DE102021200859A1 - Diagnoseanordnung - Google Patents

Abstract

Offenbart ist eine Diagnoseanordnung mit mindestens einem Schwingungssensor und mit einer Ethernet-Schnittstelle für echtzeitfähige Ethernet-Feldbusse. Erfindungsgemäß ist die Ethernet-Schnittstelle für mehrere verschiedene Protokolle ausgelegt. Das wird ermöglicht durch intelligente Hardware und Software. Dadurch kann der Schwingungssensor flexibel parametriert werden, dass er problemlos an den entsprechenden, in der betroffenen Applikation eingesetzten echtzeitfähigen Ethernet-Feldbus angeschlossen werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Diagnoseanordnung mit mindestens einem Schwingungssensor, der auch als Vibrationssensor bezeichnet werden kann, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Unter dem Stichwort „Condition Monitoring“ von Maschinen mit pulsierenden oder periodisch schwingenden Bauteilen (z.B. Kolben), aber auch mit rotierenden Bewegungen (z.B. Wälzlagern) ist es bekannt, mit Schwingungssensoren ungewöhnliche oder unerwünschte Schwingen bzw. Vibrationen zu erfassen und daraus auf einen Zustand, insbesondere auf Verschleiß des Bauteils zu schließen.
• Im Internet unter http://web.sensoric.com:8000/ZLXIAZAI/KISTLER/000-860e-07.11.pdf ist ein derartiger universeller Schwingungssensor MEMS (microelectromechanical systems) offenbart.
• In der von Schaeffler Technologies im Jahr 2017 veröffentlichten Druckschrift „FAG Smart Check, Hohe Prozesssicherheit durch dezentrale Maschinenüberwachung“ ist ein Schwingungssensor mit einer Ethernet-Schnittstelle offenbart.
• In der Druckschrift DE 2018 215 496 A1 ist ein „Intelligent Vibration Analysis Sensor“ (IVAS), also ein intelligenter Schwingungssensor offenbart. Es wird eine Ethernet-Schnittstelle vorgeschlagen.
• Bei einer modularen Verwendung bzw. beim Nachrüsten von derartigen Schwingungssensoren mit Ethernet-Schnittstellen ist die Flexibilität der Datenübertragung vom Schwingungssensor zu verschiedenen übergeordneten elektronischen Steuerungen der beobachteten Maschine begrenzt.
• Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Diagnoseanordnung mit einem Schwingungssensor mit einer Ethernet-basierenden echtzeitfähigen Schnittstelle bereitzustellen, deren Flexibilität bei einer modularen Verwendung bzw. beim Nachrüsten erhöht ist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Diagnoseanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
• Die beanspruchte Diagnoseanordnung hat mindestens einen Schwingungssensor und eine Ethernet-Schnittstelle für echtzeitfähige Ethernet-Feldbusse. Erfindungsgemäß ist die Ethernet-Schnittstelle für mehrere verschiedene Protokolle ausgelegt. Damit ist die Flexibilität bei einer modularen Verwendung bzw. beim Nachrüsten erhöht.
• Mit der erfindungsgemäßen Diagnoseanordnung ist eine prädiktive Diagnose zur Unterstützung von Predictive Maintenance im industriellen Industrie 4.0. / Connectivity Umfeld möglich. Das wird ermöglicht durch intelligente Hardware (FPGA) und Software. Dadurch kann der Schwingungssensor flexibel parametriert werden, dass er problemlos an den entsprechenden, in der betroffenen Applikation eingesetzten echtzeitfähigen Ethernet-Feldbus angeschlossen werden kann. Damit ist eine Diagnoseanordnung geschaffen, deren Flexibilität erhöht ist, wodurch der Einsatz der Diagnoseanordnung an verschieden Applikationen ermöglicht ist. Damit können kostenintensive Gateways entfallen.
• Dabei werden vorzugsweise nicht nur die im LAN-Bereich üblichen Standards wie 100Base-TX oder 1000Base-T verwendet, sondern auch Single Pair Ethernet. Es handelt sich um verschiedene Standards wie 802.3bp (1000Base-T1), 802.3bw (100Base-T1), 802.3cg (10Base-T1) oder 802.3ch (Multi-Gig Automotive Ethernet), mit denen sich Ethernet-Verbindungen über Kupferkabel mit nur einem einzigen verdrillten Adernpaar herstellen lassen.
• Die genannten Protokolle sind vorzugsweise aus der folgenden Gruppe: Sercos, Ether CAT, EtherNet/IP, Eternet, Powelink, Profi Net, VARAN, Ethernet TSN und Modbus/TCP. Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Ethernet-Schnittstelle für alle genannten Protokolle ausgelegt.
• Diese Protokolle werden vorzugsweise im ISO/OSI Schichtmodell in den Anwendungsschichten 2 und 5-7 beschrieben.
• Mit der erfindungsgemäßen Diagnoseanordnung können allgemein Bauteile mit periodischer translatorischer Anregung (z.B. Kolben) und/oder Bauteile mit rotatorischer Anregung überwacht werden.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung hat die Diagnoseanordnung einen weiteren Schwingungssensor.
• Der oder die Schwingungssensoren ist/sind vorzugsweise als Schallsensor(en) zur Anwendung an schallemittierenden Maschinen, Komponenten und Bauteilen ausgelegt. Dazu zählen insbesondere hydrostatische Verdrängereinheiten (Axialkolbenmaschine, Radialkolbenmaschine, ...) im stationären, industriellen wie auch mobilen Umfeld. Die erfindungsgemäße Diagnoseanordnung ist auch ist auch an elektrischen Maschinen, Verbrennungskraftmaschinen, Turbinen, Triebwerke, E-Motoren, mechanischen Getriebe und Wälzlagern anwendbar und einsetzbar. Der emittierte und erfasste Schall kann Luft-, Körper- oder Fluidschall sein.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung hat die Diagnoseanordnung ergänzend einen Temperatursensor und gegebenenfalls auch noch weitere Zusatzsensoren wie z.B. Gyrosensoren oder/oder Inertialsensoren (Drehimpuls = 0). Damit kann die Diagnose robuster erfolgen und die Diagnosetiefe erhöht werden.
• Durch die Adaption und Verwendung einzelner oder kombinierter Diagnoseverfahren kann eine robuste Diagnose und Diagnosetiefe, je nach Applikation durchgeführt werden. Durch die Verwendung einzelner Diagnoseverfahren kann an einfachen Bauteilen oder Komponenten eine robuste Diagnose durchgeführt werden. An komplexeren Maschinen kann durch die Kombination von funktionalen, wissens- und / oder modellbasierten Diagnoseverfahren die Robustheit sowie die Genauigkeit der Diagnose mittels einer intelligenten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Diagnoseanordnung erhöht werden.
• Folgende Verfahren können in bzw. mit einer intelligenten Diagnoseanordnung zur (Onboard) Signal- und Zustandsanalyse verwendet werden:
• - funktionale Verfahren (z.B. Trendbeobachtung und Schwellenüberschreitung)
• - wissensbasierte Verfahren (z.B: Support-Vector-Maschine, künstliche neuronale Netzwerke)
• - modellbasierte Verfahren (z.B. Beobachter)
• Durch die Verwendung von Standard Internetprotokollen (TCP/IP und UDP) kann zusätzlich die Anbindung der Diagnoseanordnung über beispielsweise MQTT oder über andere Protokolle des ISO/OSI Schichtenmodells in den Anwendungsschichten 5-7 erfolgen. Dies ermöglicht die bidirektionale Kommunikation zwischen der Diagnoseanordnung und einem MQTT-Broker, der z.B. in einem LAN oder in einer Cloud verortet sein kann. In dieser Konfiguration ist der Betrieb der Diagnoseanordnung gänzlich ohne Maschinensteuerung möglich.
• Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Diagnoseanordnung ist in der Figur dargestellt.
• Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Diagnoseanordnung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung. Die Diagnoseanordnung 1 hat zwei Schwingungssensoren 2, 4 und einen Temperatursensor 6. Deren Signale werden an einen intelligenten bzw. smarten Mikrocontroller 8 übertragen, der in der Diagnoseanordnung 1 integriert ist.
• Die Stromversorgung der erfindungsgemäßen Diagnoseanordnung 1 erfolgt aus einem stationären Netz oder einem Bordnetz 14 einer mobilen Arbeitsmaschine über eine Spannungsversorgungsvorrichtung 16.
• Der Mikrocontroller 8 steht einerseits im Datenaustausch mit einem Arbeitsspeicher 10 und anderseits mit einem Ethernet Controller 12. Dieser bildet die erfindungsgemäße Ethernet-Schnittstelle 18 mit einem Ethernet-Feldbus 20.
• Der Ethernet-Feldbus 20 ist mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) 22 und über eine weitere Ethernet-Schnittstelle 24 mit einer Axialkolbenpumpe 26 verbunden. Die Axialkolbenpumpe 26 hat beim gezeigten Ausführungsbeispiel eine elektrohydraulische Pumpenregelung HPC.
• Die beiden gezeigten Ethernet-Schnittstellen 18, 24 sind geeignet für mehrere, vorzugsweise alle Protokolle aus der folgenden Gruppe: Sercos, Ether CAT, EtherNet/IP, Eternet, Powelink, Profi Net, VARAN, Ethernet TSN und Modbus/TCP.
• Das in der DE 10 2014 222 637 A1 „Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer rotierenden Maschine“ beschriebene Verfahren zur Überwachung einer rotierenden Maschine mittels Datenfusion von Sensorwerten kann in Verbindung mit dieser Erfindung eingesetzt bzw. verknüpft werden. Daher wird in dieser Patentanmeldung auf die DE 10 2014 222 637 A1 vollumfänglich Bezug genommen.
• Eine Anwendung der Erfindung ist im mobilen Umfeld möglich und in einer stationären Anlage besonders geeignet, da diese oft mit Ethernet-Schnittstellen versorgt ist, weshalb hier die Versorgung über die Kleinspannung aus der Anlage erfolgt.
• Bezugszeichenliste

1

Diagnoseanordnung

2

erster Schwingungssensor

4

weiterer Schwingungssensor

6

Temperatursensor

8

Mikrocontroller

10

Arbeitsspeicher

12

Ethernet Controller

14

stationäres Netz oder Bordnetz

16

Spannungsversorgungsvorrichtung

18

Ethernet-Schnittstelle

20

Ethernet-Feldbus

22

speicherprogrammierbare Steuerung

24

Ethernet-Schnittstelle

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2018215496 A1 [0005]
• DE 102014222637 A1 [0028]

Claims (13)

1. Diagnoseanordnung mit mindesten einem Schwingungssensor (2) und mit einer Ethernet-Schnittstelle (18) für einen echtzeitfähigen Ethernet-Feldbus dadurch gekennzeichnet, dass die Ethernet-Schnittstelle (18) für mehrere verschiedene Protokolle ausgelegt ist.
2. Diagnoseanordnung nach Anspruch 1, wobei eines der Protokolle Sercos ist.
3. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Protokolle Ether CAT ist.
4. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Protokolle EtherNet/IP ist.
5. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Protokolle Eternet Powerlink ist.
6. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Protokolle Profi Net ist.
7. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Protokolle VARAN ist.
8. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Protokolle Ethernet TSN ist.
9. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Protokolle Modbus/TCP ist.
10. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen weiteren Schwingungssensor (4) aufweist.
11. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Temperatursensor (6) aufweist.
12. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Gyrosensor aufweist.
13. Diagnoseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Inertialsensor aufweist.

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