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Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für ein Magnetventil eines Druckluftsystems eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Überwachen des Magnetventils, insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen.
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Aus System- und Sicherheitsanforderungen ist es erforderlich, eine Wirküberwachung eines Magnetventils durchzuführen. Bei dieser Wirküberwachung wird überwacht, ob eine Funktion des Magnetventils gegeben ist, nämlich ob das Magnetventil ordnungsgemäß schaltet.
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Bei einer solchen Überwachung wird beim Schalten des Magnetventils mittels einer Druckerfassung überprüft, ob sich ein gewünschter oder erwarteter Druck vor und/oder nach dem Magnetventil einstellt. Hierfür wird der Druck gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung wird überprüft, ob sich der gewünschte Druck eingestellt hat. Hierfür ist es jedoch bislang erforderlich gewesen, für jedes einzelne Magnetventil einen Druckschalter oder Drucksensor vorzusehen, um den Druck zu ermitteln, sowie eine zusätzliche Elektronik für eine Auswerteeinrichtung, was zu hohen Kosten für eine solche Überwachungsvorrichtung führt.
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Problematisch ist außerdem, dass, falls an dem Magnetventil kein Druck anliegt, beispielsweise bei einem Test vor Fahrtantritt des Fahrzeugs, die Wirküberwachung nicht über die Erfassung des Drucks erfolgen kann.
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Um dieses Problem zu umgehen, gibt es die Möglichkeit, Magnetventile zu verwenden, die eine zusätzliche Sensorik, die eine Position eines Ankers des Magnetventils überwacht und die Position als Zustand zurückmeldet, aufweisen. Hierbei ist es möglich, die Wirküberwachung, nämlich die Überprüfung des Schaltens des Magnetventils, über die Position des Ankers durchzuführen. Solche Magnetventile sind jedoch kostenintensiv, da sie eine zusätzliche Elektronik enthalten. Ferner muss das von der zusätzlichen Elektronik ausgegebene Signal ansteuerseitig eingelesen und bewertet werden.
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Daraus ergibt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die obigen Nachteile auszuräumen und eine Überwachungsvorrichtung sowie ein entsprechendes System und Verfahren hierzu für ein Magnetventil bereitzustellen, so dass die Wirküberwachung ohne einen zusätzlichen sensorischen Aufwand ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Überwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein System aus einem Magnetventil, der Überwachungsvorrichtung und einer Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 7 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Überwachungsvorrichtung für ein Magnetventil eines Druckluftsystems eines Fahrzeugs eine Stromerfassungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Versorgungsstrom des Magnetventils zu erfassen, und eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf des erfassten Versorgungsstroms während eines Schaltvorgangs des Magnetventils auszuwerten und eine von dem zeitlichen Verlauf abhängige Zustandsinformation über den Zustand des Magnetventils bereitzustellen, auf.
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Durch die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Versorgungsstroms durch die Auswerteeinrichtung kann die Auswerteeinrichtung bestimmen, ob sein zeitlicher Verlauf während des Schaltvorgangs des Magnetventils im Rahmen eines korrekten Betriebs, d.h. eines typischen zeitlichen Verlaufs für jeweilige Eigenschaften, des Magnetventils liegt oder nicht. Wird ein untypischer Verlauf festgestellt, wird ein Fehlerzustand des Magnetventils angenommen. Somit ist es möglich, zu bestimmen, ob eine fehlerfreie Funktion vorliegt oder ob ein, ggf. potentieller, Fehler vorliegt, ohne dass es erforderlich ist, zusätzliche Sensorik einzusetzen. Da es in heutigen Systemen üblich ist, den Versorgungsstrom von Magnetventilen, beispielsweise über einen Shunt-Widerstand und eine entsprechende Erfassungselektronik, auch für andere Funktionen zu überwachen, ist eine Stromerfassungseinrichtung ohnehin vorhanden und erfordert daher keine zusätzlichen Kosten. Die Magnetventile werden außerdem üblicherweise über eine elektronische Steuerung angesteuert, wobei eine Integration der erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung in eine bereits vorhandene bzw. ohnehin notwendige elektronische Steuerung ohne großen Mehraufwand in einer Serienproduktion möglich ist, sodass die erfindungsgemäße Auswertung ebenfalls ohne oder mit sehr geringem Mehraufwand erfolgen kann.
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Als der zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms wird ein zeitlicher Verlauf, also ein gegebenenfalls mehrfacher Anstieg und Abfall innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer, während des Betriebs des Magnetventils definiert und an die Auswerteeinrichtung geliefert. Ein einmaliger sprunghafter Anstieg oder Abfall des Versorgungsstroms verursacht durch das Ein- bzw. Ausschalten wird jedoch nicht als zeitlicher Verlauf erachtet, da hierbei keine mit dem Verlauf zusammenhängende Zustandsinformation bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, den Versorgungsstrom während eines gesamten Schaltvorgangs des Magnetventils auszuwerten.
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Unter einem gesamten Schaltvorgang des Magnetventils versteht man vorzugsweise, dass der Versorgungsstrom ab dem Zeitpunkt, zu dem das Magnetventil mit einer Versorgungsspannung angesteuert wird, und so lange, bis der Schaltvorgang des Magnetventils beendet ist, also bis ein erwarteter Stromfluss für das Magnetventil erreicht ist, ausgewertet wird.
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Durch die Auswertung während des gesamten Schaltvorgangs kann ein Verhalten des Magnetventils über den gesamten Schaltvorgang überwacht werden, sodass beispielsweise Anomalien, die in nur bestimmten Phasen des Schaltvorgangs auftreten, festgestellt werden können. Das Feststellen einer Anomalie geschieht vorzugsweise in der Auswerteeinrichtung, indem vorzugsweise der erfasste zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms mit einem typischen, korrekten zeitlichen Verlauf verglichen wird und eine Abweichung außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, im Rahmen der Auswertung des gesamten Schaltvorgangs des Magnetventils eine Störung oder keine Störung als Zustandsinformation festzustellen und als Ergebnis einer Wirküberwachung diese Zustandsinformation bereitzustellen.
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Als die Wirküberwachung wird die Überwachung verstanden, die eine ordnungsgemäße Funktion des Magnetventils überprüft. Als Zustandsinformation wird vorzugsweise bei einem als typisch und korrekt erachteten Verlauf des Versorgungsstroms während des Schaltvorgangs ein positives Ergebnis, also ein „störungsfreier Betrieb“ als die mit dem Verlauf des erfassten Versorgungsstroms zusammenhängende Zustandsinformation bereitgestellt. Alternativ oder zusätzlich wird vorzugsweise bei einem Auftreten von Anomalien in dem Verlauf des Versorgungsstroms während des Schaltvorgangs eine „Störung“ des Magnetventils als Zustandsinformation bereitgestellt. Somit kann die Wirküberwachung einfach und ohne zusätzliche Sensorik durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, eine „Wartungsanforderung“ festzustellen und als Zustandsinformation auszugeben bzw. bereitzustellen.
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In diesem Zustand ist ein momentanes Weiterbetreiben des Magnetschaltventils möglich, ein Ausfall in naher Zukunft jedoch wahrscheinlich.
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Entsprechend des zeitlichen Verlaufs des erfassten Versorgungsstroms entweder während des gesamten Schaltvorgangs oder auch nur während eines Teils des Schaltvorgangs kann bei einem Auftreten von vorbestimmten Eigenschaften des Verlaufs, beispielsweise ein höherer Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgrund einer erhöhten Reibung, auf einen Verschleiß bzw. eine Störung geschlossen werden. Damit kann die Zustandsinformation der Wartungsanforderung auf einfache Art und Weise bereitgestellt werden, sodass durch diese Zustandsinformation das entsprechende Magnetventil beispielsweise bei einer nachfolgenden Wartung berücksichtigt werden kann und nicht die Gefahr besteht, dass das entsprechende Magnetventil in der nachfolgenden Wartung nicht berücksichtigt wird, sondern kurz danach ausfällt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, über den zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms auf einen eingangsseitigen Druck an dem Magnetventil zu schließen und diesen Druck als die Zustandsinformation bereitzustellen.
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Da ein Betätigungsaufwand für das Magnetventil durch den Magneten von dem eingangsseitigen Druck an dem Magnetventil abhängig ist, kann der eingangsseitige Druck mit Hilfe der Erfassung des Versorgungsstroms, der von dem Betätigungsaufwand abhängig ist, abgeschätzt werden, ohne dass zusätzliche Sensoren für den eingangsseitigen Druck erforderlich sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung weist die Auswerteeinheit ein neuronales Netzwerk auf, das dazu ausgebildet ist, durch selbstständiges Erlernen typische Stromverläufe für einen korrekten Zustand des Magnetventils sowie untypische Stromverläufe für Störungen des Magnetventils festzustellen und als die Zustandsinformation bereitzustellen.
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Bei der Auswertung des erfassten Versorgungsstroms über das neuronale Netzwerk können, im Vergleich zu anderen Verfahren, in denen, beispielsweise modellbasiert, Zustände des Magnetventils abgeschätzt werden, Stromverläufe bei einem störungsfreien Betrieb des Magnetventils einfach erlernt werden. Dies kann auch außerhalb des neuronalen Netzwerks erfolgen, so dass für die Wirküberwachung in dem neuronalen Netzwerk entsprechende Datensätze zur Verfügung gestellt werden. Dabei kann beispielsweise die Wirküberwachung so durchgeführt werden, dass eine Fehlfunktion über ein Erkennen von Anomalien des Stromverlaufs bestimmt wird, und weitere Eigenschaften oder, ggf. potentielle, Probleme einfach erkannt werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System aus einem Magnetventil, einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung der obigen Ausführungen und einer Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Magnetventil zu steuern, bereitgestellt, wobei das System dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung für das Magnetventil in Abhängigkeit von der durch die Überwachungsvorrichtung bereitgestellten Zustandsinformation zu steuern.
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Durch ein solches System ist es beispielsweise möglich, das Magnetventil mit dem minimal erforderlichen Energieeinsatz anzusteuern, so dass ein zuverlässiges Schalten des Magnetventils bei einem minimalen Energieeinsatz erreicht werden kann. Somit ist es möglich, zum einen, Energie einzusparen und, zum anderen, das Magnetventil möglichst schonend zu betreiben, um seine Lebensdauer zu erhöhen. Hierzu wird nachfolgend näher ausgeführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Überwachen eines Magnetventils eines Druckluftsystems eines Fahrzeugs die Schritte: Erfassen eines Versorgungsstroms des Magnetventils mittels einer Stromerfassungseinrichtung; Auswerten eines zeitlichen Verlaufs des erfassten Versorgungsstroms während der Dauer eines Schaltvorgangs des Magnetventils mittels einer Auswerteeinrichtung in Form einer mit dem zeitlichen Verlauf zusammenhängenden Zustandsinformation des Magnetventils; und Bereitstellen der Zustandsinformation.
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Durch die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Versorgungsstroms kann ein typischer zeitlicher Verlauf für eine fehlerfreie Funktion festgestellt werden, ohne dass es erforderlich ist, zusätzliche Sensorik einzusetzen. Dadurch kann das Magnetventil ohne oder mit sehr geringem Mehraufwand überwacht werden und/oder es können Zustandsinformationen über potentielle Probleme bzw. Störungen des Magnetventils bereitgestellt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Auswerten des Verlaufs des Versorgungsstroms mittels eines neuronalen Netzwerks basierend auf mittels maschinellem Lernen trainierten Ergebnissen.
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Dabei kann basierend auf Eingangsdaten von dem erfassten Versorgungsstrom und während eines Lernvorgangs für eine jeweilige Zustandsinformation ermittelten Ergebnissen ein Bewertungsalgorithmus erzeugt werden, ohne dass Zusammenhänge zwischen den Eingangsdaten aufwändig definiert werden müssen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Versorgungsstrom während eines gesamten Schaltvorgangs des Magnetventils ausgewertet.
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Durch die Auswertung während des gesamten Schaltvorgangs kann ein Verhalten des Magnetventils über den gesamten Schaltvorgang überwacht werden, sodass beispielsweise Anomalien, die nur in bestimmten Phasen des Schaltvorgangs auftreten, erkannt werden können.
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Das Feststellen einer Anomalie geschieht vorzugsweise in der Auswerteeinrichtung, indem vorzugsweise der erfasste zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms mit einem typischen, korrekten zeitlichen Verlauf verglichen wird und eine Abweichung außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine voraussichtliche Lebensdauer des Magnetventils als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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Aus dem zeitlichen Verlauf des erfassten Versorgungsstroms kann die voraussichtliche Lebensdauer des Magnetventils als die Zustandsinformation einfach bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Magnetventils als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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Aus dem zeitlichen Verlauf des erfassten Versorgungsstroms kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Magnetventils als die Zustandsinformation einfach bereitgestellt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Ergebnis einer Wirküberwachung einer Schaltfunktion des Magnetventils als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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Dabei ist es einfach möglich, die Funktionsfähigkeit des Magnetventils ohne zusätzliche Sensorik festzustellen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Wartungsanforderung für eine erforderliche Wartung als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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Aus dem zeitlichen Verlauf des erfassten Versorgungsstroms kann ein Zustand des Magnetventils einfach erfasst werden und somit die Wartungsanforderung ohne zusätzliche Sensorik bereitgestellt werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein eingangsseitig an dem Magnetventil anliegender Druck als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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Da eine Leistung zum Betätigen des Magnetventils von dem eingangsseitigen Druck an dem Magnetventil abhängig ist, kann der eingangsseitige Druck mit Hilfe der Erfassung des Versorgungsstroms abgeschätzt werden, ohne dass zusätzliche Sensoren für eine Erfassung des eingangsseitigen Drucks erforderlich sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
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Insbesondere zeigt
- 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Systems;
- 2 ein Diagramm mit Stromverläufen während eines Schaltvorgangs; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Magnetventils eines Druckluftsystems eines Fahrzeugs.
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1 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Systems 1. Das System 1 weist ein Magnetventil 2 eines Druckluftsystems eines Fahrzeugs, eine Überwachungsvorrichtung 3 für das Magnetventil 2 und eine Steuerungsvorrichtung 4, die dazu ausgebildet ist, das Magnetventil 2 zu steuern, auf.
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Die Überwachungsvorrichtung 3 weist eine Stromerfassungseinrichtung 5 und eine Auswerteeinrichtung 6 auf. In alternativen Ausführungsformen ist die Überwachungsvorrichtung 3 in mindestens eine von der Steuerungsvorrichtung 4, der Stromerfassungseinrichtung 5 und der Auswerteeinrichtung 6 integriert.
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Das Magnetventil 2 weist ein Schaltventil auf, das einen Durchfluss oder ein Absperren einer Strömung eines Fluids durch das Schaltventil über einen Ventilkörper, der auf einem Ventilsitz aufsitzt, ermöglicht. Der Ventilkörper ist mit einem Anker verbunden, der mittels eines Magneten bewegt wird, um auf dem Ventilsitz aufzusitzen und den Durchfluss abzusperren, oder den Durchfluss zu ermöglichen.
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Die Stromerfassungseinrichtung 5 erfasst einen elektrischen Versorgungsstrom I des Magnetventils 2. Dazu weist die Stromerfassungseinrichtung 5 einen Shunt-Widerstand und eine damit zusammenwirkende Erfassungselektronik auf. In alternativen Ausführungsformen wird der Versorgungsstrom I über einen Stromwandler erfasst.
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Die Auswerteeinrichtung 6 wertet einen zeitlichen Verlauf des erfassten Versorgungsstroms I aus und stellt eine mit diesem zeitlichen Verlauf zusammenhängenden Zustandsinformation bereit. Als der zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms I wird ein zeitlicher Verlauf, also ein gegebenenfalls mehrfacher Anstieg und Abfall definiert. Ein bloßer sprunghafter Anstieg oder Abfall des Versorgungsstroms I durch Ein- bzw. Ausschalten wird jedoch nicht als zeitlicher Verlauf erachtet, da hierbei keine mit dem Verlauf zusammenhängende Zustandsinformation bereitgestellt werden kann.
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Insbesondere wertet die Auswerteeinrichtung 6 den zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms I während eines gesamten Schaltvorgangs aus. Das heißt, dass der Versorgungsstrom I ab dem Zeitpunkt, zu dem das Magnetventil 2 mit einer Versorgungsspannung angesteuert wird, und so lange, bis der Schaltvorgang des Magnetventils 2 beendet ist, also bis ein erwarteter Strom für das Magnetventil erreicht ist, ausgewertet wird. In alternativen Ausführungsformen wird der zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms nicht während des gesamten Schaltvorgangs ausgewertet, sondern lediglich in einem Abschnitt des Schaltvorgangs, in dem erfahrungsgemäß eine relevante Zustandsinformation zu erwarten ist.
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Die Auswerteeinrichtung 6 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein neuronales Netzwerk auf. Insbesondere wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Autoencoder als das neuronale Netz verwendet. Der Autoencoder kann Abweichungen von einem „normalen“ Zustand erkennen. Mit den Ergebnissen eines maschinellen Lernens kann so die Zustandsinformation bereitstellt werden. In alternativen Ausführungsformen wird anstelle des neuronalen Netzwerks ein modellbasierter Beobachter zur Zustandsschätzung des Magnetventils 2 und zum Ausgeben der Zustandsinformation eingesetzt. Dabei werden Abweichungen von dem simulierten physikalischem Verhalten überwacht. Bei Abweichungen eines Strom/Zeit-Verhaltens kann auf eine Magnetventil-Fehlfunktion geschlossen werden.
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Das System 1 nutzt die Zustandsinformation zur Steuerung der Versorgungsspannung für das Magnetventil 2. In alternativen Ausführungsformen wird die Versorgungsspannung nicht in Abhängigkeit von der Zustandsinformation gesteuert, sondern die Zustandsinformation wird nur für die Erfassung von Zuständen des Magnetventils 2 verwendet, die andere Aktionen, wie beispielsweise sofortige Reparatur, Berücksichtigung bei der nächsten Wartung, o.ä., erforderlich machen.
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2 zeigt ein Diagramm mit verschiedenen zeitlichen Stromverläufen des Versorgungsstroms I während eines Schaltvorgangs. Auf der Abszisse ist eine Zeit nach der Ansteuerung des Magnetventils 2 in Millisekunden [ms] und auf der Ordinate der Versorgungsstrom I des Magnetventils 2 in Ampere [A] aufgetragen. Diese zeitlichen Verläufe des Versorgungsstroms I werden durch die Stromerfassungseinrichtung 5 erfasst, der Auswerteeinrichtung 6 zur Verfügung gestellt, und durch die Auswerteeinrichtung 6 ausgewertet.
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In dem Diagramm sind jeweils mögliche Bereiche eingetragen, in denen die Versorgungsströme I nach dem Zeitpunkt der Ansteuerung des Magnetventils 2 verlaufen. Insbesondere sind in dem mit senkrechten Strichen schraffiert dargestellten Bereich Versorgungsströme I angezeigt, die sich bei der Ansteuerung des Magnetventils 2 bei einem eingangsseitigen Druck von 0 bar bis 2 bar ergeben. In dem mit waagerechten Strichen schraffiert dargestellten Bereich sind Versorgungsströme I angezeigt, die sich bei der Ansteuerung des Magnetventils 2 bei einem eingangsseitigen Druck von 2 bar bis 4 bar ergeben.
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Der zeitliche Verlauf des jeweiligen Versorgungsstroms I lässt sich im Wesentlichen in drei Abschnitte i, ii, iii unterteilen.
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In einem ersten Abschnitt i erfolgt ein Anstieg des Versorgungsstroms I. Ein Gradient G des Anstiegs des Versorgungsstroms I korrespondiert mit einer elektrischen Konstante, wie etwa einer Impedanz der Magnetspule des Magnetventils 2. Während dieses Anstiegs bewegt sich der Anker des Magnetventils 2 noch nicht.
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In einem zweiten Abschnitt ii bewegt sich der Anker des Magnetventils 2 ab einem Zeitpunkt B, der von dem eingangsseitigen Druck des Magnetventils 2 abhängig ist und als eine schräge Linie dargestellt ist. Nach einem Beginn der Ankerbewegung fällt der Versorgungsstrom I zunächst ab und steigt dann wieder an. Schließlich erreicht der Versorgungsstrom I in einem dritten Abschnitt iii einen erwarteten Stromwert, der bei einem geöffneten Magnetventil 2 anliegt, und der innerhalb einer vorbestimmten Bandbreite liegen kann. Sowohl der Zeitpunkt B als auch die nachfolgende Höhe des Versorgungsstroms I, insbesondere in dem zweiten Abschnitt ii, ist von dem eingangsseitigen Druck des Magnetventils 2 abhängig. Der grundsätzliche zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms I ist jedoch charakteristisch für das Magnetventil 2.
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Sofern der erfasste zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms I einem typischen, nämlich dem charakteristischen zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms I eines normal arbeitenden Magnetventils 2 entspricht, wird davon ausgegangen, dass das Magnetventil 2 normal schaltet, also keine Störung des Magnetventils 2 vorliegt, und eine entsprechende Zustandsinformation wird ausgegeben. Dadurch wird eine Wirküberwachung des Magnetventils 2 durch die Auswerteeinrichtung 6 durchgeführt..
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Eine Störung liegt beispielsweise vor, wenn die Stromstärke zu Null erfasst wird, wobei dann davon ausgegangen werden kann, dass beispielsweise ein Leitungsbruch in einer Zuleitung oder innerhalb des Magnetventils 2 vorliegt und eine entsprechende Zustandsinformation wird bereitgestellt.
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Bei Feststellen eines Anstiegs des Versorgungsstroms I über den abgespeicherten Wert hinaus, der bei dem Beginn der Ankerbewegung üblicherweise vorliegt, kann daraus geschlossen werden, dass sich der Anker nicht bewegt und das Magnetventil 2 blockiert und daher defekt ist, so dass eine entsprechende Zustandsinformation einer solchen Störung bereitgestellt wird.
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Bei einem Verlauf des Versorgungsstroms I, bei dem eine ungewöhnliche Erhöhung des Versorgungsstroms I zu einem bestimmten Zeitpunkt oder Zeitraum festgestellt wird, kann daraus geschlossen werden, dass eine erhöhte Reibung innerhalb des Magnetventils 2 vorliegt. Dann stellt die Auswerteeinrichtung 6 die Zustandsinformation für eine Wartungsanforderung bereit.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform fließt ein vorab gespeicherter Erfahrungswert hinsichtlich eines zukünftigen Verschleißes mit ein und es wird eine Zustandsinformation hinsichtlich einer voraussichtlichen Lebensdauer des Magnetventils 2 bereitgestellt.
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Aus dem zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms I zu dem Zeitpunkt B, wenn der Anker des Magnetventils 2 beginnt, sich zu bewegen, gibt die Auswerteeinrichtung 6 darüber hinaus aus, welcher eingangsseitige Druck an dem Magnetventil 2 anliegt und stellt eine entsprechende Zustandsinformation bereit. Der eingangsseitige Druck wird aus Erfahrungswerten ermittelt.
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In alternativen Ausführungsformen werden entweder sämtliche o.a. Zustandsinformationen bereitgestellt, oder nur eine Auswahl davon.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen des Magnetventils 2 des Druckluftsystems des Fahrzeugs.
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Im Betrieb erfasst die Überwachungsvorrichtung 3 in einem Schritt S1 mittels der Stromerfassungsvorrichtung 5 den Versorgungsstrom I des Magnetventils 2.
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Dieser erfasste Versorgungsstrom I wird dann in einem Schritt S2 der Auswerteeinrichtung 6 zur Verfügung gestellt und während der Dauer eines Schaltvorgangs des Magnetventils 2, wobei Daten über den Schaltvorgang optional durch die Steuerungsvorrichtung 4 bereitgestellt werden, mittels der Auswerteeinrichtung 6 in Form einer mit dem zeitlichen Verlauf zusammenhängenden Zustandsinformation des Magnetventils ausgewertet. Dabei wird der während des gesamten Schaltvorgangs fließende Versorgungsstrom I des Magnetventils 2, also ab dem Zeitpunkt, zu dem das Magnetventil 2 mit einer Versorgungsspannung angesteuert wird, und so lange, bis der Schaltvorgang des Magnetventils 2 beendet ist, also bis ein erwarteter Strom für das Magnetventil erreicht ist, ausgewertet. In alternativen Ausführungsformen wird nur der in einem Teilbereich des Schaltvorgangs fließende Versorgungsstrom I ausgewertet. Der Teilbereich des Schaltvorgangs wird auf der Basis von Erfahrungswerten festgelegt. Beispielsweise wird ein Bereich ausgewertet, in dem aus dem Stromverlauf der eingangsseitige Druck ermittelt werden kann.
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Die Auswerteeinrichtung 6 stellt dann in einem Schritt S3 die mit dem zeitlichen Verlauf zusammenhängende Zustandsinformation bereit.
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Für die Funktionsüberwachung des Magnetventils, also die Wirküberwachung, wird in einer Ausführungsform ein neuronales Netzwerk verwendet, das als neuronales Netzwerk ein Feed Forward Neural Network, in dem Informationen nur in einer Richtung ohne Schleifen fließen oder den Autoencoder einsetzt.
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Bei einer Verwendung von neuronalen Netzen findet ein Training im Vorfeld statt. Dabei werden Daten, die den richtigen („Normal-“) Betrieb entsprechen, mit einer statistischen Streuung erfasst. Diese Daten werden dann zum Training einer Anomalieerkennung verwendet. In einem weiteren Schritt werden bei dem Training unterschiedliche Fehlerbilder nachgestellt, was zu einer Klassifizierung der Fehlerbilder verwendet werden kann. Das Training oder Lernen erfolgt als ein sogenanntes „supervised learning“ bei dem die Daten basierend auf einem im Vorfeld erlangtem Wissen mit einem sogenannten Label versehen werden.
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Der Autoencoder weist ein neuronales Netz auf, welches sogenannte Hyperparamter beim Lernen so anpasst, dass, trotz einer Komprimierung, rekonstruierte Ausgangsdaten des Netzwerkes wieder sehr nahe an den Eingangsdaten liegen. Eine Abweichung der rekonstruierten Ausgangsdaten von den Eingangsdaten ist ein Maß für eine Güte der Funktionsüberwachung, nämlich dafür, wie nahe die Eingangsdaten an einer „normalen / richtigen“ Funktion des Magnetventils 2 liegen. Durch eine bewusste Erzeugung von fehlerhaften Datensätzen kann die Funktion der Anomalieerkennung überprüft werden. Gleichzeitig werden die fehlerhaften Datensätze zum Training eines klassifizierenden neuronalen Netzes verwendet.
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Für die Bestimmung des eingangsseitigen Drucks und der Restlebensdauer wird ein sogenanntes Convolutional Neural Network verwendet. In alternativen Ausführungsformen werden andere Arten von neuronalen Netzwerken verwendet.
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Mittels des neuronale Netzwerks der Auswerteeinrichtung 6 wird ein maschinelles Lernen, insbesondere ein sogenanntes überwachtes Lernen durchgeführt. Dabei wird über eine Eingabe von Daten in einer Input-Ebene ein Ergebnis in einer ZwischenEbene berechnet, das in einer Output-Ebene ausgegeben wird. Bei dem Lernen oder einem Training, also bei einer Eingabe von Daten und einer Überprüfung von dem erwarteten Ergebnis für die eingegebenen Daten werden Parameter für die Berechnung schrittweise durch das neuronale Netzwerk so verändert, dass sich das gewünschte Ergebnis ergibt.
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Durch mehrfaches Wiederholen des Trainings werden die Parameter optimiert, so dass das Ergebnis zuverlässiger erreicht wird. Ferner können nachträglich auch noch andere Einflussfaktoren als Eingabe hinzugefügt werden, die dann bei der Ermittlung des Ergebnisses berücksichtigt werden. Mit vorhandenen Trainingsdaten kann beispielsweise eine Vorhersage über die Funktion abgeleitet werden, eine Vorhersage über die Restlebensdauer bestimmt werden und ein Eingangsdruck des Ventils abgeschätzt werden.
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Als Eingabe wird der Graph des in 2 gezeigten Diagramms genutzt und über beispielsweise das sogenannte Convolutional Neural Network, das vornehmlich bei einer maschinellen Verarbeitung von Bild- oder Audiodaten angewendet wird, wird das Bild des Graphen sowohl für das Training als auch in der Anwendung als Eingabe genutzt. Für Graphen mit unterschiedlichen Verläufen wird also jeweils gelernt, welches Ergebnis mit den Eigenschaften der unterschiedlichen Verläufe zusammenhängt und das Ergebnis wird dann als die Zustandsinformation bereitgestellt. Die erfassten Stromverläufe werden also durch das neuronale Netz bewertet.
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Die Zustandsinformation wird entweder auf einem zentralen Display für das jeweilige Magnetventil 2 angezeigt oder, alternativ, wird die Zustandsinformation an einen zentralen Computer übertragen.
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Ferner wird aus dem zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms I eine voraussichtliche Lebensdauer des Magnetventils 2 als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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Außerdem wird aus dem zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms I eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Magnetventils 2 und/oder die Wartungsanforderungen für die erforderliche Wartung des Magnetventils 2 oder einen Austausch des Magnetventils 2 als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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Darüber hinaus wird der eingangsseitig an dem Magnetventil anliegende Druck als die Zustandsinformation der bereitgestellt.
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Schließlich wird ein Ergebnis der Wirküberwachung der Schaltfunktion des Magnetventils 2 als die Zustandsinformation bereitgestellt.
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In alternativen Ausführungsformen werden nicht sämtliche Zustandsinformationen ausgegeben, sondern nur eine oder wenige der Zustandsinformationen.
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Bei einem positiven Ergebnis der Wirküberwachung, nämlich dem ordnungsgemäßen Funktionieren des Magnetventils 2 wird optional eine Versorgungsspannung für das Magnetventil 2 verringert, so dass dadurch auch der Versorgungsstrom verringert wird. Dadurch ist es möglich, das Magnetventil 2 mit einer verringerten Leistung zu betreiben, um Energie einzusparen und eine Lebensdauer des Magnetventils 2 zu erhöhen. Die Versorgungsspannung wird iterativ soweit reduziert, solange eine zuverlässige Funktion des Magnetventils 2 gewährleistet ist.
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Andererseits kann optional die Versorgungsspannung für das Magnetventil 2 erhöht werden wenn das Ergebnis der Wirküberwachung ergibt, dass das Magnetventil 2 nicht ordnungsgemäß schaltet, um so die Funktion wieder zu gewährleisten.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Merkmale und Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Kombinationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind dementsprechend lediglich als eine Illustration der Erfindung zu betrachten, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, und sollen alle Modifikationen, Variationen, Kombinationen oder Äquivalente abdecken, die in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- System
- 2
- Magnetventil
- 3
- Überwachungsvorrichtung
- 4
- Steuerungsvorrichtung
- 5
- Stromerfassungseinrichtung
- 6
- Auswerteeinrichtung
- B
- Zeitpunkt, wenn der Anker des Magnetventils beginnt, sich zu bewegen
- G
- Gradient
- I
- Versorgungsstrom
- i
- erster Abschnitt des zeitlichen Verlaufs des Versorgungsstroms
- ii
- zweiter Abschnitt des zeitlichen Verlaufs des Versorgungsstroms
- iii
- dritter Abschnitt des zeitlichen Verlaufs des Versorgungsstroms
