DE102022003510B3

DE102022003510B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage

Info

Publication number: DE102022003510B3
Application number: DE102022003510.3A
Authority: DE
Inventors: Uwe Müller; Paul Dobbert; Wolf Rumsch
Original assignee: Volkswagen AG; Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fur Fortgeschri De; Volkswagen AG
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2042-09-24

Abstract

Ein beispielhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente (8) einer endlagengesteuerten Anlage (3), umfassend eine Erfassungseinheit (4) zur zyklischen Erfassung eines Zeitpunkts eines Steuersignals einer Antriebskomponente (8), eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage (Ei) einer Systemkomponente (2) repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage (E2) der Systemkomponente (2) repräsentiert, eine Berechnungseinheit (7) zur zyklischen Ermittlung einer Reaktionszeit (Rt1, Rt2, ..., Rtn) zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit (Vt1, Vt2, ..., Vtn) zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals, zur Ermittlung eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente (8) auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten (Rt1, Rt2, ..., Rtn) und der ermittelten Verfahrzeiten (Vt1, Vt2, ..., Vtn) mehrerer Zyklen, zum Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie zur Auswertung der ermittelten Abweichungen, und eine Ausgabeeinheit (16) zur Ausgabe einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung umfassend eine endlagengesteuerte Anlage und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente der endlagengesteuerten Anlage.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein computerlesbares Medium.
HINTERGRUND
Endlagengesteuerte Anlagen weisen oftmals mindestens eine Antriebskomponente (Aktor) auf, die zyklisch bewegt wird. Beispiele derartiger endlagengesteuerter Anlagen sind zyklisch produzierende Anlagen, Pressen, Schweißzangen, automatische Türen, Spanner sowie Linear- und Rotationsgetriebe für Positionieranwendungen. Die Anlagen weisen jeweils mindestens eine starre Systemkomponente auf, die über ein oder mehrere Achsen zu bewegen ist. Derartige Systeme finden beispielsweise Verwendung in der Produktion von Kfz-Bauteilen. Die zyklische Bewegung der mindestens einen Antriebskomponente bzw. starren Systemkomponente kann mit der Zeit zu verschiedensten Defekten an der betreffenden Antriebskomponente führen.
Bisher ist bei endlagengesteuerten Anlagen üblicherweise eine schadensabhängige Instandhaltung erfolgt, d.h. Antriebskomponenten sind nach Bekanntwerden eines Defekts repariert oder ausgetauscht worden. Hieraus können ungeplante Stillstände der endlagengesteuerten Anlage erfolgen. Bei Produktionsanlagen kann dies zu erheblichen Produktionsausfällen bzw. Verzögerungen in der Produktion von Bauteilen führen. Bei schadensabhängiger Instandhaltung bzw. ungeplanten Stillständen technischer Anlagen kann eine Ersatzteilbeschaffung zudem erst nach Eintreten eines Defekts initiiert werden.
Anlagenstillstände führen zu einer Reduzierung der Anlagenverfügbarkeit und in Folge dessen zu einer Verringerung der Gesamtanlageneffektivität. Auch Mikrostörungen, die unbemerkt und schleichend während der Produktionsprozesse auftreten, können aufsummiert die Produktivität negativ beeinflussen. Aktuell treten ausfallbedingte Anlagenstillstände unvorhergesehen auf. Zudem können auch kleine Mikrostörungen zentral und übergreifend identifiziert und lokalisiert werden.
Anstelle von Wartungskonzepten, beispielsweise im Kraftfahrzeug-Karosseriebau, die jährlich oder nach Stückzahl realisiert werden, und die zu hohen Werkzeug- und Instandhaltungskosten führen, ist inzwischen für spezifische Anwendungsfälle stellenweise das Konzept der „Predictive Maintenance“ getreten. Hierbei wird für jeden Anwendungsfall ein KI (künstliche Intelligenz) Modell entwickelt, mit Hilfe dessen versucht wird, das Auftreten von Schäden an mindestens einer Systemkomponente einer endlagengesteuerten Anlage vorherzusagen. Infolgedessen können Wartung und Ersatzteilbeschaffung rechtzeitig geplant werden sowie eine Wartung zu einem optimalen Zeitpunkt durchgeführt werden. Die Entwicklung und das Anlernen derartiger Machine-Learning-Modelle sind jedoch zeit- und kostenintensiv. Auch können derartige Modelle nicht einfach von einem Anwendungsfall auf einen anderen übertragen werden. Dies bedeutet, dass Entwicklungsprozesse oftmals für jeden spezifischen Anwendungsfall komplett neu durchlaufen werden müssen.
Aus der EP 0 815 500 B1 ist eine Vorrichtung bekannt zur Berücksichtigung der Reaktionszeit eines Betriebsmittels bei einer von einem Verfahrweg abhängigen Ansteuerung desselben. Die Vorrichtung umfasst einen Positionsgeber zur Erfassung des Istwertes des Verfahrweges des auszulösenden Betriebsmittels, Mittel zur Speicherung der Reaktionszeit des anzusteuernden Betriebsmittels, Mittel zur Speicherung eines ersten Istwertes als Startistwert des Verfahrweges des auszulösenden Betriebsmittels, Mitteln zur Speicherung eines zweiten Istwertes als Endwert des Verfahrwegs des auszulösenden Betriebsmittels nach Ablauf eines der Reaktionszeit des anzusteuernden Betriebsmittels entsprechenden Zeitraumes, Mittel zur Bestimmung einer aktuellen Größe eines Vorhaltweges durch Subtraktion des ersten vom zweiten Istwertes, und Mittel zur Reduktion des Wegsollwertes als korrigierter Wegsollwert des auszulösenden Betriebsmittels um die aktuelle Größe des Vorhaltwegs.
Aus der DE 10 2019 004 843 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems bekannt, aufweisend eine Steuerelektronik und einen Elektromotor, wobei die Steuerelektronik über eine digitale Schnittstelle mit dem den Sensor umfassenden Elektromotor zum Datenaustausch verbunden ist. Zeitlich wiederkehrend wird jeweils von der Steuerelektronik zum Sensor über die digitale Schnittstelle eine Nachricht gesendet, welche einen Zählwert aufweist und die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Senders der Nachricht und dem Zeitpunkt des zuletzt zuvor ausgeführten Sendens der Nachricht bestimmt. Danach wird bei Betrieb des Sensors der Zählwert verändert und vom Sensor über die digitale Schnittstelle an die Steuerelektronik eine Antwortnachricht gesendet, wobei eine fließende Summe der jeweiligen Zeitdifferenzen gebildet und überwacht wird.
Das Dokument DE 10 2019 106 729 A1 offenbart ferner eine Antriebsvorrichtung und Vorrichtung zum maschinellen Lernen. Die Antriebsvorrichtung, welche eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment eines Servomotors einer Bearbeitungsmaschine gemäß einem Befehl steuert, welcher durch Umwandeln eines von außen eingegebenen externen Befehls erlangt ist, die Antriebsvorrichtung umfassend eine Vorrichtung zum maschinellen Lernen, welche eine angemessene Umwandlung vom externen Befehl zum Befehl erlernt, wobei die Vorrichtung zum maschinellen Lernen aufweist: eine Zustandsbeobachtungseinheit, welche den externen Befehl, den Befehl und einen Zustand der Bearbeitungsmaschine oder des Servomotors als Zustandsvariablen beobachtet, welche einen gegenwärtigen Zustand einer Umgebung darstellen, eine Bestimmungsdatenerfassungseinheit, welche Bestimmungsdaten, die ein Auswertungsergebnis der Bearbeitung durch die Bearbeitungsmaschine anzeigen, erfasst, und eine Lerneinheit, welche unter Verwendung der Zustandsvariablen und der Bestimmungsdaten den externen Befehl und den Zustand der Bearbeitungsmaschine oder des Servomotors und den Befehl in Zusammenhang miteinander erlernt.
Es wäre daher vorteilhaft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird definiert durch die unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Patentansprüche definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage bereitgestellt, umfassend:

- eine Erfassungseinheit zur zyklischen Erfassung eines Zeitpunkts eines Steuersignals der mindestens einen Antriebskomponente, eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage einer Systemkomponente repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage der Systemkomponente repräsentiert,
- eine Berechnungseinheit zur zyklischen Ermittlung einer Reaktionszeit zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals zur Ermittlung eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten und der ermittelten Verfahrzeiten mehrerer Zyklen zum Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie zur Auswertung der ermittelten Abweichungen, und
- eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.

Einige vorteilhafte Ausführungsformen des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfassen mindestens ein Merkmal aus der nachfolgenden Liste:

• der Soll-Zustand resultiert aus einem ersten Machine-Learning-Modell, das an mindestens einer fehlerfreien Antriebskomponente trainiert worden ist
• die Berechnungseinheit ist konfiguriert, die Abweichungen auf der Basis eines zweiten Machine-Learning-Modells zu ermitteln
• die Berechnungseinheit ist konfiguriert, ermittelten Abweichungen eine Defektursache auf der Basis des zweiten trainierten Machine-Learning-Modells zuzuordnen
• die Vorrichtung umfasst einen Empfänger, einen Prozessor, einen Speicher und einen Sender

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung umfassend eine endlagengesteuerte Anlage und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente der endlagengesteuerten Anlage nach einem der Ansprüche 1-5 bereitgestellt.
Einige vorteilhafte Ausführungsformen des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfassen mindestens ein Merkmal aus der nachfolgenden Liste:

• die endlagengesteuerte Anlage umfasst mindestens eine direkt oder indirekt zu bewegende starre Systemkomponente
• die Anordnung umfasst mindestens einen Sensor zur Detektion des Verlassens der ersten Endlage der Systemkomponente und des Erreichens der zweiten Endlage der Systemkomponente
• der mindestens eine Sensor und die mindestens eine Antriebskomponente sind mit einer speicherprogrammierbare Steuerung gekoppelt
• die Vorrichtung umfasst ein Edge-Device, z.B. ein Siemens Edge-Device

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage bereitgestellt, umfassend:

- Zyklisches Erfassen eines Zeitpunkts eines Steuersignals mindestens einer Antriebskomponente, eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage einer Systemkomponente repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage der Systemkomponente repräsentiert,
- Zyklisches Ermitteln einer Reaktionszeit zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals,
- Ermitteln eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten und der ermittelten Verfahrzeiten mehrerer Zyklen, Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie Auswerten der ermittelten Abweichungen, und

Ausgeben einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.
Einige vorteilhafte Ausführungsformen des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfassen mindestens ein Merkmal aus der nachfolgenden Liste:

• Datenpunkte des Steuersignals umfassen eine auszulösende Bewegungsrichtung der Antriebskomponente und einen Zeitpunkt des Steuersignals
• Datenpunkte eines Endlagenschalters umfassen einen Zustand einer jeweiligen Endlage und einen Zeitpunkt einer Signalerfassung
• ein erstes Machine-Learning-Modell ist zur Bereitstellung des Soll-Zustands anhand einer fehlerfreien Referenzantriebskomponente trainiert worden
• ein zweites Machine-Learning-Modell ist zur Bereitstellung eines Anomaliedetektors anhand fehlerfreien und fehlerbehafteten Zeiträumen des Anlagenbetriebs trainiert worden
• der Anomaliedetektor basiert auf einem Isolation-Forest

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein nicht-flüchtiges, computerlesbares Medium bereitgestellt, in dem ein Satz computerlesbarer Befehle gespeichert ist, die bei Ausführung durch mindestens einen Prozessor eine Vorrichtung zu zumindest Folgendem veranlasst:

- Zyklisches Erfassen eines Zeitpunkts eines Steuersignals mindestens einer Antriebskomponente, eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage einer Systemkomponente repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage der Systemkomponente repräsentiert,
- Zyklisches Ermitteln einer Reaktionszeit zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals,
- Ermitteln eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten und der ermittelten Verfahrzeiten mehrerer Zyklen, Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie Auswerten der ermittelten Abweichungen, und
- Ausgeben einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.

Einige vorteilhafte Ausführungsformen des vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfassen mindestens ein Merkmal aus der im Zusammenhang mit dem dritten Aspekt aufgeführten Liste.
Merkliche Vorteile können mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Defekten mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage werden bereitgestellt.
Die OEE (Overall Equipment Effectiveness) beschreibt die Anlageneffektivität. Einer der Parameter, aus denen sich diese Kennzahl zusammensetzt, ist die Verfügbarkeit. Mittels Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mögliche Schäden an mindestens einer Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage frühzeitig vorhergesagt werden. Darauffolgend können definierte Meldewege eingeleitet und ein Defekt zu einem geeigneten Zeitpunkt untersucht und behoben werden, so dass die produzierende Anlage nicht unplanmäßig steht. Folglich steigt die OEE mit reduzierten unplanmäßigen Stillständen.
Weiterhin werden durch defekte Antriebskomponenten verursachte Mikrotaktzeitverschleppung erkannt, die sich durch Taktzeitverschleppung akkumulieren und zu einer Verringerung des Leistungsgrads der Anlage führen.
Darüberhinaus werden Ressourcen wie Lagerkapazitäten, Energie und Aufwand eingespart.
Mit Hilfe von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die mindestens eine Antriebskomponente zudem in Echtzeit überwacht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und
4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine endlagengesteuerte Anlage 3 umfasst mindestens eine starre Systemkomponente 2, die mittels einer Antriebskomponente 8 bzw. eines Aktors direkt oder indirekt über ein oder mehrere Achsen zyklisch aus einer ersten Endlage E₁ in eine zweite Endlage E₂ zu bewegen ist. Derartige Antriebskomponenten 8 finden beispielsweise Verwendung in zyklisch produzierenden Anlagen wie einer Presse, einer Schweißzange, einer automatischen Tür, einem Spanner, einem Lineargetriebe oder einem Rotationsgetriebe.
In 1 ist als endlagengesteuerte Anlage 3 beispielhaft eine automatische Tür gezeigt, die in einer Produktionsanlage im Zusammenhang mit einer Produktion von Bauteilen zyklisch aus einer geöffneten Position, d.h. einer ersten Endlage E₁, in eine geschlossene Position, d.h. eine zweite Endlage E₂, zu bewegen ist. Die Endlagen E₁, E₂ können mit Hilfe von mindestens einem Sensor 6 sensorisch erfasst werden. In 1 können beispielsweise die Endlagen „Tür geöffnet“ und „Tür geschlossen“ durch ein oder mehrere Sensoren 6 bestimmt werden. Ein derartiger Sensor 6 bzw. ein derartiges Sensorsystem gibt Sensordaten 5 aus. Beispielsweise kann ein Sensor 6 beim Verlassen der ersten Endlage E₁ sowie beim Erreichen der zweiten Endlage E₂ ein jeweiliges Endlagensignal ausgeben, das einem Zeitpunkt zugeordnet ist. Auch kann einem Steuerbefehl bzw. einem Steuersignal S für eine Antriebskomponente 8 der starren Systemkomponente 2 ein Zeitpunkt zugeordnet sein. Ein derartiges Steuersignal S repräsentiert beispielsweise den Befehl „Tür schließen“.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung von Defekten mindestens einer Antriebskomponente 2 einer endlagengesteuerten Anlage 3 umfasst das zyklische Erfassen eines Zeitpunkts eines Steuersignals S der mindestens einen Antriebskomponente 8, eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage E₁ der Systemkomponente 2 repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage E₂ der Systemkomponente 2 repräsentiert. Die Sensordaten 5 werden beispielsweise von einer Vorrichtung 1, die einen Datenbus-Konnektor 9 aufweist, erfasst. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung 1 ist ein Siemens Edge-Device.
Ferner umfasst das Verfahren das zyklische Ermitteln einer Reaktionszeit R_t1, R_t2, ..., R_tn zwischen dem Zeitpunkt eines jeweiligen Steuersignals und dem Zeitpunkt eines jeweiligen ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit V_t1, V_t2, ..., V_tn zwischen dem Zeitpunkt eines jeweiligen ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt eines jeweiligen zweiten Endlagensignals mittels einer Auswert-Algorithmik 10. Als Eingangssignale werden die Datenpunkte der Endlagenschalter und der Antriebskomponentensteuersignale genutzt. Die Datenpunkte der Endlagenschalter enthalten den Zustand der jeweiligen Endlage E₁, E₂₂ und den Zeitpunkt der Signalerfassung. Die Datenpunkte der Antriebskomponentensteuersignale S enthalten eine auszulösende Bewegungsrichtung der Antriebskomponente 8 und den Zeitpunkt des Signals. Daraus lassen sich für jede zu überwachende Antriebskomponente für jeden Zyklus zwei primäre Merkmale für jede Positionsänderung berechnen. Das erste Merkmal ist die jeweilige Reaktionszeit R_t1, R_t2, ..., R_tn und beschreibt ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt eines Steuersignals S zur Positionsänderung und dem Zeitpunkt des aktuellen Verlassens der ersten Endlage E₁. Das zweite Merkmal ist die Verfahrzeit V_t1, V_t2, ..., V_tn und beschreibt ein Zeitintervall der Bewegung zwischen dem Verlassen der ersten Endlage E₁ und dem Erreichen der zweiten Endlage E₂. Diese primären Merkmale sind abhängig von Komponententyp, Komponenteneinstellung, Komponentenbebauung, Länge des Verfahrwegs und weiteren unbestimmten Einflüssen und daher für jede zu überwachende Antriebskomponente individuell. Die von der Auswert-Algorithmik 10 ermittelten Daten können in einer Datenbank 11 gespeichert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine Ausgabe der Daten 13 aus der Datenbank erfolgen.
Das Verfahren umfasst ferner eine Ergebnisauswertung 12 mittels Ermitteln eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten R_t1, R_t2, ..., R_tn und der ermittelten Verfahrzeiten V_t1, V_t2, ..., V_tn mehrerer Zyklen, mittels Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen, d.h. Anomalien, zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie mittels Auswerten der ermittelten Abweichungen.
Der Soll-Zustand wird ermittelt, indem ein erstes Machine-Learning-Modell an einer entsprechenden fehlerfreien Referenzantriebskomponente den Verlauf von Reaktions- und Verfahrzeiten über mehrere Zyklen erlernt hat. Um ein universelles, anlagenunabhängiges Machine-Learning-Modell nutzen zu können, werden berechnete primäre Merkmale gezielt vorverarbeitet. Dazu wird der Quotient aus dem aktuellen primären Merkmal und dem Mittelwert aller vorherigen berechneten gleichen primären Merkmale gebildet. Somit ist der anlagen- und merkmalunabhängige Sollwert immer 1. Dabei ist davon auszugehen, dass alle Systemkomponenten beim Beginn der hier beschriebenen Zustandsüberwachung fehlerfrei sind. Mit anderen Worten, Referenzsensordaten einer fehlerfreien Antriebskomponente werden während des Betriebs zuerst aufgezeichnet und die aufgezeichneten Referenzsensordaten werden zur Bildung des anlagen- und merkmalunabhängige Modells genutzt. Das Modell kann im Speicher 19 der Vorrichtung 1 hinterlegt werden.
1 zeigt ferner beispielsweise deutlich, dass die Reaktionszeit R_tn von den Reaktionszeiten der vorherigen Zyklen abweicht. In anderen Fällen können auch die Verfahrzeiten verschiedener Zyklen oder sowohl die Reaktionszeiten als auch die Verfahrzeiten verschiedener Zyklen voneinander abweichen. Ein weiteres Machine-Learning-Modell ist an der spezifischen zu überwachenden Antriebskomponente 8 angelernt worden. Im in 1 gezeigten Beispiel kann beim Vergleichen des Ist-Zustands mit dem Soll-Zustand festgestellt werden, dass die Reaktionszeit R_tn von dem Soll-Zustand abweicht und über einen vorbestimmten Schwellwert hinausgeht. Zur Anomaliedetektion werden zusätzliche sekundäre Merkmale aus der Auswertung der vorherigen zugehörigen n primären Merkmale gebildet. Die sekundären Merkmale beinhalten Maximum, Minimum, Mittelwert, Median, Standardabweichung, Steigung der Regressionsgeraden und Standardabweichung der Regressionsgeraden für jedes primäre Merkmal der Antriebskomponente 8. Die sekundären Merkmale beschreiben die Stetigkeit der primären Merkmale der Antriebskomponente 8. Primäre und sekundäre Merkmale werden einem vorher trainierten Anomaliedetektor in Form eines Isolation-Forest als Vektor zugeführt. Dieser ermittelt dann einen Anomaliewert aus dem zugeführten Merkmalsvektor. Der Anomaliedetektor wird zuvor an Daten verschiedenster endlagengesteuerter Anlagenkomponenten trainiert. Diese Daten enthalten Anlagensignale mit bekannten fehlerfreien und bekannten fehlerbehafteten Zeiträumen des Anlagenbetriebs.
Weiterhin umfasst das Verfahren eine Ergebnisausgabe 14 in Form des Ausgebens einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über den vorbestimmten Schwellwert. Ein Ausgeben der Nachricht kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, beispielsweise visuell, haptisch, textlich oder akustisch.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die bei der Ergebnisauswertung 12 detektierten Anomalien zusätzlich Defektursachen zugeordnet werden. Eine derartige Klassifizierung erfolgt auf der Basis des zweiten oder eines weiteren Machine-Learning-Modells, welches an der spezifischen zu überwachenden Antriebskomponente angelernt wird. Die Defektursache kann bei der Ergebnisausgabe 14 auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, beispielsweise visuell, haptisch, textlich oder akustisch.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist mit einer zu überwachenden Antriebskomponente einer endlagengesteuerten Anlage 3 mittels einer oder mehreren Datenschnittstellen gekoppelt. Die zu überwachende Antriebskomponente enthält ein oder mehrere externe oder integrierte Endlagesensoren, welche Sensordaten 5 liefern. Die Datenpunkte der Endlagenschalter enthalten den Zustand der jeweiligen Endlage und den Zeitpunkt der Signalerfassung.
Die Vorrichtung 1 kann einen Empfänger 21 umfassen. Der Empfänger 21 kann dafür konfiguriert sein, Informationen gemäß mindestens einer zellularen oder nicht-zellularen Kommunikationstechnologie zu empfangen. Der Empfänger 21 kann mehr als einen Empfänger umfassen. Der Empfänger 21 kann dafür konfiguriert sein, in Übereinstimmung beispielsweise mit den Standards des globalen Systems für mobile Kommunikation, GSM, Breitbandcode-Mehrfachzugriff (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA), 5G, Langzeitentwicklung (Long Term Evolution, LTE), IS-95, drahtloses lokales Netzwerk (Wireless Local Area Network, WLAN), Ethernet und/oder weltweite Interoperabilität für Mikrowellenzugang (Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX) zu arbeiten. Der Empfänger 21 findet üblicherweise Verwendung beim Empfangen von Sensordaten 5 von der Antriebskomponente. Sensordaten 5 können der Vorrichtung 1 auch durch einen Nutzer mittels einer Benutzerschnittstelle zugeführt werden.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Prozessor 18, der beispielsweise einen Einkern- oder Mehrkernprozessor enthalten kann, wobei ein Einkernprozessor einen Verarbeitungskern umfasst und ein Mehrkernprozessor mehr als einen Verarbeitungskern umfasst. Der Prozessor 18 kann mehr als einen Prozessor umfassen. Der Prozessor 18 kann eine Einrichtung zum Durchführen von Verfahrensschritten in der Vorrichtung 1 sein. Der Prozessor 18 kann zumindest teilweise durch Computeranweisungen konfiguriert sein, um Aktionen auszuführen.
Die Vorrichtung 1 kann einen Speicher 19 umfassen. Der Speicher 19 kann einen Direktzugriffsspeicher und/oder einen permanenten Speicher umfassen. Der Speicher 19 kann mindestens einen RAM-Chip umfassen. Der Speicher 19 kann dem Prozessor 18 zumindest teilweise zugänglich sein. Der Speicher 19 kann zumindest teilweise im Prozessor 19 enthalten sein. Der Speicher 19 kann eine Einrichtung zum Speichern von Informationen sein, beispielsweise einer Datenbank. Der Speicher 19 kann Computeranweisungen umfassen, für deren Ausführung der Prozessor 18 konfiguriert ist. Wenn Computeranweisungen, die dafür konfiguriert sind, den Prozessor 18 zu veranlassen, bestimmte Aktionen auszuführen, im Speicher 19 gespeichert sind und die Vorrichtung 1 insgesamt dafür konfiguriert ist, unter der Anweisung des Prozessors 18 unter Verwendung von Computeranweisungen aus dem Speicher 19 ausgeführt zu werden, können der Prozessor 18 und/oder sein mindestens einer Verarbeitungskern als zur Ausführung bestimmter Aktionen konfiguriert angesehen werden. Der Speicher 19 kann zumindest teilweise außerhalb der Vorrichtung 1 sein, aber für die Vorrichtung 1 zugänglich sein.
Die Vorrichtung 1 zur Ermittlung von Defekten mindestens einer Antriebskomponente 2 einer endlagengesteuerten Anlage 3 umfasst ferner eine Erfassungseinheit 4 zur zyklischen Erfassung eines Zeitpunkts eines Steuersignals S einer Antriebskomponente 8, eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage E₁ einer Antriebskomponente 2 repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage E₂ der Antriebskomponente 2 repräsentiert. Die erfassten Daten können im Speicher 19 gespeichert werden.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Berechnungseinheit 7 zur zyklischen Ermittlung einer jeweiligen Reaktionszeit R_t1, R_t2, ..., R_tn zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals S und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer jeweiligen Verfahrzeit V_t1, V_t2, ..., V_tn zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals, zur Ermittlung eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten R_t1, R_t2, ..., R_tn und der ermittelten Verfahrzeiten V_t1, V_t2, ..., V_tn mehrerer Zyklen, zum Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie zur Auswertung der ermittelten Abweichungen. Die Berechnungen werden durch den mindestens einen Verarbeitungskern des Prozessors 18 ausgeführt.
Außerdem umfasst die Vorrichtung 1 eine Ausgabeeinheit 16 zur Ausgabe einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.
Die Vorrichtung 1 kann ferner einen Sender 20 umfassen. Der Sender 20 kann dafür konfiguriert sein, Informationen gemäß mindestens einer zellularen oder nicht-zellularen Kommunikationstechnologie zu senden. Der Sender 20 kann mehr als einen Sender umfassen. Der Sender 25 kann dafür konfiguriert sein, in Übereinstimmung beispielsweise mit den Standards des globalen Systems für mobile Kommunikation, GSM, Breitbandcode-Mehrfachzugriff (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA), 5G, Langzeitentwicklung (Long Term Evolution, LTE), IS-95, drahtloses lokales Netzwerk (Wireless Local Area Network, WLAN), Ethernet und/oder weltweite Interoperabilität für Mikrowellenzugang (Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX zu arbeiten). Der Sender 20 findet üblicherweise Verwendung beim Senden von erfassten Sensordaten, Zeitpunkten, Endlagedaten, berechneten Anomalien, Defekten, Warnungen und dergleichen an ein Edge-Device, einen Computer, ein mobiles Endgerät wie ein Smartphone oder ein Tablet-Computer, einen Server, einen Cloud basierten Server oder einen Netzwerkknoten. Beispielsweise kann mittels des Senders 20 ein Warnsignal auf ein mobiles Endgerät eines Mitarbeiters oder an eine Überwachungszentrale einer produzierenden Industrieanlage übermittelt werden, so dass eine Wartungsmaßnahme an der mindestens einen Systemkomponente 2 geplant und zeitnah durchgeführt werden kann.
Als Ergebnis gibt die Ausgabeeinheit 16 üblicherweise eine Warnung, einen Anomaliescore oder einen Defekt für die mindestens eine Antriebskomponente aus. Beispielsweise wird ein generiertes Systemausfallwarnsignal über eine Schnittstelle ausgegeben.
Aufgrund der ermittelten Reaktionszeiten und Verfahrzeiten ist es somit möglich, den aktuellen Zustand der Antriebskomponente zu erfassen, zu beschreiben und zu bewerten. Als notwendig erkannte Instandhaltungsmaßnahmen können daher zeit-, qualitäts- und kostenoptimal geplant und durchgeführt werden.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung 15 gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Anordnung 15 umfasst eine endlagengesteuerte Anlage 3 sowie eine Vorrichtung 1 zur Ermittlung von Defekten mindestens einer Antriebskomponente 8 der endlagengesteuerten Anlage 3.
Die endlagengesteuerte Anlage 3 umfasst eine starre Systemkomponente 2, die mittels einer Antriebskomponente aus einer ersten Endlage E₁ in eine Mehrzahl Enlagen E₂, E_n zu bewegen ist. Die Anordnung 15 umfasst mindestens einen Sensor 6 zur Detektion eines Verlassens der ersten Endlage E₁ der Systemkomponente 2 und eines Erreichens mindestens einer weiteren Endlagen E₂, E_n der Systemkomponente 2. Der mindestens eine Sensor 6 und die mindestens eine Antriebskomponente sind mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung 17 gekoppelt.
Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise ausgebildet sein gemäß der im Zusammenhang mit 2 dargestellten und beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung 1 weist eine Schnittstelle auf, mittels derer Sensordaten 5 und weitere Daten durch eine Erfassungseinheit 4 der Vorrichtung 1 erfasst werden können. Insbesondere können ein Zeitpunkt eines Steuersignals S der mindestens einen Antriebskomponente 8, ein Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen der ersten Endlage E₁ der Systemkomponente 2 repräsentiert, und ein Zeitpunkt mindestens eines weiteren Endlagensignals, das ein Erreichen mindestens einer weiteren Endlage E₂, E_n der Systemkomponente 2 repräsentiert, durch die Erfassungseinheit 4 erfasst werden.
Die erfassten Daten können dann mittels der Berechnungseinheit 7 der Vorrichtung 1 verarbeitet werden, beispielsweise entsprechend der Ausführungen im Zusammenhang mit 1. Ferner kann eine Datenausgabe 13 und/oder eine Ergebnisausgabe 14 mittels einer Ausgabeeinheit 16 der Vorrichtung erfolgen.
Durch die vorliegende Erfindung können Anlagenstillstände durch den Ausfall der endlagengesteuerten Anlage 3 reduziert werden, indem Zeitpunkt und Ursache der Ausfälle durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz prädiktiv bestimmt und damit Instandsetzungen in produktionsfreie Zeiten eingeplant werden können. Dadurch kann die Anlageneffektivität und Produktivität gesteigert werden. Ferner können Verfügbarkeitsverluste durch Mikrostörungen frühzeitig zentral identifiziert und lokalisiert werden.
In 4 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden gewerbliche Anwendung beispielsweise in der Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen von Antriebskomponenten von Produktionsanlagen, beispielsweise in der Kraftfahrzeugproduktion.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Vorrichtung
2: Systemkomponente
3: endlagengesteuerte Anlage
4: Erfassungseinheit
5: Sensordaten
6: Sensor
7: Berechnungseinheit
8: Antriebskomponente bzw. Aktor
9: Datenbus-Konnektor
10: Auswert-Algorithmik
11: Datenbank
12: Ergebnisauswertung
13: Datenausgabe
14: Ergebnisausgabe
15: Anordnung
16: Ausgabeeinheit
17: Speicherprogrammierbare Steuerung
18: Prozessor
19: Speicher
20: Sender
21: Empfänger
E1: erste Endlage
E2: zweite Endlage
S: Steuersignal
Rt: Reaktionszeit
Vt: Verfahrzeit

Claims

Vorrichtung (1) zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente (8) einer endlagengesteuerten Anlage (3), umfassend: - eine Erfassungseinheit (4) zur zyklischen Erfassung eines Zeitpunkts eines Steuersignals (S) der mindestens einen Antriebskomponente (8), eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage (E₁) einer Systemkomponente (2) repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage (E₂) der Systemkomponente (2) repräsentiert, - eine Berechnungseinheit (7) zur zyklischen Ermittlung einer Reaktionszeit (R_t1, R_t2, ..., R_tn) zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit (V_t1, V_t2, ..., V_tn) zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals zur Ermittlung eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente (8) auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten (R_t1, R_t2, ..., R_tn) und der ermittelten Verfahrzeiten (V_t1, V_t2, ..., V_tn) mehrerer Zyklen zum Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie zur Auswertung der ermittelten Abweichungen, und - eine Ausgabeeinheit (16) zur Ausgabe einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Soll-Zustand resultiert aus einem ersten Machine-Learning-Modell, das an mindestens einer fehlerfreien Antriebskomponente trainiert worden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Berechnungseinheit (7) konfiguriert ist, die Abweichungen auf der Basis eines zweiten Machine-Learning-Modells zu ermitteln.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Berechnungseinheit (7) konfiguriert ist, ermittelten Abweichungen eine Defektursache auf der Basis des zweiten trainierten Machine-Learning-Modells zuzuordnen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Vorrichtung einen Empfänger (21), einen Prozessor (18), einen Speicher (19) und einen Sender (20) umfasst.
Anordnung (15) umfassend eine endlagengesteuerte Anlage (3) und eine Vorrichtung (1) zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente (8) der endlagengesteuerten Anlage (3) nach einem der Ansprüche 1-5.
Anordnung (15) nach Anspruch 6, wobei die endlagengesteuerte Anlage (3) mindestens eine direkt oder indirekt zu bewegende starre Systemkomponente (2) umfasst.
Anordnung (15) nach Anspruch 7, wobei die Anordnung (15) mindestens einen Sensor (6) zur Detektion des Verlassens der ersten Endlage (E₁) der Systemkomponente (2) und des Erreichens der zweiten Endlage (E₂) der Systemkomponente (2) umfasst.
Anordnung (15) nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Sensor (6) und die mindestens eine Antriebskomponente (8) mit einer speicherprogrammierbare Steuerung (17) gekoppelt sind.
Verfahren zur Ermittlung von Defekten und/oder Mikrostörungen mindestens einer Antriebskomponente (8) einer endlagengesteuerten Anlage (3), umfassend: - Zyklisches Erfassen eines Zeitpunkts eines Steuersignals (S) mindestens einer Antriebskomponente (8), eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage (E₁) einer Systemkomponente (2) repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage (E₂) der Systemkomponente (2) repräsentiert, - Zyklisches Ermitteln einer Reaktionszeit (R_t1, R_t2, ..., R_tn) zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals (S) und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit (V_t1, V_t2, ..., V_tn) zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals, - Ermitteln eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente (8) auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten (R_t1, R_t2, ..., Rt_n) und der ermittelten Verfahrzeiten (V_t1, V_t2, ..., V_tn) mehrerer Zyklen, Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie Auswerten der ermittelten Abweichungen, und - Ausgeben einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei Datenpunkte des Steuersignals (S) eine auszulösende Bewegungsrichtung der Antriebskomponente (8) und einen Zeitpunkt des Steuersignals (S) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei Datenpunkte eines Endlagenschalters einen Zustand einer jeweiligen Endlage und einen Zeitpunkt einer Signalerfassung umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, wobei ein erstes Machine-Learning-Modell zur Bereitstellung des Soll-Zustands anhand einer fehlerfreien Referenzantriebskomponente trainiert worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, wobei ein zweites Machine-Learning-Modell zur Bereitstellung eines Anomaliedetektors anhand fehlerfreier und fehlerbehafteter Zeiträume des Anlagenbetriebs trainiert worden ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Anomaliedetektor auf einem Isolation-Forest basiert.
Nicht-flüchtiges, computerlesbares Medium, in dem ein Satz computerlesbarer Befehle gespeichert ist, die bei Ausführung durch mindestens einen Prozessor eine Vorrichtung (1) zu zumindest Folgendem veranlasst: - Zyklisches Erfassen eines Zeitpunkts eines Steuersignals (S) mindestens einer Antriebskomponente (8), eines Zeitpunkts eines ersten Endlagensignals, das ein Verlassen einer ersten Endlage (E₁) einer Systemkomponente (2) repräsentiert, und eines Zeitpunkts eines zweiten Endlagensignals, das ein Erreichen einer zweiten Endlage (E₂) der Systemkomponente (2) repräsentiert, - Zyklisches Ermitteln einer Reaktionszeit (R_t1, R_t2, ..., R_tn) zwischen dem Zeitpunkt des Steuersignals und dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals sowie einer Verfahrzeit (V_t1, V_t2, ..., V_tn) zwischen dem Zeitpunkt des ersten Endlagensignals und dem Zeitpunkt des zweiten Endlagensignals, - Ermitteln eines Ist-Zustands der mindestens einen Antriebskomponente (8) auf der Basis der ermittelten Reaktionszeiten (R_t1, R_t2, ..., R_tn) und der ermittelten Verfahrzeiten (V_t1, V_t2, ..., V_tn) mehrerer Zyklen, Vergleichen des Ist-Zustands mit einem Soll-Zustand durch Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Soll- und dem Ist-Zustand sowie Auswerten der ermittelten Abweichungen, und - Ausgeben einer Nachricht bei Überschreitung der Abweichungen über einen vorbestimmten Schwellwert.