbesondere derjenige Zustand, bei dem ein Spulen-Bit, das dem Ventil zugeordnet ist, gesetzt ist. Zweckmäßigerweise schaltet das Ventil in dem ersten Systemzustand SZ1.
  • Beim vierten Systemzustand SZ4 ist zweckmäßigerweise eine Zylinderbremse aktiv, die das Aktorglied 11 bremst.
  • Beim fünften Systemzustand SZ5 kann beispielsweise Stille herrschen.
  • Die Auswerteeinheit 5 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, das Schwingungssignal SWS einer Fourier-Transformation, insbesondere einer Short-Time-Fourier-Transformation, STFT, zu unterziehen. Bei dem Schwingungssignal SWS handelt es sich insbesondere um einen Mikrofonpegel. Beispielsweise wird an den Leitungsabschnitten 24A, 24B, insbesondere am Zuluft- und Abluftkanal einer Ventileinrichtung 23, ein jeweiliges Schwingungssignal SWS erfasst.
  • Zweckmäßigerweise gewichtet die Auswerteeinheit 5 die durch die Fourier-Transformation gewonnenen Daten, insbesondere mittels einer Filterung, beispielsweise einer Filterung gemäß der MEL-Skala. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, eine Reduktion der Anzahl der Frequenzbänder, z.B. durch Binning, durchzuführen.
  • Bevorzugt stellt die Auswerteeinheit 5 das Ergebnis der vorstehend erläuterten Signaverarbeitungen als das Spektrumsignal SPS bereit. Das Spektrumsignal SPS liegt insbesondere in Form einer Zeitserie von zeitlich aufeinander folgenden Spektren vor. Das Spektrumsignal SPS enthält Merkmale, anhand derer die verschiedenen Systemzustände SZ erkannt werden können.
  • Zweckmäßigerweise kann im pneumatischen System 10 zu jedem Zeitpunkt nur ein einziger Systemzustand vorliegen. Die Auswerteeinheit 5 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, dies bei der Ermittlung des aktuellen Systemzustands zu berücksichtigen, also insbesondere für jeden Zeitpunkt nur einen jeweiligen Systemzustand als den aktuellen ermittelten Systemzustand bereitzustellen.
  • Bei der in der 3 gezeigten ersten Variante ist die Verarbeitungseinheit 6 zweckmäßigerweise als Zustandsmaschine mit mehreren Long-Short-Term-Memory-Klassifikatoren (LSTMs) ausgeführt. Jeder Klassifikator erster Art 8 ist zweckmäßigerweise ein Long-Short-Term-Memory-Klassifikator. Exemplarisch sind die Klassifikatoren erster Art 8 unabhängig voneinander und jeweils für die Erkennung von genau einem Zustand zuständig. Insbesondere ist jeder Klassifikator erster Art 8 ausgebildet, eine binäre Klassifikation durchzuführen.
  • Zweckmäßigerweise kann bei der Auswerteeinheit 5 gemäß der ersten Variante kein ermittelter Systemzustand übersprungen werden. Beispielsweise ist ein direkter Wechsel von dem ermittelten zweiten Systemzustand SZ2 zu dem ermittelten vierten Systemzustand (ohne den dritten Systemzustand SZ3 dazwischen zu ermitteln) nicht möglich. Ferner ist zweckmäßigerweise kein direkter Wechsel zu einem (in der Sequenz SQ) vorherigen Systemzustand möglich. Beispielsweise kann nicht direkt von dem ermittelten Systemzustand SZ4 zu dem ermittelten Systemzustand SZ3 gewechselt werden.
  • Zweckmäßigerweise wird pro Zeitfenster der STFT nur eine Klassifikation durchgeführt, also insbesondere nur ein Systemzustand erkannt. Bevorzugt werden die Schwingungen DLS der Druckluft mit einer Abtastfrequenz f abgetastet. Ferner wird für die STFT vorzugsweise eine Fensterbreite s verwendet. Der minimale zeitliche Abstand t zwischen zwei verschiedenen ermittelbaren Systemzuständen beträgt zweckmäßigerweise t = s/f.
  • Optional ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, automatisch die Fensterbreite s anzupassen.
  • Bei der ersten Variante ist die insbesondere als Zustandsautomat ausgeführte Verarbeitungseinheit 6 zweckmäßigerweise ausgebildet, die Aktivierung, insbesondere die Ausführung, der Klassifikatoren erster Art 8 zu steuern, insbesondere derart, dass die Klassifikatoren erster Art 8 nacheinander aktiviert, insbesondere ausgeführt, werden. Zweckmäßigerweise wird der Wechsel von dem letzten Systemzustand SZ5 zu dem ersten Systemzustand SZ1 nicht mittels eines Klassifikators sondern auf Basis des Ansteuersignals ANS, insbesondere auf Basis eines Ventilspule-Bits, bewirkt.
  • Bei der in der 4 gezeigten zweiten Variante existiert zweckmäßigerweise nur ein Klassifikator 9, der die Systemzustände SZ2, SZ3, SZ4 und SZ5 erkennt. Der Klassifikator 9 ist insbesondere ausgebildet, eine kategorische Klassifikation durchzuführen. Die Auswerteeinheit 5, insbesondere die Zustandseinheit 19, beispielsweise eine Zustandsmaschine, beurteilt die Klassifikationsergebnisse des Klassifikators 9 und entscheidet auf Basis des zuletzt ermittelten Systemzustands und der Sequenz SQ, ob ein Klassifikationsergebnis gültig ist oder nicht.
  • Zweckmäßigerweise kann bei der zweiten Variante ein Zustandswechsel durch Überspringen vorkommen und behandelt werden (z.B. ein Wechsel von dem ermittelten zweiten Systemzustand SZ2 zu dem ermittelten vierten Systemzustand SZ4 innerhalb eines Zeitfensters durch schnelle Verfahrzeiten). Ferner können bei der zweiten Variante von dem Klassifikator 9 ungültige Systemzustände erkannt werden und durch die Zustandseinheit 19 abgefangen oder verhindert werden (z.B. ein Wechsel von dem ermittelten vierten Systemzustand SZ4 zurück zu dem dritten Systemzustand SZ3).
  • Bei der zweiten Variante kann der Klassifikator 9 auch ungültige Systemzustände erkennen. Durch die Zustandseinheit 19 werden die ungültigen Systemzustände verworfen. Die Auswerteeinheit 5 stellt nur diejenigen von dem Klassifikator 9 erkannten Systemzustände als ermittelte aktuelle Systemzustände bereit, die die Zustandseinheit 19 für gültig befunden hat.
  • Das Ansteuersignal ANS, beispielsweise ein Spulen-Bit, wird zweckmäßigerweise dazu genutzt, um die insbesondere als Zustandsautomat ausgeführte Zustandseinheit 19 zurückzusetzen. Beispielsweise kann es vorkommen, dass das Aktorglied 11 vor Erreichen der Endlage zurückgefahren wird, so dass der Systemzustand SZ4 und/oder SZ5 nicht eintritt. Durch das Ansteuersignal ANS wird die Zustandseinheit 19 zurück auf den ersten Systemzustand SZ1 gesetzt.
  • Zweckmäßigerweise umfasst die Auswerteeinheit 5 Algorithmik und ist insbesondere in die Hardware, beispielsweise eine Ventilinsel, integriert. Insbesondere wird die Ventilinsel als Situation-Aware-Hardware bereitgestellt.
  • Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit 5 ausgebildet, auf Basis von erfassten Systemzuständen eine Verfahrzeit des Aktorglieds 11 zu messen und/oder eine Endlage zu erkennen. Ferner ist die Auswerteeinheit 5 vorzugsweise ausgebildet, auf Basis der Systemzustände eine Druckluft-Leckage zu erkennen und/oder eine Predictive-Maintenance-Funktion bereitzustellen.
  • Bevorzugt kann durch die Systemzustandsermittlung auf Basis von erfassten Schwingungen der Druckluft Sensorik wie ein Näherungsschalter oder ein Positionssensor ersetzt werden. Beispielsweise verfügt der Aktor 3 über keinen Näherungsschalter und/oder über keinen Positionsschalter.
  • Zweckmäßigerweise ist das pneumatische System 10 ausgebildet, die Systemzustände SZ auf Basis der erfassten Schwingungen und insbesondere ohne weitere Sensorik zu erkennen.
  • Die Ermittlung des aktuellen Systemzustands erfolgt zweckmäßigerweise direkt in der insbesondere als Ventilinsel ausgebildeten Ventilanordnung 1, insbesondere direkt in einer Ventileinheit 22.

Claims (14)

  1. Pneumatisches System (10) für die Industrieautomatisierung, umfassend: - einen pneumatischen Aktor (3) - eine Ventilanordnung (1) zur Bereitstellung von Druckluft an den pneumatischen Aktor (3), - eine Schwingungssensoranordnung mit wenigstens einem Schwingungssensor (4, 4A, 4B), der ausgebildet ist, Schwingungen (DLS) der Druckluft zu erfassen und - eine Auswerteeinheit (5), die ausgebildet ist, gemäß einem Spektrumsignal (SPS), das den zeitlichen Verlauf des Spektrums der erfassten Schwingungen (DLS) darstellt, einen aktuellen Systemzustand des Systems (10) aus mehreren möglichen Systemzuständen (SZ) zu ermitteln.
  2. Pneumatisches System (10) nach Anspruch 1, wobei in der Auswerteeinheit (5) eine vordefinierte Sequenz (SQ) der mehreren möglichen Systemzustände (SZ) hinterlegt ist, wobei die Auswerteeinheit (5) ausgebildet ist, den aktuellen Systemzustand unter Berücksichtigung der vordefinierten Sequenz (SQ) zu ermitteln.
  3. Pneumatisches System (10) nach Anspruch 2, wobei die Auswerteeinheit (5) ausgebildet ist, auf Basis der vordefinierten Sequenz (SZ) und eines zuletzt ermittelten Systemzustands (LSZ) denjenigen Systemzustand als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, der in der vordefinierten Sequenz (SQ) auf den zuletzt ermittelten Systemzustand (LSZ) folgt.
  4. Pneumatisches System (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Systemzustände (SZ) einen Belüftungs- und/oder Entlüftungszustand, in dem eine Druckkammer (31) des Aktors (3) belüftet oder entlüftet wird, einen Bewegungszustand, in dem sich ein Aktorglied (11) des Aktors (3) bewegt, einen Bremszustand, in dem das Aktorglied (11) gebremst wird, und/oder einen Ruhezustand, in dem sich das Aktorglied (11) nicht bewegt, umfassen.
  5. Pneumatisches System (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (5) ausgebildet ist, unter Verwendung einer Künstliche-Intelligenz-Komponente, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, den aktuellen Systemzustand auf Basis des Spektrumsignals (SPS) zu ermitteln.
  6. Pneumatisches System (10) nach Anspruch 5, wobei die Künstliche-Intelligenz-Komponente mehrere Klassifikatoren erster Art (8A, 8B, 8C, 8D) umfasst, wobei jeder Klassifikator erster Art (8A, 8B, 8C, 8D) für die Erkennung eines jeweiligen Systemzustands (SZ2, SZ3, SZ4, SZ5) der möglichen Systemzustände trainiert ist.
  7. Pneumatisches System (10) nach Anspruch 6 in Kombination mit einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Auswerteeinheit (5) ausgebildet ist, auf Basis der Sequenz (SQ) und in Ansprechen auf einen zuletzt ermittelten Systemzustand (LSZ) denjenigen Klassifikator erster Art (8C) zu aktivieren, der für die Erkennung desjenigen Systemzustands (SZ4) trainiert ist, der in der Sequenz (SQ) auf den zuletzt ermittelten Systemzustand (LSZ) folgt, und/oder andere Klassifikatoren erster Art (8A, 8B, 8D) zu deaktivieren.
  8. Pneumatisches System (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Künstliche-Intelligenz-Komponente einen Klassifikator zweiter Art (9) umfasst, der für die Erkennung mehrerer Systemzustände trainiert ist.
  9. Pneumatisches System (10) nach Anspruch 8 in Kombination mit einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Auswerteeinheit (5) ausgebildet ist, auf Basis der Sequenz (SQ) einen von dem Klassifikator zweiter Art (9) erkannten Systemzustand nicht als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, falls der erkannte Systemzustand in der Sequenz (SQ) nicht auf einen zuletzt ermittelten Systemzustand (LSZ) folgt.
  10. Pneumatisches System (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (5) ausgebildet ist, bei der Erkennung des aktuellen Systemzustands ein Ansteuersignal (ANS) zu berücksichtigen, gemäß dem die Ventilanordnung (1) die Druckluft bereitstellt.
  11. Pneumatisches System (10) nach Anspruch 10 in Kombination mit einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Systemzustände (SZ) einen ersten Systemzustand (SZ1) umfassen, der vorzugsweise in der Sequenz (SQ) an erster Stelle angeordnet ist, und wobei die Auswerteeinheit (5) ausgebildet ist, in Ansprechen auf das Ansteuersignal (ANS) den ersten Systemzustand (SZ1) als den aktuellen Systemzustand zu ermitteln, insbesondere unabhängig von dem Spektrumsignal (SPS) .
  12. Pneumatisches System (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (5) in der Feldebene (12), insbesondere in der Ventilanordnung (1), angeordnet ist.
  13. Pneumatisches System (10) nach einem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (1) einen Anschlussabschnitt (21) und eine Mehrzahl von auf dem Anschlussabschnitt (21) nebeneinander angeordneten Ventileinheiten (22) umfasst.
  14. Verfahren zum Ermitteln eines aktuellen Systemzustands eines pneumatischen Systems (10) für die Industrieautomatisierung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen von Druckluft an einen pneumatischen Aktor (3) mittels einer Ventilanordnung (1), - Erfassen von Schwingungen (DLS) der Druckluft und - Ermitteln eines aktuellen Systemzustands gemäß einem Spektrumsignal (SPS), das den zeitlichen Verlauf des Spektrums der erfassten Schwingungen (DLS) darstellt.
DE102020209255.9A 2020-07-22 2020-07-22 Pneumatisches System und Verfahren Pending DE102020209255A1 (de)

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DE102006055747A1 (de) 2006-11-25 2008-05-29 Abb Ag Verfahren und Anordnung zur Diagnose eines Stellorgans
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