EP1812718A1 - Diagnosevorrichtung für wenigstens eine pneumatische ventil-aktuator-anordnung - Google Patents

Diagnosevorrichtung für wenigstens eine pneumatische ventil-aktuator-anordnung

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EP1812718A1
EP1812718A1 EP04803190A EP04803190A EP1812718A1 EP 1812718 A1 EP1812718 A1 EP 1812718A1 EP 04803190 A EP04803190 A EP 04803190A EP 04803190 A EP04803190 A EP 04803190A EP 1812718 A1 EP1812718 A1 EP 1812718A1
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EP
European Patent Office
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diagnostic
pressure
module
diagnostic module
values
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EP04803190A
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English (en)
French (fr)
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EP1812718B1 (de
Inventor
Jan Bredau
Reinhard Keller
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Festo SE and Co KG
Original Assignee
Festo SE and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1812718B1 publication Critical patent/EP1812718B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B19/00—Testing; Calibrating; Fault detection or monitoring; Simulation or modelling of fluid-pressure systems or apparatus not otherwise provided for
    • F15B19/005—Fault detection or monitoring

Definitions

  • the invention relates to a diagnostic device for at least one pneumatic valve-actuator arrangement, comprising a pressure sensor, a volumetric flow sensor, a control device for generating control signals for the valve actuator arrangement and having position sensors for position detection of at least one movable element actuator member.
  • Such diagnostic devices are known for example from DE 19628221 C2 or DE 10052664 Al and are used in particular for process monitoring.
  • known lo devices stored reference curves for the
  • An object of the present invention is to provide a diagnostic device for such valve-actuator assemblies by which the type of error that has occurred can be detected and reported.
  • the advantages of the diagnostic device according to the invention are in particular that errors that occur can be determined exactly by avoiding complex mathematical models and with relatively low required sensor technology.
  • the generated diagnostic messages provide clear information on the type and location of the fault in the valve actuator.
  • the third diagnostic module advantageously serves to detect load and friction changes in the case of a movable actuator element, with a fourth diagnostic module being provided for detecting valve switching errors, which is deactivated when the third diagnostic module is detected by an error. This is to distinguish these two types of errors safely.
  • the first diagnostic module is designed to monitor the pressure medium of the pressure sensor in a closed, pressurized chamber of the actuator, while preferably detected by posi ⁇ tion sensors pause phases. These can thereby be advantageously used for diagnosis.
  • the first diagnostic module has means for tion of the pressure gradient and / or the Leckagevolumen ⁇ stream and / or the Strömungsleitivess for the leakage point and comparison means for comparison with reference values, de ⁇ ren exceeded a leakage message generated. From this, even quantitative data can be determined. Taking into account the fact that in the case of an internal leak (for example a defective piston seal), the leakage path is always getting smaller, while it remains almost constant over an external leak over the measuring time, internal and external evaluation means can also be used external leakage are distinguished.
  • the recognition of a throttling in the valve actuator arrangement takes place in an advantageous manner by the second diagnosis module, which in each case forms the flow conductance during movement phases of the movable actuator member detected by the position sensors.
  • the second diagnostic module thus operates alternately to the first diagnostic module, which operates in the pause phases.
  • the second diagnostic module expediently has means for calculating the mean value of the dynamic conduction value during the movement of the actuator member, wherein comparison means for checking this mean value are provided for deviations from at least one reference value which, starting from a predefinable limit value deviation, reports an irregular Weg produce. Since the temperature influences the flow conductivity not insignificantly, switching means are provided which deactivate the second diagnostic module when a predeterminable limit temperature is exceeded or under extreme temperature changes.
  • the third diagnostic module used to detect load and friction changes in the movable actuator member is Preferably, for monitoring one of the following pressure values for deviations from predefinable standard pressure values: Maximum pressure between actuating signal and corresponding start of the movement phase from one end position, average pressure during the movement phase when an actuator chamber is filled, average pressure during the movement phase when emptying this actuator chamber. If all of these print values are recorded, a large number of possible errors with regard to load and friction changes can be distinguished. In this case, only the signal of the pressure sensor and position sensors is required for motion detection.
  • a preferred type of evaluation is performed by means for calculating the equivalent force values and for determining and evaluating difference values with respect to corresponding standard values.
  • the fourth diagnostics module serving to detect valve switching errors only occurs when all other diagnostic modules do not generate any diagnostic messages. Only then can it certainly be concluded that valve switching errors have occurred. For this
  • the fourth diagnostic module has means for detecting the pressure end value when the actuator chamber is filled and the actuator member is at a standstill.
  • the fourth diagnosis module has means for time recording of the pressure rise and / or pressure drop times and for determining the difference value Standard times, which generate a diagnostic message when an input of predefinable differential values is exceeded.
  • a further improvement and completion of the diagnosis can still be achieved by a permanently operating fifth diagnostic module, which is designed to monitor the air consumption and / or the pressure level and / or positioning times and cycle times, wherein switching means for deactivating the at least one serve third diagnostic module in an error detection by the fifth diagnostic module.
  • faults can be detected as faults which can not be unambiguously assigned to the faults in the other modules and which detect corresponding faults in the air consumption, in the pressure level or in the positioning times and cycle times, irrespective of the fault type.
  • the fifth diagnostic module expediently has comparison means for comparison with corresponding reference values, for detecting deviations from the reference values, and for checking the deviations to exceed limit values that can be specified, leading to a diagnostic message.
  • Figure 1 is a designed as a pneumatic cylinder and control valve for this valve actuator assembly, which is connected to a diagnostic device asdicasbei- 25 game of the invention, and
  • FIG. 1 is a more detailed representation and subdivision of the diagnostic device in diagnostic modules.
  • the valve-actuator arrangement shown in FIG. 1 consists of a schematically illustrated pneumatic cylinder 10, in which a piston 12 provided with a piston rod 11 is displaceable and pneumatically drivable.
  • This pneumatic cylinder 10 represents a possible embodiment of an actuator, wherein other types of actuators, such as different types of linear drives, actuators, rotary drives and the like, are also possible.
  • a valve 13 is used, which can be designed, for example, as a 5/2 or 5/3 switching valve.
  • This valve 13 is connected to a pressure supply line 14 for supplying a working pressure p.
  • the piston 12 can be pressurized on one side or the other with the pressure so that it can move in the two directions of movement.
  • a switching valve can prin ciple also be provided a proportional valve, wherein the respective valve can also be integrated in or on the pneumatic cylinder.
  • the volume flow sensor 17 and the pressure sensor 18 may also be connected to the opposite cylinder chambers 20.
  • An electronic control device 21 is used to control the valve 13 and thus the movement and position of the KoI
  • This electronic Steuer ⁇ device 21 is provided with a diagnostic electronics 22, wherein the diagnostic electronics 22 in the electronic Steuer ⁇ device 21 integrated or can be formed as a separate device det.
  • the pressure sensor 18 and the volume flow sensor 17 as well as position sensors 23, 24 for detecting the end position or end positions of the piston 12 are connected to inputs of the diagnostic electronics 22.
  • the control signals of the electronic control device 21 for the valve 13 are likewise supplied to the diagnostic electronics 22, in the illustrated integrated form by internal supply.
  • the diagnostic electronics 22 in the context of diagnosis er ⁇ knew errors, malfunctions or defects can be displayed and / or registered.
  • the diagnostic electronics 22 or the electronic control device 21 may have a corresponding fault memory.
  • the diagnostic electronics 22 are connected on the output side to a display 25 and to a printer 26 in order to be able to display or print out diagnostic messages.
  • these devices serving as display devices for diagnostic messages can also be replaced by other and simpler devices, for example an LED error display, by means of which the various types of fault can be displayed.
  • FIG. 2 diagrammatically shows the diagnostic device with regard to the diagnostic procedure and the diagnostic functions.
  • Essential is the interaction of the individual diagnostic modules M1 to M5 or the sequence of their processing in order to be able to make clear error statements.
  • Substantial is the targeted evaluation of the diagnostic information from the individual diagnosis modules M1 to M5 for a pneumatic subsystem, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is realized by a valve-actuator arrangement 10, 13 is.
  • the diagnostic modules M1 to M5 monitor the valve and actuator arrangement for frequently occurring qualitative and quantitative errors.
  • the diagnostic modules according to FIG. 2 are basically only activated when the operating pressure p does not deviate from a reference pressure by more than predetermined tolerances.
  • the diagnosis modules M1 and M2 are started in order to check the subsystem for leaks or restrictions in the working line. These two modules are permanently active with the above restriction because they always provide clear statements. If no leaks or throttling occur, the module M3 is activated to monitor changed loads or friction. If this module also does not provide any deviations from predetermined reference standards, the module M4 can be activated for the detection of valve failures. If an error occurs in this chain, the following module is always deactivated. This is schematically represented by switches 27, 28. This sequence ensures that the diagnostic modules always make clear error statements.
  • the diagnostic module M5 works constantly. This module M5 monitors the cycle and travel times, the pressure and the air consumption for deviations. Irrespective of the type of fault, faults are detected in the subsystem that become noticeable in the travel times or the pressure or the volumetric flow. Thus, errors are also detected as faults which can not be unambiguously assigned to the faults in the diagnostic modules M1 to M4.
  • the NOR operation 29 causes the diagnostic modules M3 and M4 to be activated only if the diagnostic modules Ml, M2 and M5 do not report any errors or faults. As already stated, the diagnostic module M4 has the additional condition that the diagnostic module M3 does not detect any errors or malfunctions.
  • the side under pressure is shut off during pause phases in which the piston 12 is in one of its two end positions. In the illustrated embodiment, this is the cylinder chamber 19, since it is connected to the pressure sensor 18.
  • the pressure gradient ⁇ p / ⁇ t is determined.
  • the pressure difference is then determined from the difference between the initial value and the final value.
  • the calculated leakage current changes over time as the pressurized cylinder chambers 19 deflate.
  • the leakage current Q 1 results in:
  • V is the chamber volume and PN is the reference pressure, both of which are constants.
  • PN is the reference pressure, both of which are constants.
  • the C value is proportional to the opening area of the leakage point and is calculated as follows:
  • the pause phases or measuring time are detected by limit switch signals and by knowledge of the sequence of events. If the supply pressure p drops below a predeterminable minimum value of, for example, 2 bar, then the formula for calculating the conductance is no longer valid, and the measurement process is aborted.
  • the size of the master value reference can be adjusted individually.
  • An additional evaluation makes it possible to distinguish between an internal leakage at the piston, for example in the case of a leaking or defective piston seal, and an external leakage, for example due to leaky or defective piston rod seal or defective hoses or lines.
  • venting takes place in the other cylinder chamber.
  • the pressure drop at the beginning is relatively large, and as the pressure in the filling chamber increases, the leakage current and the C value become ever smaller until, at pressure equalization, the volume flow and C value approach zero. This is a clear indication of internal leakage.
  • the C value is almost constant over the measuring time, and the criterion for the height of the leakage is the C value at the end of the measurement. If the measuring time is not sufficiently long enough, complete emptying is not achieved, and it is no longer possible to differentiate between external and internal leakage. For most applications, however, it is possible to conclude an external leakage when the pressure drops steadily over the measuring time.
  • the measuring time should therefore be as long as possible, that is, the break times should be effectively utilized.
  • T is the reference temperature, and the operating temperature can be used for estimation.
  • K 1.0.
  • the detection of an increasing or even decreasing Drosse ⁇ ment eg adjustments of the throttle or clogging or kinked hoses
  • the sensor system is arranged on the piston rod side according to FIG. 1, that is, it is connected to the cylinder chamber 19.
  • the diagnosis module M2 determines whether there is a restriction in the entire line starting from the valve 13 to the connection to the cylinder chambers 19.
  • Causes for an increasing or decreasing throttling are for example a geöff ⁇ ned or closed outlet throttle, a kinked hose, blockages in the hose, icing, Drosselun ⁇ conditions in the connecting line of the pneumatic cylinder 10, not completely opening valve.
  • a conductance C is determined as the diagnosis value from the pressure pl and the volume flow q. This C value is a measure of the area flowed through and is compared with a reference value for fault diagnosis.
  • the extension and / or the retraction direction of the actuator can be used. Sufficient is a movement phase.
  • the direction of movement X according to FIG. 1 is preferably used, in which venting takes place from the cylinder chamber 19.
  • the conductance C for this extension direction is calculated according to the following equation:
  • pu is the ambient pressure against which is vented.
  • the equation describes the conditions under subcritical operating conditions in which pu / pl> b.
  • TN is the standard temperature
  • TB is the temperature in the pressure chamber, which can be approximately equated to the operating temperature. If there are no extreme temperature changes, the temperature is not taken into account for the diagnosis. If the temperature changes significantly, the diagnostic module M2 is deactivated.
  • an average value is formed from the calculated conductance C and compared with a reference conductance. The difference between the measured value and the reference master value is compared with a maximum permissible tolerance value, the exceeding of which results in a diagnostic message indicating that the throttling is too great or too small.
  • the conductance is determined during the movement of the piston 21, including the two limit switch signals of the position sensors 23, 24 den ⁇ NEN.
  • the diagnostic module M3 is used to detect load and friction changes on the actuator, ie on the pneumatic cylinder 10 or on the attached mechanism. As already stated, this module is activated only if it has been previously ensured that no restrictions or leaks have occurred Thus, the diagnostic modules Ml and M2 have detected no errors, which also applies to the diagnostic module M5, which will be described be ⁇ . For this diagnosis, only the pressure sensor 18 is needed. For the calculation, the pressure buildup phase 5 (filling of the cylinder chambers 19) and the movement phases (extension and retraction) can be used. These phases are described below.
  • phase 1 is the piston 21. This phase is defined from the switching signal on the valve 13, lo until the time at which the piston 12 moves from its end position.
  • Phase 2 is the travel phase in which the cylinder chamber 19 is filled.
  • Phase 3 is the travel phase in the opposite direction, ie in the direction X, in which the cylinder chamber 19 is emptied again.
  • phase 1 the occurring maximum pressure is determined. With the known piston effective area, the equivalent force Fmax is calculated. It is assumed that the second Zylin ⁇ derhunt 20 is vented at standstill of the piston or there prevails a constant pressure. From the measured
  • the respective combinations can also be refined in an actuator-specific way.
  • the results can be stored and reproduced on the display 25 or via the printer 26.
  • the reference values can be entered manually or can be determined automatically. It should be noted that these reference values are recorded in the "good" condition of the cylinder (or another actuator or a system) or during retraction.
  • the diagnostic module 4 which serves to detect valve switching errors, is only activated if the other diagnostic modules do not report faults, faults or defects. If all these diagnostic modules Ml to M3 and M5 have shown no error and nevertheless changes in the pressure build-up, this is due to a delayed or accelerated opening behavior of the valve 13. For detection, only the pressure sensor 18 in the respective working line is required. It is, as described in the diagnostic module 3, the pressure build-up phase used to measure the time of pressure rise. Then a diagnostic characteristic is formed, which characterizes the switching time. From the comparison of this Wenn ⁇ time with a reference switching time can then be concluded that the correct or incorrect switching of the valve 13 is the.
  • a measuring phase 1 begins when the valve 13 is switched on, that is to say with its switch-on signal, and ends with the start of movement of the piston from its end position.
  • the pressure reduction or deaeration phase is used as measurement phase 2. This can also be used to rate the time for switching back the valve.
  • the measuring phase 2 begins when the valve 13 is switched on or switched over while the piston is in its end position.
  • the time is measured until the pressure has risen to a predetermined percentage of its final value or maximum value.
  • the measurement phase 2 designed as a pressure reduction phase, in which the time is measured until the pressure on a NEN predetermined percentage value of its maximum value has fallen.
  • the measured time values are compared with reference time values and, in turn, the formed difference values are checked for exceeding specified tolerance values.
  • the end value or maximum pressure value of the filled chamber at standstill is required for the diagnosis. This value can be measured and stored once but can also be updated with each measurement.
  • the diagnostic module 5 works permanently. It requires the limit switch signals of the position sensors 23, 24 and the signals of the pressure sensor 18 and of the volume flow sensor 17. In this module, the cycle and travel times, the pressure and the air consumption are formed and monitored for deviations. Irrespective of the type of error, this diagnostic module therefore detects faults in the monitored subsystem that are noticeable in the travel times or the positioning times or the pressure or consumption. Thus, errors can also be detected as faults which can not be unambiguously associated with the faults that can be detected by the other modules. The respective measured values, ie positioning time, travel time, air consumption, maximum pressure value and average pressure value, are compared with corresponding reference values. From this, differential values are formed and checked for undershoot or overshoot of permissible tolerance values. In the individual case, this error coarse identification can then be specified by the more exact error determination of the diagnosis modules M1 to M4.
  • the diagnosis modules M1 to M3 represent the most important diagnostic modules.
  • the diagnostic module M4 and / or M5 can also be dispensed with. It is included of course also possible to add additional diagnostic modules.
  • the diagnostic modules can in principle be designed as separate diagnostic circuits, but they will preferably be designed as functional groups of a diagnostic program that runs either in the diagnostic electronics 22 or in the electronic control device 21 or a central control electronics.

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Description

Diagnosevorrichtung für wenigstens eine pneumatische Ventil-Aktuator-Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Diagnosevorrichtung für wenigs¬ tens eine pneumatische Ventil-Aktuator-Anordnung, mit einem Drucksensor, einem Volumenstromsensor, einer Steuereinrich¬ tung zur Erzeugung von Steuersignalen für die Ventil- 5 Aktuator-Anordnung und mit Positionssensoren zur Positionser¬ fassung wenigstens eines bewegbaren Aktuatorglieds.
Derartige Diagnosevorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 19628221 C2 oder der DE 10052664 Al bekannt und dienen insbesondere auch zur Prozessüberwachung. Bei den bekannten lo Einrichtungen werden gespeicherte Referenzkurven für den
Druck, beispielsweise an einem Aktuator, und/oder für den Vo¬ lumenstrom des Pneumatikmediums mit aktuell gemessenen Druck¬ verläufen und Volumenstromverläufen verglichen, wobei Über¬ schreitungen von vorgegebenen Toleranzen zu Diagnosemeldungen i5 führen. Die bekannten Vorrichtungen eignen sich lediglich zur Bestimmung des Fehlerorts, also welches Ventil oder welcher Aktuator oder welche Ventil-Aktuator-Anordung eine Fehlfunk¬ tion aufweist. Die genaue Art der Fehlfunktion kann jedoch bei den bekannten Vorrichtungen nicht festgestellt werden.
2o Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Diagnosevorrichtung für solche Ventil-Aktuator-Anordungen zu schaffen, durch die die Art des aufgetretenen Fehlers detek- tiert und gemeldet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Diagnosevor¬ richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung beste¬ hen insbesondere darin, dass auftretende Fehler exakt unter Vermeidung aufwendiger mathematischer Modelle und bei relativ geringer erforderlicher Sensorik bestimmt werden können. Die generierten Diagnosemeldungen liefern eindeutige Informatio- nen zu Art und Ort des Fehlers in der Ventil-Aktuator-
Anordung. Durch das Zusammenwirken verschiedener Diagnosemo¬ dule und insbesondere durch die Reihenfolge der Abarbeitung können eindeutige Fehleraussagen erfolgen und Fehlerkennungen vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An¬ spruch 1 angegebenen Diagnosevorrichtung möglich.
In vorteilhafter Weise dient das dritte Diagnosemodul zur De- tektion von Last- und Reibungsänderungen bei bewegbarem Aktu- atorglied, wobei ein viertes Diagnosemodul zur Detektion von Ventilschaltfehlern vorgesehen ist, das bei einer Fehlerer¬ kennung durch das dritte Diagnosemodul deaktiviert ist. Dies dient zur sicheren Unterscheidung dieser beiden Fehlerarten.
Das erste Diagnosemodul ist zur Überwachung des Druckmittels des Drucksensors in einer abgeschlossenen, unter Druck ste¬ henden Kammer des Aktuators während vorzugsweise durch Posi¬ tionssensoren detektierten Pausenphasen ausgebildet. Diese können dadurch in vorteilhafter Weise zur Diagnose verwendet werden. Hierzu besitzt das erste Diagnosemodul Mittel zur Er- mittlung des Druckgradienten und/oder des Leckagevolumen¬ stroms und/oder des Strömungsleitwerts für die Leckagestelle sowie Vergleichsmittel zum Vergleich mit Referenzwerten, de¬ ren Überschreitung eine Leckagemeldung erzeugt. Hieraus kön- s nen sogar noch quantitative Daten ermittelt werden. Unter Be¬ rücksichtigung der Tatsache, dass bei einem internen Leck (zum Beispiel defekte Kolbendichtung) der Leckageleitweg im¬ mer kleiner wird, während er bei einem externen Leck über die Messzeit nahezu konstant bleibt, kann zudem noch durch ent- lo sprechende Auswertemittel interne und externe Leckage unter¬ schieden werden.
Die Erkennung einer Drosselung in der Ventil-Aktuator- Anordung erfolgt in vorteilhafter Weise durch das zweite Di¬ agnosemodul, das jeweils den Strömungsleitwert während durch i5 die Positionssensoren detektierten Bewegungsphasen des beweg¬ baren Aktuatorglieds ausgebildet ist. Das zweite Diagnosemo¬ dul arbeitet somit abwechselnd zum ersten Diagnosemodul, das in den Pausenphasen arbeitet .
Das zweite Diagnosemodul besitzt zweckmäßigerweise Mittel zur 20 Berechnung des Mittelwerts des Strδmungsleitwerts während der Bewegung des Aktuatorglieds, wobei Vergleichsmittel zur Über¬ prüfung dieses Mittelwerts auf Abweichungen von wenigstens einem Referenzwert vorgesehen sind, die ab einer vorgebbaren Grenzwertabweichung eine Meldung über eine irreguläre Drosse- 25 lung erzeugen. Da die Temperatur nicht unwesentlich den Strö¬ mungsleitwert beeinflusst, sind Schaltmittel vorgesehen, die das zweite Diagnosemodul bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur oder bei extremen Temperaturänderungen deak¬ tivieren.
30 Das dritte, zur Detektion von Last- und Reibungsänderungen beim bewegbaren Aktuatorglied dienende Diagnosemodul ist vor- zugsweise zur Überwachung eines der folgenden Druckwerte auf Abweichungen von vorgebbaren Normdruckwerten ausgebildet: Ma¬ ximaler Druck zwischen Betätigungssignal und entsprechendem Beginn der Bewegungsphase aus einer Endlage heraus, mittlerer 5 Druck während der Bewegungsphase bei Befüllung einer Aktua- torkammer, mittlerer Druck während der Bewegungsphase bei Entleerung dieser Aktuatorkammer. Werden alle diese Druckwer¬ te erfasst, so kann eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten hinsichtlich Last- und Reibungsänderungen unterschieden wer- lo den. Dabei wird lediglich das Signal des Drucksensors und Po¬ sitionssensoren zur Bewegungserkennung benötigt.
Eine bevorzugte Art der Auswertung erfolgt durch Mittel zur Berechnung der äquivalenten Kraftwerte und zur Ermittlung und Bewertung von Differenzwerten in Bezug auf entsprechende i5 Normwerte.
Das zur Detektion von Ventilschaltfehlern dienende vierte Di¬ agnosemodul tritt nur in Tätigkeit, wenn alle anderen Diagno¬ semodule keine Diagnosemeldungen erzeugen. Nur dann kann näm¬ lich sicher auf Ventilschaltfehler geschlossen werden. Hierzu
2o wird in vorteilhafter Weise die Zeit des Druckanstiegs ab ei¬ nem entsprechenden Ventilschaltsignal bis zu einem vorgebba¬ ren Prozentwert seines Druckendwertes und/oder die Zeit des Druckabbaus ab einem entsprechenden Ventilschaltsignal bis zu einem vorgebbaren abgesunkenen Prozentwert seines Druckend-
25 werts überwacht. Hierzu besitzt das vierte Diagnosemodul Mit¬ tel zur Erfassung des Druckendwertes bei befüllter Aktuator¬ kammer und Stillstand des Aktuatorglieds.
In einer bevorzugten Ausführung besitzt das vierte Diagnose¬ modul Mittel zur Zeiterfassung der Druckanstiegs- und/oder 3o Druckabbauzeiten und zur Bestimmung des Differenzwertes zu Normzeiten, die ab einer Überschreitung vorgebbarer Diffe¬ renzwerte eine Diagnosemeldung erzeugen.
Eine weitere Verbesserung und Vervollständigung der Diagnose kann noch durch ein permanent arbeitendes fünftes Diagnosemo- 5 dul erreicht werden, das zur Überwachung des Luftverbrauchs und/oder des Druckniveaus und/oder von Positionierzeiten und Zykluszeiten ausgebildet ist, wobei Schaltmittel zur Deakti¬ vierung des wenigstens einen dritten Diagnosemoduls bei einer Fehlererkennung durch das fünfte Diagnosemodul dienen. Hier- lo durch können Fehler als Störungen erfasst werden, die nicht eindeutig den Fehlern in den übrigen Modulen zuordenbar sind und unabhängig von der Fehlerart entsprechende Störungen im Luftverbrauch, im Druckniveau oder in den Positionierzeiten und Zykluszeiten detektieren.
i5 Das fünfte Diagnosemodul besitzt zweckmäßigerweise Ver¬ gleichsmittel zum Vergleich mit entsprechenden Referenzwer¬ ten, zur Erfassung von Abweichungen von den Referenzwerten und zur Prüfung der Abweichungen auf Überschreitung von vor¬ gebbaren Grenzwerten, die zu einer Diagnosemeldung führen.
2o Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine als Pneumatikzylinder und Steuerventil für diesen ausgebildete Ventil-Aktuator-Anordung, die mit einer Diagnosevorrichtung als Ausführungsbei- 25 spiel der Erfindung verbunden ist, und
Figur 2 eine detailliertere Darstellung und Unterteilung der Diagnosevorrichtung in Diagnosemodule. Die in Figur 1 dargestellte Ventil-Aktuator-Anordung besteht aus einem schematisch dargestellten Pneumatikzylinder 10, in dem ein mit einer Kolbenstange 11 versehener Kolben 12 ver¬ schiebbar und pneumatisch antreibbar ist. Dieser Pneumatikzy- s linder 10 stellt eine mögliche Ausführung eines Aktuators dar, wobei auch andere Ausführungen von Aktuatoren, wie un¬ terschiedliche Arten von Linearantrieben, Stellantrieben, Drehantrieben und dergleichen, möglich sind.
Zur Betätigung des Kolbens 12 dient ein Ventil 13, das bei- lo spielsweise als 5/2- oder 5/3-Schaltventil ausgebildet sein kann. Dieses Ventil 13 ist an eine Druckzuführungsleitung 14 zur Zuführung eines Arbeitsdrucks p angeschlossen. Über Lei¬ tungen 15 kann der Kolben 12 je nach Ventilstellung auf der einen oder der anderen Seite mit dem Druck beaufschlagt wer- i5 den, damit er sich in den beiden Bewegungsrichtungen gesteu¬ ert bewegen kann. Anstelle eines Schaltventils kann prinzi¬ piell auch ein Proportionalventil vorgesehen sein, wobei das jeweilige Ventil auch im oder am Pneumatikzylinder integriert sein kann.
20 In den beiden Leitungen 15 zwischen dem Ventil 13 einerseits und den beiden Endbereichen des Pneumatikzylinders 10 ande¬ rerseits sind in üblicher Weise Drossel-Rückschlagventile 16 geschaltet. In der die Kolbenstangenseite des Kolbens 12 mit Druck beaufschlagenden Leitung 15 sind noch ein Volumenstrom-
25 sensor 17 und ein Drucksensor 18 zur Erfassung des Pneumatik¬ drucks in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 19 ange¬ ordnet. Prinzipiell kann der Volumenstromsensor 17 und der Drucksensor 18 auch mit der entgegengesetzten Zylinderkämmer 20 verbunden sein.
3o Eine elektronische Steuereinrichtung 21 dient zur Steuerung des Ventils 13 und damit der Bewegung und Position des KoI- bens 12 im Pneumatikzylinder 10. Diese elektronische Steuer¬ einrichtung 21 ist mit einer Diagnoseelektronik 22 versehen, wobei die Diagnoseelektronik 22 in der elektronischen Steuer¬ einrichtung 21 integriert oder als separates Gerät ausgebil- det sein kann. Der Drucksensor 18 und der Volumenstromsensor 17 sowie Positionssensoren 23, 24 zur Erfassung der Endposi¬ tion bzw. Endlagen des Kolbens 12 sind mit Eingängen der Di¬ agnoseelektronik 22 verbunden. Die Steuersignale der elektro¬ nischen Steuereinrichtung 21 für das Ventil 13 sind ebenfalls der Diagnoseelektronik 22 zugeführt, in der dargestellten in¬ tegrierten Form durch interne Zuführung.
Mittels der Diagnoseelektronik 22 im Rahmen der Diagnose er¬ kannte Fehler, Fehlfunktionen oder Defekte können angezeigt und/oder registriert werden. Hierzu kann die Diagnoseelektro- nik 22 oder die elektronische Steuereinrichtung 21 einen ent¬ sprechenden Fehlerspeicher besitzen. Weiterhin ist die Diag¬ noseelektronik 22 ausgangsseitig mit einem Display 25 und ei¬ nem Drucker 26 verbunden, um Diagnosemeldungen anzeigen bzw. ausdrucken zu können. Diese als Anzeigevorrichtungen für Di- agnosemeldung dienenden Geräte können selbstverständlich auch durch andere und einfachere Geräte ersetzt werden, beispiels¬ weise eine LED-Fehleranzeige, durch die die verschiedenen Fehlerarten zur Anzeige gelangen können.
In Figur 2 ist die Diagnosevorrichtung hinsichtlich des Diag- noseablaufs und der Diagnosefunktionen schematisch darge¬ stellt. Wesentlich ist dabei das Zusammenwirken der einzelnen Diagnosemodule Ml bis M5 bzw. die Reihenfolge deren Abarbei¬ tung, um eindeutige Fehleraussagen treffen zu können. Wesent¬ lich ist dabei die gezielte Auswertung der Diagnoseinformati- onen aus den einzelnen Diagnosemodulen Ml bis M5 für ein pneumatisches Subsystem, das im Ausführungsbeispiel gemäß Fi¬ gur 1 durch eine Ventil-Aktuator-Anordung 10, 13 realisiert ist. Dabei überwachen die Diagnosemodule Ml bis M5 die Ven¬ til-Aktuator-Anordung auf häufig vorkommende qualitative und quantitative Fehler.
Die Diagnosemodule gemäß Figur 2 werden grundsätzlich nur ak- tiviert, wenn der Betriebsdruck p nicht mehr als durch vorge¬ gebene Toleranzen von einem Referenzdruck abweicht. In einem ersten Schritt werden die Diagnosemodule Ml und M2 gestartet, um das Subsystem auf Leckagen oder Drosselungen in der Ar¬ beitsleitung zu prüfen. Diese beiden Module sind mit der obi- gen Einschränkung permanent aktiv, da sie stets eindeutige Aussagen liefern. Wenn keine Leckagen oder Drosselungen auf¬ treten, wird das Modul M3 zur Überwachung veränderter Lasten oder Reibung aktiviert. Liefert auch dieses Modul keine Ab¬ weichungen von vorgegebenen Referenznormen, kann das Modul M4 zur Detektion von Ventilfehlem aktiviert werden. Sofern ein Fehler in dieser Kette auftritt, wird das nachfolgende Modul stets deaktiviert. Dies ist durch Schalter 27, 28 schematisch dargestellt. Diese Reihenfolge stellt sicher, dass die Diag¬ nosemodule stets eindeutige Fehleraussagen treffen.
Das Diagnosemodul M5 arbeitet ständig. Durch dieses Modul M5 werden die Zyklen- und Verfahrzeiten, der Druck und der Luft- verbrauch auf Abweichungen überwacht. Dabei werden unabhängig von der Fehlerart Störungen im Subsystem detektiert, die sich in den Verfahrzeiten oder dem Druck oder dem Volumenstrom be- merkbar machen. Somit werden auch Fehler als Störungen er- fasst, die nicht eindeutig den Fehlern in den Diagnosemodulen Ml bis M4 zuordenbar sind. Die NOR-Verknüpfung 29 bewirkt, dass die Diagnosemodule M3 und M4 nur aktiviert werden, wenn die Diagnosemodule Ml, M2 und M5 keine Fehler oder Störungen melden. Wie bereits ausgeführt, besteht beim Diagnosemodul M4 noch die zusätzliche Bedingung, dass auch das Diagnosemodul M3 keine Fehler oder Störungen detektiert. Beim zur Detektion einer Leckage dienenden ersten Diagnosemo- dul Ml wird während Pausenphasen, in denen der Kolben 12 in einer seiner beiden Endlagen steht, die unter dem Druck pl stehende Seite abgesperrt. Beim dargestellten Ausführungsbei- spiel handelt es sich hierbei um die Zylinderkammer 19, da diese mit dem Drucksensor 18 verbunden ist. Während dieser Messzeit, die der Länge der Pausenphase entspricht, wird der Druckgradient Δp/Δt bestimmt . Die Druckdifferenz wird dann aus der Differenz zwischen Anfangswert und Endwert ermittelt. Der berechnete Leckagestrom ändert sich über der Zeit, da sich die unter Druck stehende Zylinderkämmer 19 entleert. Der Leckagestrom Q1 ergibt sich zu:
Dabei ist V das Kammervolumen und PN der Bezugsdruck, die beide Konstanten sind. Um eine Vergleichsgröße über die Größe der Leckagestelle zu gewinnen, wird der Leitwert C berechnet. Der C-Wert ist proportional zur Öffnungsfläche der Leckage¬ stelle und wird wie folgt berechnet :
C =Q- (2)
P
Der Leitwert C wird wie der Druckgradient während des gesam¬ ten Messvorgangs ständig aktualisiert, ist also eine Funktion der Zeit C = C (t) . Wenn keine Leckage auftritt, nimmt der Leitwert C Werte von nahezu 0 an. Aufgrund von Messrauschen wird jedoch als Leitwertreferenz Cref ein Wert > 0 angesetzt. Der gemessene C-Wert überschreitet im Falle einer Leckage den Referenzleitwert und ist dann näherungsweise konstant. Um ei¬ nen aussagekräftigen Vergleichswert zu besitzen, wird aus den während des Messvorgangs ermittelten C-Werten ein Maximalwert Cmax bestimmt. Dieser wird dann mit dem Referenzleitwert ver¬ glichen.
Die Pausenphasen bzw. Messzeit werden durch Endschaltersigna¬ le und durch Kenntnis der AblaufSequenz detektiert. Falls der Versorgungsdruck p unter einen vorgebbaren Minimalwert von beispielsweise 2 bar sinkt, dann ist die Formel zur Berech¬ nung des Leitwerts nicht mehr gültig, und der Messvorgang wird abgebrochen.
Zur Detektion unterschiedlicher Leckagen kann die Größe der Leitwertreferenz individuell angepasst werden. Eine zusätzli¬ che Auswertung gestattet die Unterscheidung zwischen einer internen Leckage am Kolben, zum Beispiel bei undichter oder defekter Kolbendichtung, und einer externen Leckage, bei¬ spielsweise durch undichte oder defekte Kolbenstangendichtung oder defekte Schläuche bzw. Leitungen. Bei interner Leckage erfolgt die Entlüftung in die andere Zylinderkammer. Dadurch ist der Druckabfall zu Beginn relativ groß, und mit zuneh¬ mendem Druckanstieg in der befüllenden Kammer wird der Lecka¬ gestrom und der C-Wert immer kleiner, bis bei Druckausgegli- chenheit der Volumenstrom und C-Wert gegen null gehen. Dies ist ein eindeutiges Indiz für interne Leckage. Ein zusätzli¬ ches Indiz für eine interne Leckage besteht darin, dass beim Überströmen der Kolbendichtung und abgesperrter Kammer eine Bewegung des Aktuators möglich ist, wenn es sich um einen Ak- tor mit unterschiedlichen Wirkflächen handelt, wie dies zum Beispiel beim Differentialzylinder der Fall ist. Beim Über¬ strömen erfolgt ein Druckausgleich zwischen beiden Aktuator- kammern. Durch die unterschiedlichen Kolbenflächen resultiert eine Kraftwirkung, durch die der Aktuator aus der Endlage fährt. Mittels des Endlagenschaltersignals des Positionssen¬ sors 24 bzw. 23 ist dies detektierbar. Bei externer Leckage erfolgt eine Entlüftung nach außen. Bei vollkommener Leerung der Zylinderkämmer kann definitiv auf externe Leckage geschlossen werden. Der C-Wert ist hier über der Messzeit nahezu konstant, und als Kriterium über die Höhe der Leckage wird der C-Wert am Ende der Messung verwendet. Ist die Messzeit nicht ausreichend lang genug, wird keine vollständige Entleerung erreicht, und es kann nicht mehr ein¬ deutig zwischen externer und interner Leckage unterschieden werden. Für die meisten Anwendungen kann aber bei stetig sin- kendem Druck über der Messzeit auf eine externe Leckage ge¬ schlossen werden. Die Messzeit sollte daher möglichst lang gewählt werden, das heißt, die Pausenzeiten sollten effektiv ausgenutzt werden.
Interessiert die quantitative Größe des Leckagestroms, so muss der Bezugsdruck pn gemäß folgender Gleichung bestimmt werden:
pN ist die Normdichte, wobei je nach gewählter Normierung des Volumenstroms PN = 1,293 kg/m3. T ist die Bezugstemperatur, wobei die Betriebstemperatur zur Abschätzung verwendet werden kann. Der Entlüftungsvorgang wird als isotherm angenommen, daher gilt K = 1,0. R beträgt für trockene Luft 287 J/ (kg • K) , und für Luft bei 65 % relativer Luftfeuchtigkeit ist R = 288 J/ (kg • K) . Damit ergibt sich für Normalbedingungen ein Bezugsdruck, der dem Normdruck von pn von 1,0135 bar ent¬ spricht. Dieser Wert kann in die erste Gleichung eingesetzt werden, woraus sich der Leckagestrom mit Hilfe der übrigen Parameter errechnen lässt . Die Erfassung einer zunehmenden oder auch abnehmenden Drosse¬ lung (z.B. Verstellungen der Drossel oder Verstopfungen oder geknickte Schläuche) basiert auf der Nutzung des Drucksignals pl und des Volumenstroms q in der betreffenden Arbeitslei- tung. Die Sensorik wird dabei gemäß Figur 1 auf der Kolben¬ stangenseite angeordnet, also mit der Zylinderkammer 19 ver¬ bunden. Das Diagnosemodul M2 ermittelt, ob eine Drosselung in der gesamten Leitung beginnend vom Ventil 13 bis zum An- schluss an die Zylinderkämmer 19 vorliegt. Ursachen für eine zu- bzw. abnehmende Drosselung sind zum Beispiel eine geöff¬ nete oder geschlossene Ablaufdrossel, ein geknickter Schlauch, Verstopfungen im Schlauch, Vereisungen, Drosselun¬ gen in der Anschlussleitung des Pneumatikzylinders 10, nicht ganz öffnendes Ventil.
Zunächst wird ein Leitwert C als Diagnosewert aus dem Druck pl und dem Volumenstrom q ermittelt. Dieser C-Wert ist ein Maß für die durchströmte Fläche und wird für die Fehlerdiag¬ nose mit einem Referenzwert verglichen. Zur Kalkulation für den Leitwert C kann die Ausfahr- und/oder die Einfahrrichtung des Aktuators verwendet werden. Ausreichend ist eine Bewe¬ gungsphase. Vorzugsweise wird die Bewegungsrichtung X gemäß Figur 1 genutzt, bei welcher eine Entlüftung aus der Zylin¬ derkammer 19 erfolgt. Der Leitwert C für diese Ausfahrrich- tung wird gemäß folgender Gleichung berechnet :
pu ist dabei der Umgebungsdruck, gegen den entlüftet wird. Die Gleichung beschreibt dabei die Verhältnisse bei unterkri¬ tischen Betriebsbedingungen, bei denen gilt pu/pl > b. Der Kennwert b kann für die Diagnose als Konstante b = 0,528 frei gewählt werden. TN ist die Normtemperatur und TB ist die Tem¬ peratur in der Druckkammer, welche näherungsweise der Be¬ triebstemperatur gleichgesetzt werden kann. Wenn keine extre¬ men Temperaturveränderungen vorliegen, so wird die Temperatur für die Diagnose nicht berücksichtigt. Bei großen Änderungen der Temperatur wird das Diagnosemodul M2 deaktiviert.
Für überkritische Betriebsbedingungen (pu/pl <= b) gilt fol¬ gende Gleichung:
Der berechnete Leitwert C wird während des gesamten Messvor¬ gangs ständig aktualisiert, ist also eine Funktion der Zeit C = C (t) . Bei konstanter Durchströmungsfläche ist jedoch der dynamisch kalkulierte Leitwert nahezu konstant. Im Falle des Entlüftungs- oder Befüllungsbeginns können jedoch Druckspit- zen und damit auch kurze Spitzen im Leitwert auftreten. Wäh¬ rend des Messvorgangs wird aus den berechneten Leitwerten C ein Mittelwert gebildet und mit einem Referenzleitwert ver¬ glichen. Die Differenz aus Messwert und Referenzleitwert wird mit einem maximal zulässigen Toleranzwert verglichen, dessen Überschreitung zu einer Diagnosemeldung führt, dass eine zu große oder zu kleine Drosselung vorliegt. Der Leitwert wird dabei während der Bewegung des Kolbens 21 bestimmt, wozu die beiden Endschaltersignale der Positionssensoren 23, 24 die¬ nen.
Das Diagnosemodul M3 dient zur Erkennung von Last- und Rei¬ bungsänderungen am Aktuator, also am Pneumatikzylinder 10 bzw. an der angebauten Mechanik. Wie bereits ausgeführt, wird dieses Modul nur aktiviert, wenn zuvor sichergestellt wurde, dass keine Drosselungen oder Leckagen aufgetreten sind, dass also die Diagnosemodule Ml und M2 keine Fehler festgestellt haben, was auch für das Diagnosemodul M5 gilt, das noch be¬ schrieben wird. Für diese Diagnose wird nur der Drucksensor 18 benötigt. Für die Berechnung können die Druckaufbauphase 5 (Befüllung der Zylinderkämmer 19) sowie die Bewegungsphasen (Ausfahren und Einfahren) genutzt werden. Diese Phasen werden im Folgenden beschrieben.
Während der Druckaufbauphase (Phase 1) steht der Kolben 21. Definiert ist diese Phase ab dem Schaltsignal am Ventil 13, lo bis zum Zeitpunkt, zu welchem sich der Kolben 12 aus seiner Endlage bewegt. Die Phase 2 ist die Verfahrphase, in der die Zylinderkammer 19 befüllt wird. Phase 3 ist die Verfahrphase in die Gegenrichtung, also in die Richtung X, in der die Zy¬ linderkammer 19 wieder entleert wird.
i5 In der Phase 1 wird der auftretende maximale Druck bestimmt. Mit der bekannten Kolbenwirkfläche wird die äquivalente Kraft Fmax berechnet. Dabei wird angenommen, dass die zweite Zylin¬ derkammer 20 bei Stillstand des Kolbens entlüftet ist oder dort ein konstanter Druck vorherrscht. Aus dem gemessenen
2o Druck während der Verfahrzeit in der Phase 2 wird ein mittle¬ rer Druck berechnet, aus dem wiederum eine mittlere äquiva¬ lente Kraft Fmedi berechnet wird. Dasselbe gilt für die Phase 3, in der wiederum eine mittlere äquivalente Kraft Fmed2 be¬ rechnet wird. Zur Bildung der mittleren Druckwerte werden
25 diese aufsummiert und durch die Anzahl der Messwerte divi¬ diert. Zur Bildung aussagekräftiger Werte empfiehlt sich eine Aufnahme der Kennwerte über mehrere Zyklen, die Zwischenspei- cherung und anschließende Generierung von Mittelwerten.
Für alle gemessenen Kraftwerte sind gespeicherte Referenzwer-
3o te vorhanden, die bei ordnungsgemäßer Funktion auftreten. Aus diesen und den gemessenen Kraftwerten werden nun jeweils Dif- ferenzwerte ΔFmax, ΔFmedi und ΔFmed2 gebildet. Bei der Auswertung wird nun überprüft, ob diese Differenzwerte außerhalb vorge¬ gebener Toleranzgrenzen liegen. Aus den Kombinationen der so erhaltenen Ergebnisse können verschiedene Diagnoseaussagen gemacht werden:
a) Überschreitet einer der Differenzwerte signifikant den vorgegebenen Toleranzwert, so liegt ein Fehler in den Reibungs- oder Lastverhältnissen vor.
b) Sind alle drei Differenzwerte positiv und überschrei- ten einen vorgegebenen Toleranzwert, so liegt eine zie¬ hende Last vor, also eine gegen die jeweilige Kraftrich¬ tung gerichtete Last.
c) Sind alle drei Differenzwerte negativ und überschrei¬ ten einen vorgegebenen Toleranzwert, so liegt eine drü- ckende Last vor, also eine Last, die in Kraftrichtung wirkt.
d) Übersteigt ΔFmax seine zulässige Toleranzgrenze, blei¬ ben die übrigen Werte jedoch innerhalb ihrer Toleranz- grenzen, so liegt eine Haftreibungserhöhung vor.
e) Steigt der Differenzwert ΔFmedi und sinkt der Wert
ΔFmed2 über die jeweilige Toleranzgrenze, so hat sich die Gleitreibung erhöht.
Weitere Kombinationen ermöglichen zusätzliche Aussagen. Die jeweiligen Kombinationen können auch aktuatorspezifisch ver- feinert werden. Die Ergebnisse können gespeichert und am Dis¬ play 25 bzw. über den Drucker 26 wiedergegeben werden. Die Referenzwerte können manuell eingegeben werden oder las¬ sen sich automatisch ermitteln. Dabei ist zu beachten, dass diese Referenzwerte im "Gutzustand" des Zylinders (oder eines anderen Aktuators bzw. einer Anlage) bzw. beim Einfahrvorgang aufgenommen werden.
Das Diagnosemodul 4, das zur Erkennung von Ventilschaltfeh¬ lern dient, wird nur aktiviert, wenn die übrigen Diagnosemo¬ dule keine Fehler, Störungen oder Defekte melden. Wenn alle diese Diagnosemodule Ml bis M3 sowie M5 keinen Fehler aufge- zeigt haben und trotzdem Änderungen im Druckaufbau auftreten, so ist dies auf ein verzögertes oder beschleunigtes Öffnungs- verhalten des Ventils 13 zurückzuführen. Zur Detektion wird nur der Drucksensor 18 in der jeweiligen Arbeitsleitung benö¬ tigt. Es wird, ähnlich wie im Diagnosemodul 3 beschrieben, die Druckaufbauphase genutzt, um die Zeit des Druckanstiegs zu messen. Dann wird ein Diagnosekennwert gebildet, der die Schaltzeit charakterisiert. Aus dem Vergleich dieser Schalt¬ zeit mit einer Referenzschaltzeit kann dann auf das korrekte oder nicht korrekte Schalten des Ventils 13 geschlossen wer- den. Eine Messphase 1 beginnt beim Einschalten des Ventils 13, also mit seinem Einschaltsignal, und endet mit dem Bewe¬ gungsstart des Kolbens aus seiner Endlage. Zusätzlich wird als Messphase 2 die Druckabbau- bzw. Entlüftungsphase verwen¬ det . Damit kann auch die Zeit für das Zurückschalten des Ven- tils bewertet werden. Die Messphase 2 beginnt beim Ein- bzw. Umschalten des Ventils 13, während der Kolben in seiner End¬ lage steht.
In der eine Druckaufbauphase darstellenden Messphase 1 wird die Zeit gemessen, bis der Druck auf einen vorgegebenen Pro- zentwert seines Endwertes bzw. Maximalwertes angestiegen ist. Ähnliches gilt für die als Druckabbauphase ausgebildete Mess- phase 2, in der die Zeit gemessen wird, bis der Druck auf ei- nen vorgegebenen Prozentwert seines Maximalwerts abgesunken ist. Die gemessenen Zeitwerte werden mit Referenzzeitwerten verglichen und wiederum die gebildeten Differenzwerte auf Ü- berschreitung vorgegebener Toleranzwerte geprüft.
Zur Diagnose wird der Endwert bzw. maximale Druckwert der be- füllten Kammer im Stillstand benötigt. Dieser Wert kann ein¬ malig gemessen und abgespeichert werden, kann jedoch auch mit jeder Messung aktualisiert werden.
Das Diagnosemodul 5 arbeitet permanent. Es benötigt die End- schaltersignale der Positionssensoren 23, 24 und die Signale des Drucksensors 18 sowie des Volumenstromsensors 17. In die¬ sem Modul werden die Zyklen- und VerfahrZeiten, der Druck und der Luftverbrauch gebildet und auf Abweichungen überwacht. Dieses Diagnosemodul detektiert daher unabhängig von der Feh- lerart Störungen im überwachten Subsystem, die sich in den Verfahrzeiten oder den Positionierzeiten oder dem Druck oder dem Verbrauch bemerkbar machen. Somit können auch Fehler als Störungen erfasst werden, die nicht eindeutig den Fehlern zu- ordenbar sind, die durch die übrigen Module erfassbar sind. Die jeweiligen Messwerte, also Positionierzeit, Verfahrzeit, Luftverbrauch, maximaler Druckwert und mittlerer Druckwert, werden mit entsprechenden Referenzwerten verglichen. Daraus werden Differenzwerte gebildet und auf Unter- oder Über¬ schreitung zulässiger Toleranzwerte überprüft. Diese Fehler- groberkennung kann im Einzelfall dann durch die exaktere Fehlerbestimmung der Diagnosemodule Ml bis M4 spezifiziert werden.
Die Diagnosemodule Ml bis M3 stellen die wichtigsten Diagno¬ semodule dar. Bei einfacheren Ausführungen kann auch auf das Diagnosemodul M4 und/oder M5 verzichtet werden. Es ist dabei selbstverständlich auch möglich, zusätzliche Diagnosemodule anzufügen.
Die Diagnosemodule können prinzipiell als separate Diagnose¬ schaltungen ausgeführt werden, sie werden jedoch bevorzugt als Funktionsgruppen eines Diagnoseprogramms ausgebildet sein, das entweder in der Diagnoseelektronik 22 oder in der elektronischen Steuereinrichtung 21 bzw. einer zentralen Steuerelektronik abläuft.

Claims

Ansprüche
1. Diagnosevorrichtung für wenigstens eine pneumatische Ven- til-Aktuator-Anordnung, mit einem Drucksensor (18) , einem Vo¬ lumenstromsensor (17) , einer Steuereinrichtung (21) zur Er¬ zeugung von Steuersignalen für die Ventil-Aktuator-Anordnung
5 und mit Positionssensoren (23, 24) zur Positionserfassung we¬ nigstens eines bewegbaren Aktuatorglieds (21) , mit einem ers¬ ten Diagnosemodul (Ml) zur Leckagedetektion, mit einem zwei¬ ten Diagnosemodul (M2) zur Detektion einer Drosselung in pneumatischen Zu- oder Abführleitungen und mit wenigstens ei- lo nem dritten Diagnosemodul (M3, M4) zur Detektion von Last- und Reibungsänderungen beim bewegbaren Aktuatorglied (21) und/oder von Ventilschaltfehlern, wobei Schaltmittel (29, 27) zur Deaktivierung des wenigstens einen dritten Diagnosemoduls bei einer Fehlererkennung durch das erste (Ml) und/oder zwei- i5 te Diagnosemodul (M2) vorgesehen sind.
2. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass das dritte Diagnosemodul (M3) zur Detektion von Last- und Reibungsänderungen beim bewegbaren Aktuatorglied (21) ausgebildet ist, und dass ein viertes Diagnosemodul (M4)
20 zur Detektion von Ventilschaltfehlern vorgesehen ist, das bei einer Fehlererkennung durch das dritte Diagnosemodul (M3) de¬ aktiviert ist.
3. Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Diagnosemodul
25 (Ml) zur Überwachung des Drucks (pl) mittels des Drucksensors (18) in einer abgeschlossenen, unter Druck stehenden Kammer
(19) des Aktuators (10) während vorzugsweise durch Positions- sensoren (23, 24) detektierten Pausenphasen ausgebildet ist.
4. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeich- 5 net, dass das erste Diagnosemodul (Ml) Mittel zur Ermittlung des Druckgradienten (Δp/Δt) und/oder des Leckagevolumenstroms (Ql) und/oder des Strömungsleitwerts (C) für die Leckagestel¬ le sowie Vergleichsmittel zum Vergleich mit Referenzwerten besitzt, deren Überschreitung um vorgebbare Toleranzwerte ei- lo ne Leckagemeldung erzeugt.
5. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das erste Diagnosemodul (Ml) Auswertemit- tel zur Unterscheidung einer internen oder externen Leckage besitzt .
i5
6. Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Diagnosemodul (M2) zur Überwachung des Strömungsleitwerts (C) während durch die Positionssensoren (23, 24) detektierten Bewegungsphasen des bewegbaren Aktuatorglieds (21) ausgebildet ist.
2o
7. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich¬ net, dass das zweite Diagnosemodul (M2) Mittel zur Berechnung des Mittelwerts des Strδmungsleitwerts (C) während der Bewe¬ gung des Aktuatorglieds (21) besitzt, und dass Vergleichsmi- tel zur Überprüfung dieses Mittelwerts auf Abweichungen von
25 wenigstens einem Referenzwert vorgesehen sind, die ab einer vorgebbaren Toleranzwertabweichung eine Meldung über eine ir¬ reguläre Drosselung erzeugen.
8. Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel zur Deaktivie- rung des zweiten Diagnosemoduls (M2) bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur vorgesehen sind.
9. Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Diagnosemodul
5 (M3) zur Überwachung wenigstens eines der folgenden Druckwer¬ te auf Abweichungen von vorgebbaren Normdruckwerten ausgebil¬ det ist :
Maximaler Druck zwischen Betätigungssignal und entspre¬ chendem Beginn der Bewegungsphase aus einer Endlage, lo mittlerer Druck während der Bewegungsphase bei Befüllung einer Aktuatorkammer (19) , mittlerer Druck während der Bewegungsphase bei Entleerung dieser Aktuatorkammer (19) .
10. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn- i5 zeichnet, dass Mittel zur Berechnung der äquivalenten Kraft¬ werte (Fmax, Fmedi und Fmed2) und zur Ermittlung und Bewertung von Differenzwerten (ΔFmax, ΔFmedi und ΔFmeda) von entsprechenden Normwerten vorgesehen sind, wobei eine Überschreitung von vorgebbaren Toleranzwerten zu einer entsprechenden Diagnose-
2o meidung führt.
11. Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Diagnosemo¬ dul (M4) zur Überwachung der Zeit des Druckanstiegs ab einem entsprechenden Ventilschaltsignal (V) bis zu einem vorgebba-
25 ren Prozentwert seines Druckendwerts und/oder der Zeit des Druckabbaus ab einem entsprechenden Ventilschaltsignal (V) bis zu einem vorgebbaren Prozentwert seines Druckendwerts ausgebildet ist.
12. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das vierte Diagnosemodul (M4) Mittel zur Er¬ fassung des Druckendwerts bei befüllter Aktuatorkammer (19) und Stillstand des Aktuatorglieds (21) besitzt.
5 13. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Diagnosemodul (M4) Mittel zur Zeiterfassung der Druckanstiegs- und/oder Druckabbauzeiten und zur Bestimmung von Differenzwerten zu Referenzzeiten be¬ sitzt, die ab einer Überschreitung von vorgebbaren Toleranz- lo werten eine entsprechende Diagnosemeldung erzeugen.
14. Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünftes Diagnosemo¬ dul (M5) zur Überwachung des Luftverbrauchs und/oder des Druckniveaus und/oder von Positionierzeiten und Zykluszeiten i5 vorgesehen ist, wobei Schaltmittel (27, 29) zur Deaktivierung des wenigstens einen dritten Diagnosemoduls (M3, M4) bei ei¬ ner Fehlererkennung durch das fünfte Diagnosemodul (M5) vor¬ gesehen sind.
15. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn-
20 zeichnet, dass das fünfte Diagnosemodul (M5) Vergleichsmittel zum Vergleich mit entsprechenden Referenzwerten, zur Erfas¬ sung von Abweichungen von den Referenzwerten und zur Prüfung der Abweichungen auf Überschreitung von vorgebbaren Toleranz- werten besitzt, die eine entsprechende Diagnosemeldung erzeu-
25 gen.
16. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung des Luftverbrauchs zwischen einem eine Bewegung auslösenden Ventilsteuersignal (V) und dem Erreichen einer Endposition vorgesehen sind, wo- bei der Luftverbrauch vorzugsweise das Integral des Volumen¬ stromsignals über der Positionierzeit ist.
17. Diagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung des maxima- len Druckwerts und/oder des mittleren Druckwerts während ei¬ ner Bewegungsphase des Aktuatorglieds (21) vorgesehen sind.
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