EP2047118B1 - Verfahren zur fehlereingrenzung und diagnose an einer fluidischen anlage - Google Patents

Verfahren zur fehlereingrenzung und diagnose an einer fluidischen anlage Download PDF

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EP2047118B1
EP2047118B1 EP07703456A EP07703456A EP2047118B1 EP 2047118 B1 EP2047118 B1 EP 2047118B1 EP 07703456 A EP07703456 A EP 07703456A EP 07703456 A EP07703456 A EP 07703456A EP 2047118 B1 EP2047118 B1 EP 2047118B1
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EP
European Patent Office
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component
variance
chamber
components
case
Prior art date
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Jan Bredau
Reinhard Keller
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Festo SE and Co KG
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Festo SE and Co KG
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    • 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
    • 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 method for defect limitation and diagnosis on a fluidic system according to the preamble of claim 1.
  • Such a method is known DE 10 2005 016 786 known.
  • the air consumption curve is evaluated for error localization.
  • the air consumption curve is evaluated for error localization.
  • the time of the deviation on the faulty subsystem (for example valve actuator unit) or the faulty component is concluded from the time of the deviation on the faulty subsystem (for example valve actuator unit) or the faulty component.
  • Such errors which can occur in fluidic systems, have their causes, for example, in the wear of the components, in improper mounting, loose fittings, porous hoses, process disturbances and the like, resulting in the movements of the fluidic drives outer, and other leaks of various kinds.
  • diagnostic errors due to the change of certain boundary conditions, such as pressure and temperature avoid this document mentions the possible correction of air consumption with pressure and temperature.
  • in large fluidic systems in which a plurality of subsystems are sometimes active simultaneously, can not be determined with the known method, which of these components is faulty.
  • An object of the present invention is thus to improve the method of the type mentioned so that even with simultaneously active components and subsystems, an error, in particular a leak, can be unambiguously associated with a particular component or a particular subsystem.
  • the leakage location can be delimited stepwise in an advantageous manner, so that the fault location can be determined in a simple manner even with a large number of simultaneously active components or subsystems.
  • This is all the more a special advantage, as a strictly sequential sequence in fluidic systems, especially in large fluidic systems, is relatively rare.
  • Another advantage is that only the Aktorstellsignale and a volume flow sensor for determining the leakage location are required, that is, limit switches to actuators are not mandatory.
  • the stored references are fluid consumption reference curves formed from integrated volume flow values or conductance reference curves formed from integrated conductivity values (Q / P), which are compared with corresponding measured-value curves.
  • a plurality of parameter-dependent or parameter-dependent compensated fluid consumption reference curves or conductance reference curves are stored in a selection matrix and can be selected or specified for the respective cycle, for example, by checking them successively for correlation with the respective work cycle.
  • the reference curves are expediently detected in a learning mode, in particular also during the later operation of the fluidic system.
  • a curve comparison with respect to possible temporal displacements is preferably carried out before the diagnosis of leakage, with a tolerance value exceeding time shift is switched to other stored reference curves for their verification or an error message and / or a stop of another leakage diagnosis is triggered.
  • differential values or a difference curve between the measured variable curve and the reference curve are formed for particularly advantageous evaluation.
  • This difference curve is expediently filtered in a frequency-dependent manner by means of an integrator, which in particular has a phase shift of -90 ° in order to filter out interference signals and interference peaks.
  • a filtered compensation curve is then formed by calculating the slope of the integral of the difference values or the difference curve, which then enables a particularly simple, purposeful evaluation.
  • FIG. 1 a pneumatic system is shown schematically, which could in principle also be another fluidic system, such as a hydraulic system, act.
  • the pneumatic system consists of five subsystems 10-14 or components, which may each be actuators, such as valves, cylinders, linear actuators and the like, as well as combinations of the same. These subsystems 10-14 are fed by a pressure source 15, wherein in a common supply line 16, a flow meter 17 for measuring the flow or the flow rate is arranged.
  • An electronic control device 18 is used to specify the process of the system and is electrically connected to the subsystems 10-14 via corresponding control lines.
  • the subsystems 10-14 receive control signals from the electronic control device 18 and send sensor signals back to them.
  • sensor signals are for example position signals, limit switch signals, pressure signals, temperature signals and the like, which are not absolutely necessary in the simplest case.
  • the flowmeter 17 is connected to an electronic diagnostic device 19, in addition to the signals of a temperature sensor 20 and a pressure sensor 21 for measuring the temperature T and the pressure P in the supply line 16, ie the temperature and the pressure of the fluid supplied. Furthermore, a fluid sensor 23 for detecting the kind the fluid used and a moisture and / or particle sensor 24 for detecting the moisture content and the particle content of the fluid connected to the diagnostic device 19. This has in addition access to the sequence program of the electronic control device 18. The diagnostic results are supplied to a display 22, these diagnostic results of course also stored, printed, visually and / or audibly displayed or a central office via lines or wirelessly can be transmitted.
  • the sensors 20, 21 and 23 and 24 may also be omitted in a simplest embodiment, although at least one temperature sensor 20 and one pressure sensor 21 may be expediently provided.
  • the diagnostic device 19 can also be integrated in the electronic control device 18, which may contain, for example, a microcontroller for carrying out the sequence program and optionally for diagnosis.
  • each group has its own flow meter 17 to independently diagnose the subregions of the system associated with the groups, as described in the prior art mentioned above.
  • the diagnosis can be made in the simplest case by comparing stored and selected fluid consumption reference curves be carried out with corresponding measured value curves, wherein the fluid consumption reference curves are formed from integrated or totalized volumetric flow values.
  • diagnostic control values where the diagnostic control value is a characteristic variable of a fluidic system or of a fluidic system that consists of a variety of subsystems.
  • the conductance characterizes the behavior of the entire system over a defined cycle.
  • Conductance reference curves are formed in the simplest case of integrated conductivity values Q / P, where Q is the respective volume flow value and P is the measured working pressure. These conductance reference curves are compared with corresponding measured value curves, ie with measured value curves formed from integrated conductance variables.
  • the Leitwertiere essentialn or Leitwertkurven and Leitwert-reference curves can be compensated and refined by other measurement parameters, for example by the measured operating temperature T, the moisture content and / or the particle content of the fluid, the type of fluid and of each time or event-dependent operating conditions.
  • Such operating states are, for example, the warm-up, the operation after a long standstill, the reclosure when retrofitting or the operation after predetermined time intervals, so for example after a one-hour or ten-hour or several hours of operation.
  • the following discussion of fault isolation and diagnosis is based on conductance, and fluid consumption values could be used accordingly.
  • Non-cyclic processes can be subdivided into subcycles, to which the diagnostic procedure is then applied.
  • Different operating conditions in a process can be considered by taking and storing a set of reference curves in a selection matrix. This also applies to the influence of different parameters.
  • the respective measured curve must now be synchronized with the selected or selected reference curve, that is, without leakage, the two curves are congruent, with leakage they run synchronously in time, but show deviations in the amplitude.
  • the two curves to be compared must therefore first be checked for correlation, that is, it must be checked whether temporal shifts have occurred, for example due to changes in processes within a cycle. If temporal shifts have been detected over a defined tolerance, the further evaluation of leaks is stopped and a message regarding changes in the times of subsystems is generated. A time error is detected when the value of the air consumption at the end of the cycle is within a tolerance range, but the cycle time is different, as in FIG. 2 is shown.
  • the two curves run synchronously until the time ta, and from this point on a time difference ⁇ t occurs between the curve Km and the reference curve Kref, which remains constant until the end of the cycle at the point in time tb. If a time error increases more and more as the cycle progresses, an attempt can be made to correlate by choosing another reference curve. Only when all stored reference curves have been checked and no correlation could be achieved, is there a faulty time shift, and a subsequent leak diagnosis is omitted. A corresponding message can then be displayed, saved or forwarded.
  • the formed difference curve which in FIG. 3 , shown below, defines at each instant the summed distance of the measured quantity curve from the reference curve.
  • the time points of leaks show the staircase increases in the difference. In the following evaluations, these increases in the difference are assigned to the leak-causing subsystems or components or actuator chambers.
  • the calculated difference or difference curve can be filtered.
  • the change in the phase position and the amplitude is frequency-dependent.
  • an integrator is used, which has a fixed phase shift of -90 °. Thus, no different phase shift is to be considered in the later evaluation of the signals.
  • the amplitude response can be adjusted by changing the sampling time so that there is a constant attenuation of the amplitude in the desired frequency range, while other frequencies are filtered.
  • a compensation function of the integral of the calculated difference is subsequently formed.
  • the choice of the corresponding compensation function can be made according to the Gaussian least squares principle. It must be determined which curve best suits the calculated measurement points of the difference.
  • a compensation straight line is selected as the simplest possibility of a compensation function. Of course, other compensation functions are possible. Any occurring leakage leads to a change in the slope and the center distance of the regression line to the abscissa.
  • determining the slope from the integral of the difference a representation is obtained which corresponds to that in FIG. 3 shown difference curve, but is phase-shifted by minus 90 °.
  • the center distance from the integral of the difference there is also a representation that corresponds to the in FIG.
  • leakage would occur only at time t0, to which chamber A of subsystem 10, chamber B of subsystem 11, and chamber A of subsystem 12 are vented, and subsequently at a later time Chamber B of subsystem 11 and chamber A of subsystem 12 vented while chamber A of subsystem 10 is not involved, and then leakage does not occur, then chamber B of subsystem 11 and chamber A of subsystem 12 may be causative Components are excluded, and it can then finally the chamber A of the subsystem 10 are recognized as causing leakage.
  • a particularly suitable type of evaluation in particular in the case of a very large number of subsystems or components, is that each chamber of an actuator, that is, for example, two chambers in a working cylinder, are each assigned two counters. Furthermore, each chamber is assigned a timer. The timer is used to exclude additional actuator chambers or components from the consideration of a leak. If a chamber or a component is under pressure and no leakage occurs within a preselected time value of the timer, then this chamber is also treated as not involved in the leakage and excluded for further leak detection.
  • the electrical components, ie counters and timers are located, for example, in the diagnostic device 19.
  • the timers When starting an operating cycle, the timers are now started, and when a leak occurs, they are each reset to the value zero and there until the end kept the leakage. Now, if the chamber in question during the reset state of the timer or at least during a part of the reset state under pressure, this chamber comes as responsible for the leakage into consideration, and it is checked whether the slope and the center distance of the straight line or other Compensation function has increased by a predeterminable value or by a predefinable percentage (based, for example, on the respective maximum value of or one of the preceding cycles). In this case, the counter responsible for the grade and / or the counter associated with the offset will be incremented by the value 1.
  • the associated counters are incremented by a further counter value, depending on the increase in the slope and / or the center distance.
  • the counts of both counters of a chamber or component are added together at the end of the cycle.
  • the chamber with the highest total count at the end of an operating cycle is most likely to be responsible for the leakage.
  • the chamber or component with the second highest total count is involved in the leakage with the second highest probability. This is important if several leaks occur in the system.
  • a single timer may be provided for all chambers or components, each reset to zero during the occurrence of a leak and held there during the occurrence of the leakage. During this period, it is then checked which chambers or which components are active, that is to say are pressurized.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlereingrenzung und Diagnose an einer fluidischen Anlage gemäß dem oberbegriffs des Anspruchs 1 Ein solches Verfahren ist aus DE 10 2005 016 786 bekannt.
  • Bei einem weiteren, aus der WO 2005/111433 A1 bekannten Verfahren wird die Luftverbrauchskurve zur Fehlerlokalisierung ausgewertet. Bei Abweichungen von einer Referenz wird aus dem Zeitpunkt der Abweichung auf das fehlerhafte Subsystem (zum Beispiel Ventil-Aktuatoreinheit) beziehungsweise die fehlerhafte Komponente geschlossen. Solche Fehler, die in fluidischen Anlagen auftreten können, haben ihre Ursachen zum Beispiel im Verschleiß der Komponenten, in unsachgemäßer Montage, lockeren Verschraubungen, porösen Schläuchen, Prozessstörungen und dergleichen, die sich in den Bewegungen der fluidischen Antriebe äußeren, und anderen Undichtigkeiten verschiedenster Art. Um Diagnosefehler infolge der Veränderung gewisser Randbedingungen, wie Druck und Temperatur, zu vermeiden, wird in dieser Druckschrift die mögliche Korrektur des Luftverbrauchs mit dem Druck und der Temperatur erwähnt. Insbesondere bei großen fluidischen Anlagen, bei denen eine Vielzahl von Subsystemen zum Teil gleichzeitig aktiv sind, kann mit dem bekannten Verfahren nicht festgestellt werden, welche dieser Komponenten fehlerhaft ist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, das Verfahren der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, dass auch bei gleichzeitig aktiven Komponenten und Subsystemen ein Fehler, insbesondere eine Undichtigkeit, in eindeutiger Weise einer bestimmten Komponente oder einem bestimmten Subsystem zugeordnet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise schrittweise der Leckageort eingegrenzt werden, sodass auch bei einer Vielzahl von gleichzeitig aktiven Komponenten oder Subsystemen der Fehlerort auf einfache Weise ermittelt werden kann. Dies stellt umso mehr einen besonderen Vorteil dar, als ein streng sequentieller Ablauf in fluidischen Anlagen, insbesondere in großen fluidischen Anlagen, relativ selten vorliegt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nur die Aktorstellsignale und ein Volumenstromsensor zur Ermittlung des Leckageorts erforderlich sind, das heißt, Endschalter an Aktoren sind nicht zwingend erforderlich. Je unterschiedlicher die Achsbewegungen sind und je mehr unterschiedliche Zyklen bei sich gleichzeitig bewegenden Subsystemen oder Komponenten oder Kombinationen derselben auftreten, desto vorteilhafter kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. Dabei wird nicht nur versucht, die leckageverursachenden Subsysteme oder Komponenten zu finden, sondern es werden auch definitiv nicht beteiligte Subsysteme, Komponenten oder Aktuatorkammern ausgeschlossen.
  • Die gespeicherte Referenzen sind aus integrierten Volumenstromwerten gebildete Fluidverbrauchs-Referenzkurven oder aus integrierten Leitwertgrößen (Q/P) gebildete Leitwert-Referenzkurven, die mit entsprechenden Messgrößenkurven verglichen werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
  • Eine noch größere Diagnosegenauigkeit und Zielsicherheit beim Auffinden von Leckageorten wird durch parameterabhängige Kompensierung der Volumenstromwerte oder Leitwertgrößen erreicht, wobei die Kompensierung insbesondere temperaturabhängig und/oder fluidabhängig und/oder feuchteabhängig und/oder vom Partikelgehalt des Fluids abhängig und/oder zeit- oder ereignisabhängig für unterschiedliche Betriebszustände erfolgt.
  • Zweckmäßigerweise werden mehrere parameterabhängige beziehungsweise parameterabhängig kompensierte Fluidverbrauchs-Referenzkurven oder Leitwert-Referenzkurven in einer Auswahlmatrix gespeichert und können für den jeweiligen Zyklus ausgewählt beziehungsweise vorgegeben werden, indem sie beispielsweise nacheinander auf Korrelation mit dem jeweiligen Arbeitszyklus überprüft werden.
  • Die Referenzkurven werden zweckmäßigerweise in einem Lernmodus erfasst, insbesondere auch während des späteren Betriebs der fluidischen Anlage.
  • Um auszuschließen, dass erfasste Abweichungen von Messkurve und Referenzkurve auf einem Zeitfehler beruhen, wird vorzugsweise vor der Diagnose auf Leckage ein Kurvenvergleich im Hinblick auf mögliche zeitliche Verschiebungen durchgeführt, wobei bei einer einen Toleranzwert überschreitenden zeitlichen Verschiebung auf weitere gespeicherte Referenzkurven zu deren Überprüfung umgeschaltet wird oder eine Fehlermeldung und/oder ein Stopp einer weiteren Leckagediagnose ausgelöst wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Leckagediagnose werden zur besonders vorteilhaften Auswertung Differenzwerte oder eine Differenzkurve zwischen Messgrößenkurve und Referenzkurve gebildet. Diese Differenzkurve wird zweckmäßigerweise noch frequenzabhängig mittels eines Integrators gefiltert, der insbesondere eine Phasenverschiebung von -90° aufweist, um Störsignale und Störspitzen auszufiltern. Eine gefilterte Ausgleichskurve wird dann durch Berechnung der Steigung des Integrals der Differenzwerte oder der Differenzkurve gebildet, die dann eine besonders einfache, zielgerichtete Auswertung ermöglicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine pneumatische Anlage, in deren Zuführung ein Durchflussmesser geschaltet ist,
    Figur 2
    ein Leitwertdiagramm zur Erläuterung des Auftretens einer zeitlichen Verschiebung zwischen Messkurve und Referenzkurve und
    Figur 3
    Leitwertdiagramme zur Erläuterung der Diagnose auf Leckage.
  • In Figur 1 ist eine pneumatische Anlage schematisch dargestellt, wobei es sich prinzipiell auch um eine andere fluidische Anlage, wie eine hydraulische Anlage, handeln könnte.
  • Die pneumatische Anlage besteht aus fünf Subsystemen 10-14 beziehungsweise Komponenten, bei denen es sich jeweils um Aktoren, wie Ventile, Zylinder, Linearantriebe und dergleichen, handeln kann sowie um Kombinationen der selben. Diese Subsysteme 10-14 werden von einer Druckquelle 15 gespeist, wobei in einer gemeinsamen Zuführleitung 16 ein Durchflussmesser 17 zur Messung des Durchflusses beziehungsweise des Volumenstromes angeordnet ist. Die Subsysteme 11, 12 einerseits und die Subsysteme 13, 14 andererseits bilden wiederum jeweils ein System mit einer gemeinsamen Zuleitung.
  • Eine elektronische Steuervorrichtung 18 dient zur Vorgabe des Ablaufprozesses der Anlage und ist elektrisch mit den Subsystemen 10-14 über entsprechende Steuerleitungen verbunden. Die Subsysteme 10-14 erhalten Steuersignale von der elektronischen Steuervorrichtung 18 und senden Sensorsignale wieder an diese zurück. Solche Sensorsignale sind beispielsweise Positionssignale, Endschaltersignale, Drucksignale, Temperatursignale und dergleichen, die im einfachsten Falle nicht zwingend erforderlich sind.
  • Der Durchflussmesser 17 ist mit einer elektronischen Diagnoseeinrichtung 19 verbunden, der zusätzlich die Signale eines Temperatursensors 20 und eines Drucksensors 21 zur Messung der Temperatur T und des Drucks P in der Zuführleitung 16, also der Temperatur und des Drucks des Fluids, zugeführt sind. Weiterhin sind ein Fluidsensor 23 zur Erfassung der Art des verwendeten Fluids und ein Feuchtigkeits- und/oder Partikelsensor 24 zur Erfassung des Feuchtegehalts und des Partikelgehalts des Fluids mit der Diagnoseeinrichtung 19 verbunden. Diese hat zusätzlich einen Zugriff auf das Ablaufprogramm der elektronischen Steuervorrichtung 18. Die Diagnoseergebnisse werden einem Display 22 zugeführt, wobei diese Diagnoseergebnisse selbstverständlich auch gespeichert, ausgedruckt, optisch und/oder akustisch angezeigt oder einer Zentrale über Leitungen oder drahtlos übermittelt werden können.
  • Die Sensoren 20, 21 sowie 23 und 24 können bei einer einfachsten Ausführung auch entfallen, wobei allerdings zumindest ein Temperatursensor 20 und ein Drucksensor 21 zweckmäßigerweise vorgesehen sein können.
  • Die Diagnoseeinrichtung 19 kann selbstverständlich auch in der elektronischen Steuervorrichtung 18 integriert sein, die beispielsweise einen Mikrocontroller zur Durchführung des Ablaufprogramms und gegebenenfalls zur Diagnose enthalten kann.
  • Bei einer sehr großen Zahl von Subsystemen beziehungsweise Komponenten können diese in mehrere Gruppen aufgeteilt werden, wobei jede Gruppe einen eigenen Durchflussmesser 17 besitzt, um die den Gruppen zugeordneten Teilbereiche der Anlage unabhängig voneinander zu diagnostizieren, wie dies im eingangs angegebenen Stand der Technik beschrieben ist.
  • Das Verfahren zur Fehlereingrenzung und Diagnose wird nun im Folgenden anhand der beschriebenen pneumatischen Anlage und der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Leitwertdiagramme erläutert.
  • Die Diagnose kann im einfachsten Fall durch Vergleich von gespeicherten und ausgewählten Fluidverbrauchs-Referenzkurven mit entsprechenden Messgrößenkurven durchgeführt werden, wobei die Fluidverbrauchs-Referenzkurven aus integrierten oder aufsummierten Volumenstromwerten gebildet werden. Bessere Ergebnisse werden durch Verwendung von Diagnoseleitwerten erreicht, wobei der Diagnoseleitwert eine charakteristische Größe einer fluidischen Anlage beziehungsweise eines fluidischen Systems ist, das aus vielfältigen Subsystemen besteht. Der Leitwert charakterisiert das Verhalten der Gesamtanlage über einen definierten Zyklus. Leitwert-Referenzkurven werden im einfachsten Fall aus integrierten Leitwertgrößen Q/P gebildet, wobei Q der jeweilige Volumenstromwert und P der gemessene Arbeitsdruck ist. Diese Leitwert-Referenzkurven werden mit entsprechenden Messgrößenkurven verglichen, also mit aus integrierten Leitwertgrößen gebildeten Messgrößenkurven. Die Leitwertgrößen beziehungsweise Leitwertkurven und Leitwert-Referenzkurven können durch weitere Messparameter kompensiert und verfeinert werden, beispielsweise durch die gemessene Betriebstemperatur T, den Feuchtegehalt und/oder den Partikelgehalt des Fluids, der Art des Fluids und von jeweiligen zeit- oder ereignisabhängigen Betriebszuständen. Solche Betriebszustände sind beispielsweise der Warmlauf, der Betrieb nach längerem Stillstand, die Wiedereinschaltung bei Umrüstung oder der Betrieb nach vorgebbaren Zeitintervallen, also beispielsweise nach einem einstündigen oder zehnstündigen oder mehrstündigen Betrieb. Die folgende Erläuterung der Fehlereingrenzung und Diagnose beruht auf Leitwerten, wobei entsprechend auch Fluidverbrauchswerte verwendet werden könnten.
  • Zur Erzeugung der Referenzkurven muss ein sich wiederholender Zyklus des Gesamtablaufs gewählt werden. Nichtzyklische Prozesse lassen sich in Teilzyklen aufteilen, auf welche das Diagnoseverfahren dann angewandt wird. Verschiedene Betriebszustände in einem Prozess lassen sich durch Aufnahme und Speicherung eines Sets von Referenzkurven in einer Auswahlmatrix berücksichtigen. Dies gilt auch für den Einfluss unterschiedlicher Parameter.
  • Zur Auswertung muss nun die jeweilige Messkurve mit der ausgewählten oder auszuwählenden Referenzkurve synchronisiert werden, das heißt, ohne Leckage sind die beiden Kurven deckungsgleich, mit Leckage laufen sie zeitlich synchron, zeigen aber Abweichungen in der Amplitude. Die beiden zu vergleichenden Kurven müssen daher zunächst auf Korrelation überprüft werden, das heißt, es muss überprüft werden, ob sich zeitliche Verschiebungen ergeben haben, zum Beispiel aufgrund von veränderten Abläufen innerhalb eines Zyklus. Sind zeitliche Verschiebungen über eine festgelegte Toleranz detektiert worden, so wird die weitere Auswertung von Leckagen gestoppt und eine Meldung bezüglich Veränderungen der Zeiten von Subsystemen generiert. Ein Zeitfehler wird erkannt, wenn der Wert des Luftverbrauchs am Ende des Zyklus innerhalb eines Toleranzbereichs liegt, aber die Zykluszeit unterschiedlich ist, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Dort laufen die beiden Kurven bis zum Zeitpunkt ta synchron, und ab diesem Zeitpunkt tritt eine Zeitdifferenz Δt zwischen Messkurve Km und Referenzkurve Kref auf, die bis zum Zyklusende zum Zeitpunkt tb konstant bleibt. Falls sich ein Zeitfehler im Laufe des Zyklus immer mehr vergrößert, so kann versucht werden, durch Wahl einer anderen Referenzkurve eine Korrelation herbeizuführen. Erst wenn alle gespeicherten Referenzkurven überprüft worden sind und keine Korrelation erreicht werden konnte, liegt eine fehlerhafte Zeitverschiebung vor, und auf eine nachfolgende Diagnose auf Leckage wird verzichtet. Eine entsprechende Meldung kann dann angezeigt, gespeichert oder weitergemeldet werden.
  • Wird kein Zeitfehler erkannt, erfolgt im nächsten Schritt die Bildung der Differenz aus dem Nominal- beziehungsweise Messwert und dem Referenzwert, also zwischen der Messgrößenkurve Km und der Referenzkurve Kref, wie sie in Figur 3, oben, dargestellt ist. Die gebildete Differenzkurve, die in Figur 3, unten, dargestellt ist, definiert zu jedem Zeitpunkt den summierten Abstand der Messgrößenkurve zur Referenzkurve. Die Zeitpunkte von Leckagen zeigen die treppenförmigen Erhöhungen der Differenz. In den folgenden Auswertungen werden diese Anstiege der Differenz den leckageverursachenden Subsystemen oder Komponenten beziehungsweise Aktuatorkammern zugewiesen.
  • Um auch unerwünschte Schwankungen, Störspitzen und dergleichen zu entfernen, kann die berechnete Differenz oder Differenzkurve gefiltert werden. Bei herkömmlichen Filterungen ist die Veränderung der Phasenlage und der Amplitude frequenzabhängig. Damit eine frequenzunabhängige Filterung erreicht wird, wird ein Integrator verwendet, der eine feste Phasenverschiebung von -90° aufweist. Damit ist bei der späteren Auswertung der Signale keine unterschiedliche Phasenverschiebung zu berücksichtigen. Der Amplitudengang kann durch Veränderung der Abtastzeit so eingestellt werden, dass im gewünschten Frequenzbereich eine konstante Dämpfung der Amplitude vorliegt, andere Frequenzen dagegen gefiltert werden.
  • Zur Auswertung wird nachfolgend eine Ausgleichsfunktion des Integrals der berechneten Differenz gebildet. Die Wahl der entsprechenden Ausgleichsfunktion kann nach dem Gaußschen Prinzip der kleinsten Quadrate getroffen werden. Dabei muss festgestellt werden, welche Kurve sich den berechneten Messpunkten der Differenz am besten anpasst. Im Folgenden wird eine Ausgleichsgerade als einfachste Möglichkeit einer Ausgleichsfunktion gewählt. Selbstverständlich sind auch andere Ausgleichsfunktionen möglich. Jede auftretende Leckage führt zu einer Veränderung der Steigung und des Achsabstands der Ausgleichsgeraden zur Abszisse. Bei der Bestimmung der Steigung aus dem Integral der Differenz ergibt sich eine Darstellung, die der in Figur 3 dargestellten Differenzkurve entspricht, jedoch um minus 90° phasenverschoben ist. Bei der Berechnung des Achsabstandes aus dem Integral der Differenz ergibt sich ebenfalls eine Darstellung, die der in Figur 3 dargestellten Differenzkurve entspricht, jedoch um minus 90° phasenverschoben und an der Abszisse gespiegelt ist. Der Vorteil der Berechnung der Ausgleichsgeraden besteht darin, dass sich Leckagen, d.h. Änderungen in der Steigung zeitlich betrachtet immer gleich auswirken. Leckagen zu einem späteren Zeitpunkt eines Zyklus wirken sich wesentlich mehr auf den Achsabstand aus, als Leckagen zu Beginn eines Zyklus. Im hinteren zeitlichen Bereich von Referenzen treten höhere, da aufsummierte Fehler zum aktuellen Wert auf. Tatsächliche Leckagen verändern deshalb zu einem späteren Zeitpunkt des Zyklus den Achsabstand wesentlich deutlicher als eventuelle Abweichungen zur Referenz beispielsweise durch Alterung der Anlage. Die im Folgenden beschriebene Auswertung berücksichtigt daher sowohl Änderungen der Steigung, wie auch Änderungen des Achsabstandes.
  • Beim erfindungsgemäßen Ausschlussprinzip lassen sich im Laufe der Fehleranalyse gewisse Bereiche aus der Fehlerbetrachtung ausschließen, sodass sich die Zahl der für eine Leckage in Betracht kommenden Subsysteme und Komponenten beziehungsweise Aktuatorkammern immer mehr reduziert. Hierbei macht man sich zunutze, dass sich bei Maschinenabläufen nie immer die gleichen Gruppen von Subsystemen zu gleicher Zeit bewegen, also aktiv sind, beziehungsweise es stehen nie dieselben Aktuatorkammern gleichzeitig unter Druck. Somit grenzt man die in Frage kommenden Aktuatorkammern immer mehr ein, und die Aussage bezüglich Leckage wird immer definierter. Beispielsweise werden Aktuatorkammern immer dann von der weiteren Betrachtung bezüglich Leckage ausgeschlossen, wenn sie zu einem Zeitpunkt belüftet werden und gleichzeitig keine Leckage auftritt. Im Folgenden wird ein Diagnosezyklus anhand von Figur 3 beispielhaft erläutert:
    • Zum Zeitpunkt t0 tritt eine Leckage auf. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kammer A des Subsystems 10, die Kammer B des Subsystems 11 und die Kammer A des Subsystems 12 belüftet. Diese drei Kammern kommen somit als Ursache für die Leckage in Betracht. Gleichzeitig ist die Kammer B des Subsystems 10, die Kammer A des Subsystems 11 und die Kammer B des Subsystems 12 inaktiv, also nicht belüftet, sodass diese Aktuatorkammern von der weiteren Betrachtung ausgeschlossen werden.
    • Zum Zeitpunkt t1 tritt eine weitere Leckage auf. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kammer A des Subsystems 10, die Kammer B des Subsystems 13 und die Kammer A des Subsystems 12 belüftet. Dies bedeutet, dass die Kammer B des Subsystems 11 für die weitere Betrachtung ausgeschlossen ist und nur noch die Kammern A der Subsysteme 10 und 12 für die Leckage in Betracht kommen.
    • Zum Zeitpunkt t2 ist die Kammer A des Subsystems 10, die Kammer B des Subsystems 14 und die Kammer A des Subsystems 11 belüftet. Die Kammer A des Subsystems 11 wurde bereits für die weitere Betrachtung ausgeschlossen. Die Kammer A des Subsystems 12 wird nun ebenfalls als Ursache für die Leckage ausgeschlossen, sodass abschließend festgestellt werden kann, dass die Kammer A des Subsystems 10 für die Leckage verantwortlich ist.
  • Oft kann man auch bereits bei einem einzigen Anstieg von ΔK, also bei einem einmaligen Auftreten einer Leckage, das verursachende System feststellen. Würde beispielsweise in Abwandlung des vorher beschriebenen Beispiels lediglich zum Zeitpunkt t0 eine Leckage auftreten, zu dem die Kammer A des Subsystems 10, die Kammer B des Subsystems 11 und die Kammer A des Subsystems 12 belüftet sind, und nachfolgend werden zu einem späteren Zeitpunkt wiederum die Kammer B des Subsystems 11 und die Kammer A des Subsystems 12 belüftet, während die Kammer A des Subsystems 10 nicht beteiligt ist, und es tritt dann keine Leckage auf, so können die Kammer B des Subsystems 11 und die Kammer A des Subsystems 12 als verursachende Komponenten ausgeschlossen werden, und es kann dann bereits abschließend die Kammer A des Subsystems 10 als leckageverursachend erkannt werden.
  • Eine besonders geeignete Art der Auswertung, insbesondere bei einer sehr großen Zahl von Subsystemen bzw. Komponenten, besteht darin, dass jeder Kammer eines Aktuators, das sind bei einem Arbeitszylinder beispielsweise zwei Kammern, je zwei Zähler zugeordnet werden. Weiterhin ist jeder Kammer ein Zeitglied zugeordnet. Das Zeitglied dient dazu, zusätzlich Aktuatorkammern oder Komponenten aus der Betrachtung hinsichtlich einer Leckage auszuschließen. Steht eine Kammer bzw. eine Komponente unter Druck und tritt keine Leckage innerhalb eines vorgewählten Zeitwertes des Zeitglied auf, so wird diese Kammer ebenfalls als nicht an der Leckage beteiligt behandelt und für die weitere Leckagesuche ausgeschlossen. Die elektrischen Baugruppen, also Zähler und Zeitglieder, befinden sich beispielsweise in der Diagnoseeinrichtung 19. Beim Start eines Betriebszyklus werden nun die zeitglieder gestartet, und beim Auftreten einer Leckage werden sie jeweils auf den Wert null zurückgesetzt und dort bis zur Beendigung der Leckage gehalten. Steht nun die betreffende Kammer während des zurückgesetzten Zustands des Zeitglieds oder wenigstens während eines Teils des zurückgesetzten Zustands unter Druck, so kommt diese Kammer als für die Leckage verantwortlich in Betracht, und es wird geprüft, ob die Steigung und der Achsabstand der Ausgleichsgeraden oder einer sonstigen Ausgleichsfunktion um einen vorgebbaren Wert oder um einen vorgebbaren Prozentsatz (bezogen beispielsweise auf den jeweiligen Maximalwert des oder eines der vorangegangenen Zyklen) zugenommen hat. In diesem Falle wird der für die Steigung zuständige Zähler und/oder der für den Achsabstand zugehörige Zähler um den Wert 1 erhöht. Je unterschiedlicher die Achsbewegungen bei einer Vielzahl von sich gleichzeitig bewegenden Subsystemen oder Komponenten sind und je mehr unterschiedliche Zyklen auftreten, um so genauer wird dieses Verfahren. Bei jeder Leckage, bei der die entsprechende Komponente oder Kammer einer Komponente unter Druck steht, werden die zugehörigen Zähler je nach Zunahme der Steigung und/oder des Achsabstands um jeweils einen weiteren Zählerwert erhöht. Die Zählerstände beider Zähler einer Kammer oder einer Komponente werden am Ende des Zyklus zusammengezählt. Diejenige Kammer, bei der am Ende eines Betriebszyklus der höchste Gesamtzählerstand festgestellt wird, ist mit der größten Wahrscheinlichkeit für die Leckage verantwortlich. Die Kammer oder die Komponente mit dem zweithöchsten Gesamtzählerstand ist mit der zweitgrößten Wahrscheinlichkeit an der Leckage beteiligt. Dies ist dann von Bedeutung, wenn im System mehrere Leckagen auftreten. Sind mehr als ein festgelegter Prozentsatz an Kammern, z.B. mehr als 50%, als die Leckage verursachend detektiert worden, so wird dies als Systemleckage definiert. Dieses Verfahren beinhaltet eine gestufte Auswertung mit dem Ziel, auch bei nicht eindeutiger Erkennung des Leckageortes dem Wartungspersonal zumindest Hinweise zu geben.
  • Um die Genauigkeit der Analyse zu steigern, können mehrere Zyklen betrachtet werden. Aus der Summe der Mehrfachanalysen ergeben sich dann genauere Hinweise über die die Leckage verursachende Kammer oder Komponente oder die die Leckage verursachenden Kammern oder Komponenten.
  • In einer einfacheren Version kann auch ein einziges Zeitglied für alle Kammern oder Komponenten vorgesehen sein, das jeweils während des Auftretens einer Leckage auf den Wert null zurückgesetzt und dort während des Auftretens der Leckage gehalten wird. Während dieser Zeitspanne wird dann überprüft, welche Kammern oder welche Komponenten aktiv sind, also mit Druck beaufschlagt sind.
  • In einer einfacheren Ausführung des Verfahrens kann beispielsweise auch nur der Achsabstand oder nur die Steigung bzw. deren Veränderung ausgewertet werden. Pro Kammer bzw. pro Komponente oder pro Subsystem ist dann jeweils nur ein Zähler erforderlich. Eine weitere Vereinfachung des Verfahrens kann noch dadurch erfolgen, dass auf die Ermittlung des Achsabstands oder der Steigung völlig verzichtet wird und lediglich der Zähler einer Kammer oder einer Komponente um den Wert 1 erhöht wird, wenn diese Kammer oder diese Komponente zumindest während eines Teilzeitraums eines Leckageintervalls belüftet war.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Fehlereingrenzung und Diagnose an einer fluidischen Anlage, wobei der fluidische Volumenstrom der Gesamtanlage oder wenigstens eines Teilbereichs derselben oder eine davon abhängige Größe als Messgröße jeweils während eines Betriebszyklus erfasst und mit gespeicherten Referenzen verglichen wird, und wobei jeweils zum Zeitpunkt einer Abweichung oder Veränderung der Abweichung von der Referenz festgestellt wird, bei welcher Komponente oder bei welchen Komponenten der Anlage ein den Fluidverbrauch beeinflussender Vorgang stattgefunden hat, um diese dann als fehlerbehaftet zu erkennen, wobei bei einer solchen Abweichung oder Veränderung der Abweichung und gleichzeitigem Auftreten mehrerer den Fluidverbrauch beeinflussenden Aktivitäten von mehreren Komponenten (10-14) ein Ausschlussverfahren durchgeführt wird, bei dem bei nachfolgenden Aktivitäten, bei denen wenigstens eine dieser Komponenten (10-14) beteiligt ist, jeweils in weiteren Prüfschritten geprüft wird, ob wiederum eine Abweichung oder Veränderung der Abweichung auftritt, wobei in jedem dieser weiteren Prüfschritte die beteiligten Komponenten jeweils als nicht fehlerbehaftet von der weiteren Prüfung ausgeschlossen werden, wenn keine Abweichung oder Veränderung der Abweichung auftritt, und wobei die gespeicherten Referenzen aus integrierten Volumenstromwerten (Q) gebildete Fluidverbrauchs-Referenzkurven oder aus integrierten Leitwertgrößen (Q/P) gebildete Leitwert-Referenzkurven sind, wobei P der gemessene Arbeitsdruck ist, die mit entsprechenden Messgrößenkurven verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in weiteren Prüfschritten bei wiederum auftretender Abweichung oder Veränderung der Abweichung die zu diesem Zeitpunkt nicht aktiv beteiligten Komponenten als nicht fehlerbehaftet von der weiteren Prüfung ausgeschlossen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstromwerte (Q) oder Leitwertgrößen (Q/P) parameterabhängig kompensiert werden, insbesondere temperaturabhängig und/oder fluidabhängig und/oder feuchteabhängig und/oder vom Partikelgehalt des Fluids abhängig und/oder zeit- oder ereignisabhängig für unterschiedliche Betriebszustände.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parameterabhängige Fluidverbrauchs-Referenzkurven oder Leitwert-Referenzkurven in einer Auswahlmatrix gespeichert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkurven in einem Lernmodus erfasst werden, insbesondere auch im späteren Betrieb der fluidischen Anlage.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Diagnose auf Leckage ein Kurvenvergleich im Hinblick auf mögliche zeitliche Verschiebungen erfolgt, wobei bei einer einen Toleranzwert überschreitenden zeitlichen Verschiebung auf weitere gespeicherte Referenzkurven zu deren Überprüfung umgeschaltet wird oder eine Fehlermeldung und/oder ein Stopp einer weiteren Leckagediagnose ausgelöst wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leckagediagnose Differenzwerte oder eine Differenzkurve (ΔK) zwischen Messgrößenkurve (Km) und Referenzkurve (Kref) gebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, die Differenzkurve (ΔK) frequenzabhängig mittels eines Integrators gefiltert wird, der insbesondere eine Phasenverschiebung von -90° aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichsfunktion des Integrals der berechneten Differenzwerte oder der Differenzkurve gebildet wird, die mit den berechneten Messpunkten der Differenz am besten übereinstimmt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsfunktion nach dem Gaußschen Prinzip der kleinsten Quadrate berechnet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeitdauer einer Abweichung oder Veränderung der Abweichung ein Zeitglied auf einen vorgebbaren Wert gesetzt und ein Vergleich durchgeführt wird, welche Komponente oder welche Komponenten während wenigstens eines Teilintervalls dieser Zeitdauer aktiv waren.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Komponente (10 - 14) oder jeder Kammer einer Komponente wenigstens ein Zähler zugeordnet wird, dessen Zählerstand jeweils um einen Zählwert erhöht wird, wenn die Komponente (10 - 14) oder Kammer der Komponente während wenigstens eines Teilintervalls des Vorliegens des gesetzten Werts des Zeitglieds unter Druck steht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Komponente oder jeder Kammer einer Komponente ein Steigungszähler zugeordnet wird, dessen Zählerstand jeweils nur dann erhöht wird, wenn sich die Steigung der Ausgleichsfunktion wenigstens um einen vorgebbaren Wert oder Prozentsatz während des Vorliegens des gesetzten Werts des Zeitglieds oder des aktiven Zustands dieser Komponente oder Kammer während des Vorliegens dieses gesetzten Werts erhöht.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Komponente oder jeder Kammer einer Komponente ein Achsabstandszähler zugeordnet wird, dessen Zählerstand jeweils nur dann erhöht wird, wenn sich der Achsabstand der Ausgleichsfunktion wenigstens um einen vorgebbaren Wert oder Prozentsatz während des vorliegens des gesetzten Werts des Zeitglieds oder des aktiven Zustands dieser Komponente oder Kammer während des Vorliegens dieses gesetzten Werts erhöht.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende eines Betriebszyklus bei jeder Komponente oder jeder Kammer einer Komponente die Zählerstände des Steigungszählers und des Achsabstandszählers addiert werden, wobei der höchste Gesamtzählerstand oder die höchsten Gesamtzählerstände als höchste Leckagewahrscheinlichkeit für die jeweilige Komponente oder Kammer einer Komponente gewertet werden.
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