LU93349B1

LU93349B1 - Method for monitoring an electromechanical component of an automation system

Info

Publication number: LU93349B1
Application number: LU93349A
Authority: LU
Inventors: Jens Heinrich; Sebastian Heinrich; Ralf Hoffmann; Christian Müller
Original assignee: Phoenix Contact Gmbh & Co Kg Intellectual Property Licenses & Standards
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-07-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems. Das Verfahren (100) umfasst ein Erfassen (101) einer mechanischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, ein Erfassen (103) einer elektrischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln (105) eines Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes mit einer Mehrzahl von Zuständen der elektromechanischen Komponente, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist. (Fig. 1) 93349The invention relates to a method (100) for monitoring an electromechanical component of an automation system. The method (100) includes detecting (101) a mechanical state quantity of the electromechanical component, detecting (103) an electrical state quantity of the electromechanical component, and determining (105) a state of the electromechanical component based on a multi-dimensional characteristic field having a plurality of states of the electromechanical component, wherein each state of the electromechanical component is associated with a mechanical state variable and an electrical state variable. (Figure 1) 93349

Description

Verfahren zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines AutomatisierungssystemsMethod for monitoring an electromechanical component of an automation system

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Automatisierungstechnik.The present invention relates to the field of automation technology.

Bei einer elektromechanischen Komponente in einem Automatisierungssystem, beispielsweise bei einem Schaltgerät oder einem Sicherheitsschaltgerät, können sich der Zustand und die Arbeitsweise der elektromechanischen Komponente in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen verändern. Ursächlich hierfür sind beispielsweiseIn an electromechanical component in an automation system, for example in a switching device or a safety switching device, the state and the operation of the electromechanical component can change depending on the environmental conditions. The reason for this is for example

Temperaturänderungen, Stoßschwingungen, Komponentenverschleiß, Kontaktverschleiß von elektrischen Schaltkontakten oder mechanischer Verschleiß von Ventilen.Temperature changes, shock vibrations, component wear, contact wear of electrical switch contacts or mechanical wear of valves.

Gegenwärtig erfolgt die Prognose einer Lebensdauer einer elektromechanischen Komponente ïiblicherweise auf der Grundlage von empirischen Tests. Dabei wird typischerweise davon ausgegangen, dass die getesteten elektromechanischen Komponenten ein représentatives Abbild der Streuungen der Parameter darstellen und die Testergebnisse einer statistisch zu erwartenden Verteilung entsprechen. Aus den Testergebnissen wird schließlich eine Prognose auf Grundlage des Verschleißverhaltens abgeleitet. Bei elektromechanischen Komponenten, insbesondere Relais, hat sich fur den Verschleiß von schaltenden Kontakten die Weibull-Verteilung basierend auf experimenten ermittelten Stützstellen hinsichtlich eines Ausfallzeitpunktes als anwendbar erwiesen.Currently, the prediction of a lifetime of an electromechanical component is usually based on empirical tests. It is typically assumed that the tested electromechanical components represent a representative image of the scattering of the parameters and that the test results correspond to a statistically expected distribution. From the test results, a prognosis is finally derived based on the wear behavior. For electromechanical components, in particular relays, the Weibull distribution has proven to be applicable to wear of switching contacts based on experimentally determined nodes in terms of failure time.

Gemäß der ermittelten Weibull-Verteilung kann nunmehr eine Prognose abgeleitet werden, welche Schaltspielzahl von einem bestimmten prozentualen Anteil einer Grundgesamtheit typischerweise erreicht wird. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Prognosegenauigkeit von der Menge der geprüften elektromechanischen Komponenten und der Fähigkeit der Abbildung der tatsächlich auftretenden Streuung der Parameter abhängt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der ermittelte Grenzwert in einem konkreten Fall eines Einsatzes einer elektromechanischen Komponente typischerweise zu konservativ angesetzt wird, d.h. Wartungsintervalle zu oft und zu häufig angesetzt werden und die elektromechanischen Komponenten deshalb überdimensioniert und unnötig teuer werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Anzahl von sich im Einsatz befindlichen elektromechanischen Komponenten vor einem erwarteten Ausfall ausfallen und es daher zu Störungen, Fehlern Oder sogar potentiell gefährlichen Ausfällen kommen kann.According to the determined Weibull distribution, a prognosis can now be derived as to which number of switching cycles is typically reached by a certain percentage of a population. A disadvantage of this approach is that the prediction accuracy depends on the amount of electromechanical components tested and the ability to map the actual scattering of the parameters. Another disadvantage is that the determined threshold is typically set too conservative in a particular case of using an electromechanical component, i. Maintenance intervals are too often and too often applied and the electromechanical components are therefore oversized and unnecessarily expensive. A further disadvantage is that a number of electromechanical components in use fail before an expected failure and therefore malfunctions, errors or even potentially dangerous failures can occur.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Konzept zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to provide an efficient concept for monitoring an electromechanical component of an automation system.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhângigen Ansprüche gelost. Vorteilhafte Weiterbildungsformen sind Gegenstand der abhângigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnungen.This task is solved by the features of independent claims. Advantageous forms of further development are the subject of the dependent claims, the description and the drawings.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems. Das Verfahren umfasst ein Erfassen einer mechanischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, ein Erfassen einer elektrischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln eines Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes mit einer Mehrzahl von Zustânden der elektromechanischen Komponente, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist.According to a first aspect, the invention relates to a method for monitoring an electromechanical component of an automation system. The method includes detecting a mechanical state quantity of the electromechanical component, detecting an electrical state quantity of the electromechanical component, and determining a state of the electromechanical component based on a multi-dimensional characteristic field having a plurality of states of the electromechanical component, wherein each state of the electromechanical component a mechanical state variable and an electrical state variable is assigned.

Gemäß einer Ausführungsform ist in dem mehrdimensionalen Kennlinienfeld jedem Zustand der elektromechanischen Komponente ferner ein Geometrieparameter zugeordnet, wobei das Verfahren ein Ermitteln eines Geometrieparameters der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln des Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes umfasst, wobei der ermittelte Zustand der erfassten mechanischen Zustandsgröße, der erfassten elektrischen Zustandsgröße und dem Geometrieparameter zugeordnet ist.According to one embodiment, in the multidimensional characteristic field each state of the electromechanical component is further assigned a geometry parameter, the method comprising determining a geometry parameter of the electromechanical component, and determining the state of the electromechanical component based on the multidimensional characteristic field, wherein the determined state of the detected mechanical state variable, the detected electrical state variable and the geometry parameter is assigned.

Gemäß einer Ausführungsform ist das mehrdimensionale Kennlinienfeld durch digitale Datenwerte, insbesondere vorgespeicherte digitale Datenwerte, reprâsentiert. Die digitalen Datenwerte kônnen in einem Speicher der elektromechanischen Komponente vorgespeichert sein.According to one embodiment, the multidimensional characteristic field is represented by digital data values, in particular pre-stored digital data values. The digital data values may be pre-stored in a memory of the electro-mechanical component.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Interpolieren zwischen Stützpunkten des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes, urn den Zustand der elektromechanischen Komponente zu ermitteln, wobei die Stützpunkte durch elektrischeAccording to one embodiment, the method comprises interpolating between vertices of the multidimensional characteristic field in order to determine the state of the electromechanical component, wherein the interpolation points are determined by electrical

Zustandsgrößen, durch mechanische Zustandsgrößen, und/oder durchState variables, by mechanical state variables, and / or by

Geometrieparameter gegeben sind.Geometry parameters are given.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Bestimmen des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes auf der Basis eines Verhaltensmodells der elektromechanischen Komponente, wobei das Verhaltensmodell einen Einfluss der erfassten mechanischen Zustandsgröße auf die erfasste elektrische Zustandsgröße berücksichtigt.According to one embodiment, the method comprises determining the multidimensional characteristic field on the basis of a behavioral model of the electromechanical component, wherein the behavioral model takes into account an influence of the detected mechanical state variable on the detected electrical state variable.

Gemäß einer Ausführungsform wird das mehrdimensionale Kennlinienfeld durch Ausführen einer Verhaltenssimulation der elektromechanischen Komponente bestimmt, wobei die Verhaltenssimulation das Verhaltensmodell implementiert.In one embodiment, the multi-dimensional map is determined by performing a behavioral simulation of the electromechanical component, wherein the behavioral simulation implements the behavioral model.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Anzeigen des ermittelten Zustandes der elektromechanischen Komponente, insbesondere mittels einer Anzeigeeinrichtung.According to one embodiment, the method further comprises displaying the determined state of the electromechanical component, in particular by means of a display device.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Erzeugen eines Steuersignals zur Ansteuerung der elektromechanischen Komponente ansprechend auf den ermittelten Zustand der elektromechanischen Komponente, und ein Ansteuern der elektromechanischen Komponente mit dem erzeugten Steuersignal.According to one embodiment, the method further comprises generating a control signal for driving the electromechanical component in response to the detected state of the electromechanical component, and driving the electromechanical component with the generated control signal.

Gemäß einer Ausführungsform werden die mechanische Zustandsgröße und die elektrische Zustandsgröße durch die elektromechanische Komponente erfasst.According to one embodiment, the mechanical state quantity and the electrical state quantity are detected by the electromechanical component.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die mechanische Zustandsgröße eine der folgenden mechanischen Zustandsgrößen: eine Prellung eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente, eine Prelldauer einer Prellung eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente, eine Prellanzahl von Prellungen eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente, eine Temperatur eines Elementes der elektromechanischen Komponente, eine Umgebungstemperatur der elektromechanischen Komponente, eine Bewegungsgeschwindigkeit eines Elementes der elektromechanischen Komponente, insbesondere eines Ankers, einer Kontaktkraft Oder einer Lösekraft eines Kontaktes der elektromechanischen Komponente.According to one embodiment, the mechanical state quantity comprises one of the following mechanical state variables: a bump of a contact of the electromechanical component, a bounce duration of a bump of a contact of the electromechanical component, a bounce number of bounces of a contact of the electromechanical component, a temperature of an element of the electromechanical component, a Ambient temperature of the electromechanical component, a movement speed of an element of the electromechanical component, in particular an armature, a contact force Or a release force of a contact of the electromechanical component.

Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Zustandsgröße ein Strom durch die elektromechanische Komponente Oder eine Spannung der elektromechanischen Komponente.According to one embodiment, the electrical state quantity is a current through the electromechanical component Or a voltage of the electromechanical component.

Gemäß einer Ausführungsform ist der ermittelte Zustand der elektromechanischen Komponente eine Lebensdauer der elektromechanischen Komponente.According to one embodiment, the determined state of the electromechanical component is a lifetime of the electromechanical component.

Gemäß einer Ausführungsform ist die elektromechanische Komponente ein elektromechanischer Schalter, insbesondere ein Relais.According to one embodiment, the electromechanical component is an electromechanical switch, in particular a relay.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektromechanischeAccording to a second aspect, the invention relates to an electromechanical

Komponente. Die elektromechanische Komponente umfasst eine Erfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, eine mechanische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente und eine elektrische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente zu erfassen. Die elektromechanische Komponente umfasst ferner einen Speicher, in welchem ein mehrdimensionales Kennlinienfeld mit einer Mehrzahl von Zustanden der elektromechanischen Komponente gespeichert ist, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist. Die elektromechanische Komponente umfasst zudem einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, einen Zustand der elektromechanischen Komponente auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes zu ermitteln.Component. The electromechanical component comprises a detection device, which is designed to detect a mechanical state variable of the electromechanical component and an electrical state variable of the electromechanical component. The electromechanical component further comprises a memory in which a multi-dimensional characteristic field is stored with a plurality of states of the electromechanical component, wherein each state of the electromechanical component is associated with a mechanical state variable and an electrical state variable. The electromechanical component additionally comprises a processor, which is designed to determine a state of the electromechanical component on the basis of the multidimensional characteristic field.

Die elektromechanische Komponente ist ausgebildet, das Verfahren durchzuführen. Weitere Merkmale der elektromechanischen Komponente resultieren unmittelbar aus den Merkmalen des Verfahrens.The electromechanical component is configured to perform the method. Other features of the electromechanical component result directly from the features of the method.

Gemäß einem driften Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens. Die elektromechanische Komponente kann programmtechnisch eingerichtet sein, urn den Programmcode Oder Teile des Programmcodes auszuführen.According to a drifts aspect, the invention relates to a computer program with a program code for carrying out the method. The electromechanical component may be program-programmed to execute the program code or parts of the program code.

Die Erfindung kann in Hardware und/oder Software implementiert werden.The invention may be implemented in hardware and / or software.

Weitere Ausführungsformen werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:Further embodiments are explained in more detail with reference to the accompanying figures. Show it:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems;1 shows a schematic diagram of a method for monitoring an electromechanical component of an automation system;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer elektromechanischen Komponente;Fig. 2 is a schematic diagram of an electromechanical component;

Fig. 3 schematische Diagramme mehrdimensionaler Kennlinienfelder;3 shows schematic diagrams of multidimensional characteristic curves;

Fig. 4a ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;4a is a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field;

Fig. 4a‘ ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;4a 'is a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field;

Fig. 4b ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;4b shows a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field;

Fig. 4b‘ ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;4b shows a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field;

Fig. 5a schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;FIG. 5a shows schematic diagrams of time profiles of state variables of an electromechanical component; FIG.

Fig. 5b schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;5b shows schematic diagrams of time profiles of state variables of an electromechanical component;

Fig. 5c schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;5c are schematic diagrams of time courses of state variables of an electromechanical component;

Fig. 5d schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;5d schematic diagrams of time profiles of state variables of an electromechanical component;

Fig. 5e schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;5e are schematic diagrams of time courses of state variables of an electromechanical component;

Fig. 5f schematische Diagramme von Zeitverläufen von Zustandsgrößen einer elektromechanischen Komponente;5f are schematic diagrams of time courses of state variables of an electromechanical component;

Fig. 6a ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;6a is a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field;

Fig. 6a‘ ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes;6a 'is a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field;

Fig. 6b ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes; und6b shows a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field; and

Fig. 6b‘ ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes.6b 'is a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens 100 zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente eines Automatisierungssystems. Das Verfahren 100 umfasst ein Erfassen 101 einer mechanischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, ein Erfassen 103 einer elektrischen Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente, und ein Ermitteln 105 eines Zustandes der elektromechanischen Komponente auf der Basis eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes mit einer Mehrzahl von Zustanden der elektromechanischen Komponente, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist.1 shows a schematic diagram of a method 100 for monitoring an electromechanical component of an automation system. The method 100 includes detecting 101 a mechanical state quantity of the electromechanical component, detecting 103 an electrical state quantity of the electromechanical component, and determining 105 a state of the electromechanical component based on a multidimensional characteristic field having a plurality of states of the electromechanical component, each State of the electromechanical component is associated with a mechanical state variable and an electrical state variable.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektromechanischen Komponente 200. Die elektromechanische Komponente 200 umfasst eine Erfassungseinrichtung 201, welche ausgebildet ist, eine mechanische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente 200 und eine elektrische Zustandsgröße der elektromechanischen Komponente 200 zu erfassen. Die elektromechanische Komponente 200 umfasst ferner einen Speicher 203, in welchem ein mehrdimensionales Kennlinienfeld mit einer Mehrzahl von Zustanden der elektromechanischen Komponente 200 gespeichert ist, wobei jedem Zustand der elektromechanischen Komponente 200 eine mechanische Zustandsgröße und eine elektrische Zustandsgröße zugeordnet ist. Die elektromechanische Komponente 200 umfasst zudem einen Prozessor 205, welcher ausgebildet ist, einen Zustand der elektromechanischen Komponente 200 auf der Basis des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes zu ermitteln.FIG. 2 shows a schematic diagram of an electromechanical component 200. The electromechanical component 200 comprises a detection device 201, which is designed to detect a mechanical state variable of the electromechanical component 200 and an electrical state variable of the electromechanical component 200. The electromechanical component 200 further comprises a memory 203 in which a multi-dimensional characteristic field is stored with a plurality of states of the electromechanical component 200, wherein each state of the electromechanical component 200 is assigned a mechanical state variable and an electrical state variable. The electromechanical component 200 additionally comprises a processor 205, which is designed to determine a state of the electromechanical component 200 on the basis of the multi-dimensional characteristic field.

Fig. 3 zeigt schematische Diagramme mehrdimensionaler Kennlinienfelder. Die mehrdimensionalen Kennlinienfelder können ein Verhaltensmodell für die Beschreibung eines Zustandes, beispielsweise einer Lebensdauer, für eine elektromechanische Komponente, beispielsweise ein Relais, repräsentieren. Die Beschreibung des Zustandes kann mittels des Verhaltensmodells erfolgen, mit dem beispielsweise unter3 shows schematic diagrams of multidimensional characteristic curves. The multi-dimensional characteristic fields may represent a behavioral model for the description of a state, for example a lifetime, for an electromechanical component, for example a relay. The description of the state can be done by means of the behavioral model, with the example under

Berücksichtigung der Lastbedingungen, der Umgebungsbedingungen und der Geometrieparameter eine Prognose des Zustandes erfolgen kann.Taking into account the load conditions, the environmental conditions and the geometry parameters can be a prognosis of the state.

Das Konzept kann darin bestehen, dass experimenten ermittelte Zustände der elektromechanischen Komponente, beispielsweise Lebensdauerwerte, in dem Verhaltensmodell unter Berücksichtigung der Lastbedingungen, der Umgebungsbedingungen, der mechanischen Zustandsgrößen, der elektrischen Zustandsgrößen und/oder der Geometrieparameter abgebildet werden, urn eine Prognose des zu erwartenden Zustandes, beispielsweise der Lebensdauer im Sinne der Zuverlässigkeit abzuleiten.The concept can consist in that experimentally determined states of the electromechanical component, for example lifetime values, in the behavioral model taking into account the load conditions, the environmental conditions, the mechanical state variables, the electrical state variables and / or the geometry parameters are mapped to a prognosis of the expected state to deduce, for example, the life in terms of reliability.

Dabei kann beispielsweise eine zu schaltende Last Lastbereichen zugeordnet werden, die jeweils durch gleiche Ausfallmechanismen jedoch unterschiedliche Belastungsstärken charakterisiert sind. Das sind beispielsweise:In this case, for example, a load to be switched load areas are assigned, which are characterized by the same failure mechanisms, however, different load strengths. These are for example:

Gleichspannung / Wechselspannung;DC voltage / AC voltage;

Induktive Last / Ohmsche Last / Kapazitive Last und Kombinationen; Oder Schwachlast und Kontaktunterbrechung.Inductive load / resistive load / capacitive load and combinations; Or low load and contact interruption.

Resultierend kann ein Kennlinienfeld erstellt werden, welches einen Zustand, beispielsweise eine Lebensdauer, einer elektromechanischen Komponente inAs a result, a characteristic field can be created, which is a state, for example a lifetime, of an electromechanical component in

Abhängigkeit von den Lastbedingungen, den Umgebungsbedingungen, den mechanischen Zustandsgrößen, den elektrischen Zustandsgrößen und/oder den Geometrieparameter repräsentiert. lm Einzelnen können hierfürfolgende Schritte durchgeführt werden:Depending on the load conditions, the environmental conditions, the mechanical state variables, the electrical state variables and / or the geometry parameter represents. More specifically, the following steps can be performed:

Schrift 1 :Font 1:

Aufnahme aller relevanten elektrischen Zustandsgrößen, mechanischen Zustandsgrößen, Geometrieparametern und - soweit gewünscht - weiterer Parameter jeder zu testenden elektromechanischen Komponente.Recording of all relevant electrical state variables, mechanical state variables, geometry parameters and, if desired, further parameters of each electromechanical component to be tested.

Schrift 2:Font 2:

Festlegung und/oder Ermittlung der Lastbereiche und Definition von ausgewählten Lasten, die die Lastbereiche ausreichend abbilden, beispielweise Maximalwert, Mittelwert und Minimalwert.Definition and / or determination of the load ranges and definition of selected loads that sufficiently map the load ranges, for example maximum value, mean value and minimum value.

Schrift 3:Font 3:

Durchführung der Tests in den ausgewählten Stellen der definierten Lastbereiche mit unterschiedlichen Parametern, beispielsweise Überhub, Kontaktabstand, Rückstellkraft Oder Prellzeit.Execution of the tests in the selected points of the defined load ranges with different parameters, for example overstroke, contact distance, restoring force or bounce time.

Schrift 4:Font 4:

Erstellung des Verhaltensmodells anhand der Testergebnisse unter Berücksichtigung der Variation Oder Streuung der Parameter.Creation of the behavioral model based on the test results taking into account the variation or variance of the parameters.

Die Anwendung der Prognose basierend auf einem mehrdimensionalen Kennlinienfeld erfolgt, indem unter Berücksichtigung der Kennwerte der elektromechanischen Komponente, beispielsweise Überhub, Kontaktabstand, Rückstellkraft Oder Prellzeit, der zu erwartende Zustand aus dem Kennlinienfeld abgeleitet wird. Unter Berücksichtigung von bereits absolvierten Schaltspielen kann beispielsweise die noch verbleibende Lebensdauer prognostiziert werden.The application of the prediction based on a multi-dimensional characteristic field is carried out by taking into account the characteristic values of the electromechanical component, for example, overtravel, contact distance, restoring force or bounce time, the expected state is derived from the characteristic field. Taking into account already completed switching cycles, for example, the remaining service life can be predicted.

Eine beispielshafte Anwendung dieses Verhaltensmodells ist ein Abbild einer realen elektromechanischen Komponente, beispielsweise eines Relais mit Elektronik und Firmware, bei dem die für die elektrische Lebensdauer wichtigen Kennwerte im laufenden Betrieb ermittelt bzw. gemessen werden und unter Berücksichtigung der geschalteten Last mit Spannung I Strom über dem Kontakt, bereits absolvierter Schaltspiele, und/oder Umgebungsbedingungen eine verbleibende Lebensdauer abgeleitet werden soil. lm Falie eines innerhalb einer bestimmten Zeit aufgrund einer hohen Schaltspielzahl zu erwartenden Ausfalls kann das Automatisierungssystem vorbeugend gewartet werden Oder die elektromechanische Komponente ausgewechselt werden. Die Einbindung dieses Verhaltensmodells in ein Systemmodell mittels eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes ist vorteilhaft. lm Folgenden werden weitere Ausführungsformen des Verfahrens 100 sowie der elektromechanischen Komponente 200 detaillierter beschrieben.An exemplary application of this behavioral model is an image of a real electromechanical component, such as a relay with electronics and firmware, in which the important for the electrical life parameters are determined or measured during operation and taking into account the switched load with voltage I current above the Contact, already completed operations, and / or ambient conditions a remaining life should be derived. In the case of a failure to be expected within a certain time due to a high number of operating cycles, the automation system can be preventively serviced or the electromechanical component can be replaced. The integration of this behavioral model into a system model by means of a multi-dimensional characteristic field is advantageous. In the following, further embodiments of the method 100 and the electromechanical component 200 will be described in more detail.

Das Verfahren 100 ermöglicht eine Analyse und Überwachung der elektromechanischen Komponente 200 unter Verwendung eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes, welches auf der Grundlage eines Verhaltensmodells bestimmt werden kann. Hierfür kann ein Verhaltenssimulator zum Einsatz kommen. Die elektromechanische Komponente 200 kann beispielsweise ein Schaltgerät sein. Das Konzept ermöglicht es, mit den aus der realen elektromechanischen Komponente 200 erfassten Zustandsgrößen, welche Kennwerte sein können, ein Verhalten der elektromechanischen Komponente 200 mittels des mehrdimensionalen Kennlinienfeldes abzubilden.The method 100 enables analysis and monitoring of the electromechanical component 200 using a multi-dimensional characteristic field that can be determined based on a behavioral model. For this purpose, a behavioral simulator can be used. The electromechanical component 200 may be, for example, a switching device. The concept makes it possible to map behavior of the electromechanical component 200 by means of the multidimensional characteristic field with the state variables which are detected from the real electromechanical component 200, which characteristic values may be.

In der Verhaltenssimulation bzw. Systemsimulation werden die in einemIn the behavioral simulation or system simulation are in a

Automatisierungssystem vorhandenen Komponenten unterschiedlicher Domänen in Verhaltensmodellen abgebildet und über Zustandsgrößen bzw. Wirkgrößen verknüpft, beispielsweise über einen Strom, eine Kraft, einen Fluss oder einen logischen Zustand. Der Vorteil der Verhaltenssimulation besteht beispielsweise darin, dass die Wirkung und Rückwirkung der Zustandsgrößen berücksichtigt werden können. Damit können beispielsweise Rückwirkungen von mechanischen Systemen auf elektromagnetische und elektrische Système abgebildet werden.Represent automation system of different components of different domains in behavioral models and linked via state variables or Wirkgrößen, for example, a current, a force, a flow or a logical state. The advantage of the behavioral simulation is, for example, that the effect and feedback of the state variables can be taken into account. For example, the effects of mechanical systems on electromagnetic and electrical systems can be mapped.

Die Verhaltenssimulation bildet somit einen Zustand der elektromechanischen Komponente 200 ab. Damit sind beispielsweise Werte und Änderungen der mechanischen oder elektrischen Zustandsgrößen erfassbar.The behavioral simulation thus depicts a state of the electromechanical component 200. Thus, for example, values and changes in the mechanical or electrical state variables can be detected.

Neben der Abbildung in Verhaltensmodellen mit bidirektionalem Fluss derIn addition to the illustration in behavioral models with bidirectional flow of

Zustandsgrößen können komplexe Verhaltensmodelle über Metamodelle abgebildet und in die Verhaltenssimulation eingebunden werden. Die Anwendung von Metamodellen ist beispielsweise bei der Darstellung eines Zuverlässigkeitsverhaltens von elektrischen Kontakten in Anhängigkeit von einer Last, eines mechanischen Überhubs, eines Kontaktabstands, einer Kontaktkraft, einer Rückstellkraft, eines zeitabhängigen Prellens oder einer Öffnungsgeschwindigkeit vorteilhaft. Durch die Einbindung von Metamodellen kann ferner eine Ausfallwahrscheinlichkeit mittels der erfassten Zustandsgrößen ermittelt werden und bei einem potentiell gefährlichen Zustand eine Abschaltung des Automatisierungssystems durchgeführt werden.State variables can be modeled complex models of behavior via meta-models and integrated into the behavioral simulation. The use of meta-models is advantageous, for example, in depicting a reliability behavior of electrical contacts in response to a load, a mechanical overstroke, a contact distance, a contact force, a restoring force, a time-dependent bounce or an opening speed. By incorporating meta-models, furthermore, a probability of failure can be determined by means of the detected state variables and, in the case of a potentially dangerous state, a shutdown of the automation system can be carried out.

Das Verhaltens- bzw. Simulationsmodell umfasst typischerweise Objekte aus folgenden Domänen:The behavioral or simulation model typically includes objects from the following domains:

Elektrische, z.B. elektronische Schaltungen, Sensoren wie Lichtschranken oder Schalter;Electrical, e.g. electronic circuits, sensors such as light barriers or switches;

Magnetische, z.B. Reedkontakte, Sensoren;Magnetic, e.g. Reed contacts, sensors;

Elektromagnetische, z.B. Relais, Schütze, Ventile, Hallsensor;Electromagnetic, e.g. Relays, contactors, valves, Hall sensor;

Fluide, z.B. Druckventile, Düsen;Fluids, e.g. Pressure valves, nozzles;

Thermische Quellen, z.B. Lastwiderstände, Heizungen, Lüfter, Kühler; Softwareobjekte, z.B. Firmware Blöcke, PWM, OSSD; und Metamodelle zur Abbildung stochastischer Zusammenhänge.Thermal sources, e.g. Load resistors, heaters, fans, coolers; Software objects, e.g. Firmware blocks, PWM, OSSD; and meta-models for mapping stochastic relationships.

Fig. 4a und Fig. 4a‘ zeigen ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes. Das Verhaltensmodell betrifft beispielsweise ein elektromagnetisches Schaltgerät als elektromechanische Komponente. Das Diagramm zeigt eine Firmware-Komponente 401, eine Elektronik-Komponente 403, eine Elektromechanik-Komponente 405, eine Fluid-Komponente 407, und eine Datenschnittstelle 409 zur bidirektionalen Datenübertragung. Das Diagramm zeigt ferner ein Firmware-Modul 411, ein Elektronik-Modul 413, ein Elektromagnetik-Modul 415, ein Mechanik-Modul 417, und ein Metamodell-Modul 419 zur Ermittlung einer Kontaktzuverlässigkeit als Zustand der elektromechanischen Komponente.FIG. 4a and FIG. 4a 'show a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field. The behavioral model relates, for example, to an electromagnetic switching device as an electromechanical component. The diagram shows a firmware component 401, an electronics component 403, an electromechanical component 405, a fluid component 407, and a data interface 409 for bidirectional data transmission. The diagram further shows a firmware module 411, an electronics module 413, an electromagnet module 415, a mechanics module 417, and a meta-model module 419 for determining a contact reliability as a state of the electromechanical component.

Durch die Ausführung einer Verhaltenssimulation auf der Basis des Verhaltensmodells kann das mehrdimensionale Kennlinienfeld bestimmt werden, welches mechanische Zustandsgrößen und elektrische Zustandsgrößen der elektromechanischen Komponente auf den Zustand der elektromechanischen Komponente abbildet.By executing a behavioral simulation on the basis of the behavioral model, the multidimensional characteristic field can be determined, which maps mechanical state variables and electrical state variables of the electromechanical component to the state of the electromechanical component.

Fig. 4b und Fig. 4b‘ zeigen ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes. Das Verhaltensmodell betrifft beispielsweise ein elektromagnetisches Schaltgerät als elektromechanische Komponente. Das Diagramm zeigt eine Firmware-Komponente 401, eine Elektronik-Komponente 403, eine Elektromechanik-Komponente 405, eine Fluid-Komponente 407, und eine Datenschnittstelle 409 zur bidirektionalen Datenübertragung. Das Diagramm zeigt ferner ein Objekt 421 zur Ermittlung einer Lichtbogenbrenndauer als Zustand der elektromechanischen Komponente, ein Objekt 423 zur Ermittlung eines Prellverhaltens von Kontakten als Zustand der elektromechanischen Komponente, und ein Objekt 425 zur Ermittlung eines Kontaktwiderstandes als Zustand der elektromechanischen Komponente, welche optional oder zusätzlich verwendet werden können.4b and 4b 'show a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field. The behavioral model relates, for example, to an electromagnetic switching device as an electromechanical component. The diagram shows a firmware component 401, an electronics component 403, an electromechanical component 405, a fluid component 407, and a data interface 409 for bidirectional data transmission. The diagram also shows an object 421 for determining an arc burning time as the state of the electromechanical component, an object 423 for determining a bounce behavior of contacts as the state of the electromechanical component, and an object 425 for determining a contact resistance as the state of the electromechanical component, which optionally or additionally can be used.

Fig. 5a bis Fig. 5f zeigen schematische Diagramme von Zeitverläufen vonFIGS. 5a to 5f show schematic diagrams of time profiles of FIG

Zustandsgrößen elektromechanischer Komponenten. lm Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele näher erläutert.State variables of electromechanical components. In the following two embodiments will be explained in more detail.

Erstes Ausführungsbeispiel:First embodiment:

Die Lebensdauer eines Kontaktes eines Relais als elektromechanische Komponente hangt bei Lasten mit hohem Einschaltstrom, beispielsweise bei Schützen oder Motoren, stark vom Prellverhalten beim Einschalten des Kontaktes ab.The life of a contact of a relay as an electromechanical component depends heavily on loads with high inrush current, such as shooters or motors, from the bounce when switching on the contact.

Wenn der Kontakt nicht prellt bzw. die Prellzeit keiner als 0,1 ps ist, so dass sich üblicherweise kein Einschaltlichtbogen bilden kann, ist der Kontaktverschleiß durch Erwärmung durch den Einschaltlichtbogen geringer als bei prellenden Kontakten mit einer Prellzeit von typischerweise mehr als 1 bis 5ms und einer Anzahl der Preller zwischen 2 und 5. Bei Überschreitung von kritischen Werten, beispielsweise der Prellanzahl oder der Prelldauer, kann der Lastkontaktdauerhaft verschweißen und somit die Last eingeschaltet bleiben, was einen potentiell gefährlichen Zustand darstellen kann.If the contact does not bounce or the bounce time is none than 0.1 ps, so that usually no turn-on arc can form, the contact wear due to heating by the turn-on arc is less than bouncing contacts with a bounce time of typically more than 1 to 5 ms and a number of bumpers between 2 and 5. When exceeding critical values, such as the bounce number or the bounce duration, the load contact can permanently weld and thus the load remain switched on, which can represent a potentially dangerous condition.

Die Veränderung des Prellverhaltens kann durch eine Vielzahl von Einflüssen erfolgen, beispielsweise eine Schaltspielzahl am Lastkontakt, einem Einfluss einer Umgebungstemperatur oder eines mechanischen Verschleißes, einem Einfluss einer Ansteuerspannung oder einer Ermüdung von Kontaktfedern.The change in the bounce behavior can be effected by a multiplicity of influences, for example a switching cycle number at the load contact, an influence of an ambient temperature or a mechanical wear, an influence of a drive voltage or a fatigue of contact springs.

In diesem Ausführungsbeispiel wird das Prellverhalten, insbesondere die Prellanzahl oder die Prelldauer, des Lastkontaktes ermittelt. Bei Veränderungen dahingehend, dass sich das Prellverhalten in kritische Werte hinsichtlich der Prellanzahl oder der Prelldauer verandert, werden der elektromechanischen Komponente Information über diese Zustandsänderung bereitgestellt. Daraufhin kann beispielsweise eine Warnung an einen Betreiber erfolgen oder auch eine Abschaltung zu einem geeigneten Zeitpunkt vor einem Ausfall und damit vor einem kritischen Zustand durchgeführt werden.In this embodiment, the bounce behavior, in particular the bounce number or the bounce time, of the load contact is determined. When changes are made such that the bounce behavior changes to critical values in terms of bounce number or bounce duration, information about this state change is provided to the electromechanical component. Thereupon, for example, a warning to an operator or a shutdown at a suitable time before a failure and thus performed before a critical condition.

Die Ermittlung des Prellverhaltens kann dadurch erfolgen, dass der Laststrom mittels eines Stromsensors, beispielsweise einem Reedkontakt, und die mechanische Rückwirkung des Kontaktprellens auf den Ansteuerstrom der Relaisspule erfasst werden. Bei prellenden Kontakten wird der Laststrom durch den geöffneten Kontakt kurzzeitig abgeschaltet. Bei hohen Lasten kann ein Lichtbogen zwischen den offenen Kontakten entstehen. Die Erfassung der Unterbrechung und/oder Verânderung des Laststromes kann herausfordernd sein, wenn die Lastspannung sehr hoch ist, beispielsweise bei Netzspannung, und sich damit die verbleibende Quellspannung bedingt durch den stehenden Lichtbogen nursehrwenig ändert.The determination of the bounce behavior can take place in that the load current is detected by means of a current sensor, for example a reed contact, and the mechanical reaction of the contact bounce on the drive current of the relay coil. With bouncing contacts, the load current is briefly switched off by the open contact. At high loads, an arc can occur between the open contacts. The detection of the interruption and / or change in the load current can be challenging if the load voltage is very high, for example, at mains voltage, and thus changes the remaining source voltage due to the standing arc only very little.

Daher kann zusätzlich oder parallel der mechanische Einfluss des prellenden Kontaktes auf den Ansteuerstrom der Spule ermittelt werden. In Fig. 5a sind die Erregerspannung der Relaisspule, der Spulenstrom, der Kontaktstrom am Schließer-Kontakt und die Ankerbewegung dargestellt. Diese Zustandsgrößen können messtechnisch erfasst werden. Dabei ist ersichtlich, dass sich die Preller des Schließer-Kontaktes auf den Spulenstrom auswirken. Dieser Einfluss auf den Spulenstrom kann messtechnisch erfasst und ausgewertet werden.Therefore, additionally or in parallel, the mechanical influence of the bouncing contact on the drive current of the coil can be determined. In Fig. 5a, the excitation voltage of the relay coil, the coil current, the contact current at the make contact and the armature movement are shown. These state variables can be detected metrologically. It can be seen that the bumpers of the make contact affect the coil current. This influence on the coil current can be detected and evaluated metrologically.

Eine Möglichkeit der Auswertung ist die 1 bis 2-malige Differenzierung des Spulenstroms, urn die Anderung des Spulenstromes zu erfassen, wie beispielsweise in Fig. 5b gezeigt ist. Nach erfolgter erster Kontaktgabe sind die Preller als Nullstellen nach 2-facher Differenzierung des Spulenstromes identifizierbar. Über die Anzahl und die Dauer der Nullstellen kann man auf der Ansteuerseite die Anzahl und die Dauer der Kontaktpreller identifizieren.One possibility of the evaluation is the 1 to 2 differentiation of the coil current in order to detect the change in the coil current, as shown for example in FIG. 5b. After the first contact the Preller are identifiable as zeros after 2-fold differentiation of the coil current. About the number and duration of the zeros can be identified on the Ansteuerseite the number and duration of Kontaktpreller.

Eine weitere mögliche Anwendung ist die Analyse der Ursachen von Kontakt-Prellern und gegebenenfalls einer Korrektur im laufenden Betrieb. Eine Ursache für auftretende Preller kann beispielsweise eine Erwärmung des Relais und eine damit verbunden Erhôhung des Spulenwiderstandes sein. Durch diesen Effekt wird der Spulenstrom zur Erregung des Relais verringert, was gleichzeitig eine Verringerung der Kraft des Magnetsystems und, damit verbunden, eine Erhöhung der Prelldauer bzw. der Anzahl der Preller nach sich ziehen kann.Another possible application is the analysis of the causes of contact bouncers and, if necessary, a correction during operation. For example, a cause of bouncing may be heating of the relay and an associated increase in coil resistance. By this effect, the coil current is reduced to energize the relay, which at the same time can cause a reduction in the force of the magnet system and, associated therewith, an increase in the bounce time or the number of bumpers.

Weitere Möglichkeiten sind die Veränderungen der mechanischen Parameter, beispielsweise durch Reibung oder Ermüdung, und damit Veränderungen der kinetischen Verhältnisse bei der Kontaktgabe. Urn die Ursachen hierfür zu ermitteln, ist ein Vergleich der ermittelten Zustandsgrößen des Verhaltensmodells unter Variation derOther possibilities are the changes in the mechanical parameters, for example due to friction or fatigue, and thus changes in the kinetic conditions in the contact. To determine the causes for this, a comparison of the determined state variables of the behavioral model with variation of the

Relaisparameter und der gemessenen Zustandsgrößen des realen Objekts möglich.Relay parameters and the measured state variables of the real object possible.

Durch Optimierung der Modellparameter mit dem Ziel einer minimalen Abweichung einer Modell-Charakteristik, beispielsweise des differenzierten Spulenstromes und des gemessenen differenzierten Spulenstroms, können die für das veränderte Verhalten des realen Objektes bestimmenden Parameter und deren Größe ermittelt werden. Basierend auf dieser Kenntnis kann beispielsweise durch eine Veränderung derBy optimizing the model parameters with the aim of a minimal deviation of a model characteristic, for example the differentiated coil current and the measured differentiated coil current, the parameters determining the changed behavior of the real object and their size can be determined. Based on this knowledge, for example, by changing the

Ansteuercharakteristik, beispielsweise eines Stromanstiegs, eines Spannungswerts, einer Impulsform, einer Impulsdauer, einer Impulsfrequenz bei einer Puls-Weiten-Modulation (PWM), eine Ansteuerung das Prellverhalten derart beeinflussen, dass die Anzahl oder Dauer der Preller minimiert wird und damit der Zeitpunkt zur Erreichung eines kritischen Zustandes, beispielsweise eines dauerhaft verschweißten Kontaktes, nach hinten verschoben werden kann.Ansteuercharakteristik, such as a current increase, a voltage value, a pulse shape, a pulse duration, a pulse frequency in a pulse width modulation (PWM), a control influence the bounce behavior such that the number or duration of Preller is minimized and thus the time to reach a critical condition, such as a permanently welded contact, can be moved backwards.

Zweites Ausführungsbeispiel:Second embodiment:

Zur Reduzierung der Ansteuerleistung von Relais wird oft eine PWM-Ansteuerung gewählt. Diese hat den Vorteil, dass die Relaisspule nach einem Einschalten mit einer getakteten Spannung betrieben werden kann, die ausreichend ist, den Arbeitszustand aufrechtzu erhalten. Da die Relaisparameter streuen können, wird typischerweise die Pulsweite so gewählt, dass auch unter Worst-Case-Bedingungen für alle möglichen Relais dieser Arbeitszustand erhalten bleibt. Da aber nur sehr wenige Relais - bei normalverteilten Prozessen « 0,1% - diese Worst-Case-Bedingungen erfordern, wird die verbleibende überwiegende Mehrheit mit einer höheren als der notwendigen Leistung angesteuert. Diese Leistung führt zu einer Erwärmung und damit zu Herausforderungen, insbesondere bei einer großen Anzahl gleichzeitig angesteuerter Relais.To reduce the drive power of relays a PWM control is often selected. This has the advantage that the relay coil can be operated after switching on with a pulsed voltage, which is sufficient to maintain the working state. Since the relay parameters can scatter, the pulse width is typically chosen so that this working state is maintained even under worst-case conditions for all possible relays. But since only very few relays - with normally distributed processes "0.1%" - require these worst-case conditions, the remaining vast majority is driven with a higher than the required power. This power leads to a warming and thus to challenges, especially with a large number of simultaneously controlled relays.

Das Konzept besteht darin, die für das jeweilige Relais optimale Ansteuerleistung, beispielsweise mittels eines Puls-Pause-Verhältnisses, zu erfassen und die Ansteuerung minimal derart einzustellen, dass die Arbeitslage immer eingehalten wird.The concept consists in detecting the optimum drive power for the respective relay, for example by means of a pulse-pause ratio, and to set the drive minimally in such a way that the working position is always maintained.

Der Ablauf erfolgt beispielsweise folgendermaßen:For example, the process is as follows:

Schrift 1 :Font 1:

Erregung des Relais im Einschaltzeitraum mit voller Spannung bis zur sicheren Erreichung der Endlage.Excitation of the relay in the switch-on period with full voltage until the end position is safely reached.

Schrift 2: PWM-Tastung der Betriebsspannung und Messung des Spulenstromes.Font 2: PWM keying of the operating voltage and measurement of the coil current.

Schrift 3:Font 3:

Bei beginnender Ankerbewegung - identifizierbar durch einen Anstieg derAt the beginning of the anchor movement - identifiable by an increase in the

Spulenspannung - Veränderung des Impulsverhältnisses derart, dass der Anker wieder sicher in der Arbeitslage verbleibt.Coil voltage - change in the pulse ratio such that the armature remains safely in the working position.

In Fig. 5c sind beispielhaft der Verlauf der Ansteuerspannung, des Spulenstromes, die Bewegung des Ankers und die Kontaktkraft unter Normalbedingungen dargestellt. Die Spulenspannung wird nach 45ms auf eine PWM umgeschaltet, die derart ausgelegt ist, dass der Anker in der Arbeitslage verbleibt. Fig. 5d zeigt einen beispielhaften Fall, in welchem die PWM nicht ausreichend bemessen ist, sodass nach einer Verzögerungszeit von ca. 62ms der Anker beginnt, sich von der Endlage zu lösen und damit auch die Kontaktkraft reduziert wird. Fig. 5e und Fig. 5f zeigen einen Zustand, bei dem die Ankerbewegung erkannt wird, indem der Spulenstrom differenziert wird und die Ankerbewegung durch einen positiven Nulldurchgang des differenzierten Ankerstroms erfasst wird. Mit diesem Signal wird die PWM nunmehr so verandert, beispielsweise durch eine Erhöhung eines Duty-Werts, dass der Anker unmittelbar wieder sicher die Endlage erreicht. Die resultierende verbleibende Ankerbewegung ist minimal und die Kontaktkraft am Lastkontakt bleibt praktisch ohne Veränderung, wie in Fig. 5e gezeigt ist.In Fig. 5c, the course of the drive voltage, the coil current, the movement of the armature and the contact force under normal conditions are shown by way of example. The coil voltage is switched after 45ms to a PWM, which is designed so that the armature remains in the working position. FIG. 5 d shows an exemplary case in which the PWM is not sufficiently dimensioned, so that after a delay time of approximately 62 ms the armature begins to detach from the end position and thus also the contact force is reduced. FIGS. 5e and 5f show a state in which the armature movement is detected by differentiating the coil current and detecting the armature movement by a positive zero crossing of the differentiated armature current. With this signal, the PWM is now changed so, for example, by increasing a duty value that the anchor immediately again safely reaches the end position. The resulting remaining armature movement is minimal and the contact force on the load contact remains virtually unchanged, as shown in Fig. 5e.

Fig. 6a, Fig. 6a‘, Fig. 6b und Fig. 6b' zeigen ein schematisches Diagramm eines Verhaltensmodells zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes. Das physikalische Verhaltensmodell der elektromechanischen Komponente kann einen „Digitalen Zwilling“ der elektromechanischen Komponente bilden. Das Verhaltensmodell kann mittels eines Verhaltenssimulators implementiert werden und zum Bestimmen eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes verwendet werden.6a, 6a ', 6b and 6b' show a schematic diagram of a behavioral model for determining a multi-dimensional characteristic field. The physical behavioral model of the electromechanical component may constitute a "digital twin" of the electromechanical component. The behavioral model can be implemented by means of a behavioral simulator and used to determine a multi-dimensional characteristic field.

Das Verhaltensmodell (1) als Systemabbildung beinhaltet physikalische Modelle aller Komponenten der elektromechanischen Komponente, wie beispielsweise: (1.1) Elektronik (Ansteuerschaltung Relais, inklusive Schalt-Anforderungsblock); (1.2) Elektromagnet (Magnetsystem Relais); (1.3) Mechanik (Kontaktfeder, Rückstellfedern Relais); (1.4) Schaltkontakt (Modell Kontaktwiderstand, Lichtbogen Schaltkontakt Relais); (1.5) Stromsensor (Sensor Laststrom); (1.6) Lastspannung; (1.7) Last (Widerstand, Induktivität, Kapazität); und (1.8) Kennlinienfeld Lebensdauer.The behavioral model (1) as a system map includes physical models of all components of the electromechanical component, such as: (1.1) electronics (drive circuit relay, including switch request block); (1.2) electromagnet (magnet system relay); (1.3) Mechanics (contact spring, return springs relay); (1.4) switching contact (model contact resistance, arc switching contact relay); (1.5) current sensor (load current sensor); (1.6) load voltage; (1.7) load (resistance, inductance, capacity); and (1.8) Characteristic field lifetime.

Dazu können Ergebnisse von Tests und dazugehörige Parameter in einem Ersatzmodell bzw. Metamodell ähnlich einem Kennlinienfeld abgebildet werden. Es kann dabei vorteilhaft sein, für verschiedene Lastarten, beispielsweise Gleichstrom oder Wechselstrom, sowie Ausfallmechanismen, beispielsweise einen nicht öffnenden Kontakt als potentiell gefährlichen Ausfall oder einen nicht schließenden Kontakt, unterschiedliche Modelle zu generieren. Die Erzeugung eines Ersatzmodells erfolgt beispielsweise mittels der Methode des MOP (Metamodel of Optimal Prognosis).For this purpose, results of tests and associated parameters can be mapped in a replacement model or meta-model similar to a characteristic field. It may be advantageous to generate different models for different load types, such as DC or AC, and failure mechanisms, such as a non-opening contact as a potentially dangerous failure or a non-closing contact. The generation of a replacement model takes place, for example, by means of the method of the MOP (Metamodel of Optimal Prognosis).

Die Zustandsgrößen umfassen beispielsweise: (2.1) Kontaktspannung NC-Kontakt; (2.2) Betriebsspannung Ansteuerschaltung; (2.3) Spulenstrom Relais; (2.4) Kontaktspannung NO-Kontakt (Lastkontakt); (2.5) Umgebungstemperatur; (2.6) Laststrom; und (2.7) Lastspannung.The state variables include, for example: (2.1) contact voltage NC contact; (2.2) operating voltage control circuit; (2.3) coil current relay; (2.4) contact voltage NO contact (load contact); (2.5) ambient temperature; (2.6) load current; and (2.7) load voltage.

Nunmehr erfolgt eine Simulation des Verhaltens der elektromechanischen Komponente. Dabei werden beispielsweise innere Parameter aus der Simulation gewonnen, die messtechnisch nicht erfassbar jedoch für das Verhalten (z.B. Ausfall / Lebensdauer) relevant sein können, beispielsweise ein Überhub des Lastkontaktes oder ein Reibweg des Lastkontaktes.Now a simulation of the behavior of the electromechanical component takes place. In this case, for example, internal parameters are obtained from the simulation which can not be detected by measurement, but can be relevant for the behavior (for example failure / service life), for example an overstroke of the load contact or a friction path of the load contact.

Darüber hinaus werden die als Signale übertragenen Messwerte durch mathematische Operationen, wie beispielsweise Integraloperationen, Transformationen oder Ableitungen, derart konvertiert, dass die charakteristischen Eigenschaften der Signale beispielsweise durch Koeffizienten dargestellt werden können. Diese können analog zu normalen Parametern dargestellt und verarbeitet werden.In addition, the measured values transmitted as signals are converted by mathematical operations, such as integral operations, transformations or derivatives, such that the characteristic properties of the signals can be represented by coefficients, for example. These can be displayed and processed analogously to normal parameters.

Die übertragenen Messwerte und die daraus in der Simulation ermittelten Parameter sowie die mit dem Verhaltensmodell in der Simulation ermittelten Parameter werden beispielsweise in zumindest einem Metamodell zur Prognose eines Ausfallsverhaltens, beispielsweise einer verbleibenden Schaltspielzahl, verarbeitet.The transmitted measured values and the parameters determined therefrom in the simulation as well as the parameters determined using the behavioral model in the simulation are processed, for example, in at least one meta-model for predicting a failure behavior, for example a remaining number of operating cycles.

Die Zustandsgrößen bzw. Zustände werden ausgegeben oder visualisiert. lm Falie einer deutlichen Verringerung der zu erwartenden Rest-Lebensdauer oder einer geringen Rest-Lebensdauer kann beispielsweise mittels einer vorbeugenden Wartung ein unerwarteter Ausfall vermieden werden. Im Fall einer verbleibenden hohen Rest-Lebensdauer kann beispielsweise eine geplante Wartung verschoben werden.The state variables or states are output or visualized. In the case of a significant reduction in the expected remaining service life or a low residual service life, for example by means of preventive maintenance, an unexpected failure can be avoided. In the case of a remaining high remaining life, for example, a scheduled maintenance can be postponed.

In einer weiteren Anwendung erfolgt eine aktive Beeinflussung oder Optimierung der elektromechanischen Komponente durch Veränderungen von einstellbaren Parametern (1.9), wie beispielsweise: einer Betriebsspannung; einem PWM Duty-Wert; oder einer Schaltsequenz bei Redundanz.In another application, an active influencing or optimization of the electromechanical component by changes of adjustable parameters (1.9), such as: an operating voltage; a PWM duty value; or a switching sequence with redundancy.

Dazu kann auf der Ebene des Simulationsmodells ein Optimierer (6) die Ergebnisse der Simulation, beispielsweise die Rest-Lebensdauer, unter Variation von Simulationsparametern (1.9), beispielsweise Relaiskennwerten, dahingehend optimieren, dass ein optimaler Parametersatz (1.10) gefunden wird, bei dem beispielsweise eine möglichst hohe Rest-Lebensdauer erreicht wird.For this purpose, at the level of the simulation model, an optimizer (6) can optimize the results of the simulation, for example the remaining lifetime, by varying simulation parameters (1.9), for example relay characteristics, such that an optimal parameter set (1.10) is found, for example the highest possible residual life is achieved.

Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen beschriebenen und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, urn gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu erzielen.All features described and shown in connection with individual embodiments may be provided in different combinations in the article according to the invention, in order to simultaneously achieve their advantageous effects.

Bezugszeichenliste 100 Verfahren zur Überwachung einer elektromechanischen Komponente 101 Erfassen einer mechanischen Zustandsgröße 103 Erfassen einer elektrischen Zustandsgröße 105 Ermitteln eines Zustandes der elektromechanischen Komponente 200 Elektromechanische Komponente 201 Erfassungseinrichtung 203 Speicher 205 Prozessor 401 Firmware-Komponente 403 Elektronik-Komponente 405 Elektromechanik-Komponente 407 Fluid-Komponente 409 Datenschnittstelle 411 Firmware-Modul 413 Elektronik-Modul 415 Elektromagnetik-Modul 417 Mechanik-Modul 419 Metamodell-Modul 421 Objekt 423 Objekt 425 ObjektREFERENCES 100 Method for monitoring an electromechanical component 101 Detecting a mechanical state variable 103 Detecting an electrical state variable 105 Determining a state of the electromechanical component 200 Electromechanical component 201 Detecting device 203 Memory 205 Processor 401 Firmware component 403 Electronics component 405 Electromechanical component 407 Fluid component 409 Data interface 411 Firmware module 413 Electronics module 415 Electromagnetic module 417 Mechanics module 419 Meta-model module 421 Object 423 Object 425 Object

Claims

A method (100) for monitoring an electromechanical component (200) of an automation system, comprising: detecting (101) a mechanical state quantity of the electromechanical component (200); Detecting (103) an electrical state quantity of the electromechanical component (200); and determining (105) a state of the electromechanical component (200) based on a multi-dimensional characteristic field with a plurality of states of the electromechanical component (200), wherein each state of the electromechanical component (200) is associated with a mechanical state variable and an electrical state variable.

The method (100) of claim 1, wherein in the multi-dimensional map, each state of the electromechanical component (200) is further associated with a geometry parameter, comprising: determining a geometry parameter of the electromechanical component (200); and determining the state of the electromechanical component (200) on the basis of the multi-dimensional characteristic field, wherein the determined state is associated with the detected mechanical state variable, the detected electrical state variable and the geometry parameter.

3. Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the multi-dimensional characteristic field is represented by digital data values, in particular pre-stored digital data values.

4. The method according to claim 1, further comprising: interpolating between bases of the multidimensional characteristic field to determine the state of the electromechanical component, wherein the interpolation points are given by electrical state variables, by mechanical state variables, and / or by geometry parameters are.

5. The method according to claim 1, further comprising: determining the multidimensional characteristic field on the basis of a behavioral model of the electromechanical component, wherein the behavioral model takes into account an influence of the acquired mechanical state variable on the detected electrical state variable.

The method (100) of claim 5, wherein the multi-dimensional map is determined by performing a behavioral simulation of the electromechanical component (200), wherein the behavioral simulation implements the behavioral model.

7. The method according to claim 1, further comprising displaying the determined state of the electromechanical component, in particular by means of a display device.

8. The method of claim 1, further comprising generating a control signal to drive the electromechanical component in response to the detected state of the electromechanical component and to drive the electromechanical component with the generated one Control signal includes.

A method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the mechanical state quantity and the electrical state quantity are detected by the electromechanical component (200).

10. The method of claim 1, wherein the mechanical state quantity comprises one of the following mechanical state variables: a bump of a contact of the electromechanical component, a bounce duration of a bump of a contact of the electromechanical component, a bounce number of Bruises of contact of the electromechanical component (200), a temperature of an element of the electromechanical component (200), an ambient temperature of the electromechanical component (200), a moving speed of an element of the electromechanical component (200), in particular an armature, a contact force or a release force a contact of the electromechanical component (200).

The method (100) of any one of the preceding claims, wherein the electrical state quantity is a current through the electromechanical component (200) or a voltage of the electromechanical component (200).

12. The method of claim 1, wherein the determined state of the electromechanical component is a lifetime of the electromechanical component.

13. The method according to claim 1, wherein the electromechanical component is an electromechanical switch, in particular a relay.

14. An electromechanical component (200), comprising: detection means (201) configured to detect a mechanical state quantity of the electromechanical component (200) and an electrical state quantity of the electromechanical component (200); a memory (203) in which a multi-dimensional characteristic field having a plurality of states of the electromechanical component (200) is stored, wherein each state of the electromechanical component (200) is assigned a mechanical state variable and an electrical state variable; and a processor (205) configured to determine a state of the electro-mechanical component (200) based on the multi-dimensional map.

15. Computer program with a program code for carrying out the method (100) according to one of claims 1 to 13.