FESTO AG & Co, 73734 Esslingen Verfahren zur Fehlereingrenzung und Diagnose an einer fluidischen Anlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlereingrenzung und Diagnose an einer fluidischen Anlage, insbesondere an einer pneumatischen Anlage, wobei der Fluidverbrauch wenigstens eines Bereichs der Anlage erfasst und betriebszyklusabhängig mit einem entsprechenden gespeicherten Referenzverbrauch ver- glichen wird.
Aus der DE 19628221 C2 ist ein derartiges Verfahren bekannt, das allerdings zur Bestimmung von Betriebspositionen von Arbeitseinrichtungen einer pneumatischen Anlage dient, wobei auf Sensoren, insbesondere Positionssensoren, verzichtet wird. Vor allem bei größeren Anlagen, bei denen sich Vorgänge überschneiden, kann nicht mit Sicherheit auf die Position einer oder in einer bestimmten Arbeitseinrichtung geschlossen werden. Tritt bei einer der Arbeitseinrichtungen eine Fehl- funktion oder ein Leck auf, so sind keinerlei eindeutige Aussagen und Feststellungen mehr möglich, und schon gar nicht kann eine bestimmte Arbeitseinrichtung oder Komponente der Anlage ermittelt werden, die nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zur Fehlereingrenzung und Diagnose zu schaffen, durch das mit einfachen Mitteln dasjenige System und/oder Subsystem der Anlage erkannt
werden kann, bei dem ein Fehler auftritt, also beispielsweise eine Fehlfunktion oder ein Leck.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlereingrenzung und Diagnose bestehen insbesondere darin, dass hardwaremäßig lediglich eine zusätzliche Volumenstromsensorik in der Versorgungsleitung der Anlage erforderlich ist, um den Fluidverbrauch zu messen. Im Übrigen werden die ohnehin vorhandenen Positions-, Endschalter- und Aktorsteuersignale verwendet, um bei der Fluidverbrauchsmessung festgestellte Ereignisse bestimmten Systemen bzw. Subsystemen zuordnen und dadurch einen Fehler erkennen zu können. Dabei können sowohl Fehlfunktionen im jeweiligen System und/oder Subsystem als auch Lecks erkannt und dem jeweiligen System bzw. Subsystem zugeordnet werden. Ein Fehler kann dadurch auf ein bestimmtes System innerhalb der Anlage oder sogar auf ein bestimmtes Subsystem eingegrenzt werden. Dies erfolgt sehr schnell noch während des Ablaufprogramms der Anlagensteuerung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im An- spruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
Der erfasste Fluidverbrauch und der gespeicherte Referenzverbrauch liegen zweckmäßigerweise als Kurvenverläufe vor, die insbesondere durch Summierung oder Integration von Durch- flusswerten erzeugt werden. Eine besonders gute Fehlererkennung wird dadurch erreicht, dass Differenzwerte oder Differenz-Kurvenverläufe zwischen Fluidverbrauch und Referenzverbrauch gebildet werden, da aus diesen Abweichungen besonders leicht erkannt werden können.
Zur Feststellung des oder der fehlerbehafteten Systeme und/oder Subsysteme zum Zeitpunkt der Verbrauchs-Abweichung oder Beendigung einer ständigen Verbrauchs-Abweichung wird in vorteilhafter Weise ein zeitlicher Vergleich mit dem Ablaufprogramm der Anlagensteuerung durchgeführt. Dadurch kann über das Ablaufprogramm leicht festgestellt werden, welches System oder Subsystem zum festgestellten Zeitpunkt aktiv war oder ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch überprüft werden, welche Steuersignale für Systeme oder Subsysteme und/oder Sensorrückmeldungen unmittelbar vor diesem Zeitpunkt aufgetreten sind und welchen Systemen bzw. Subsystemen sie zugeordnet waren. Auch hierdurch kann das fehlerhafte System bzw. Subsystem exakt bestimmt werden.
In vorteilhafter Weise können auch zusätzlich vor oder während der Fluidverbrauchs-Diagnose die Verfahr- und/oder Positionierzeiten der Systeme und/oder Subsysteme anhand von gespeicherten Referenzwerten überprüft werden. Werden Abwei- chungen von den gespeicherten Verfahr- und/oder Positionierzeiten festgestellt, so kann dadurch auf das fehlerhafte System geschlossen werden und - falls dies vor der Verbrauchs- Diagnose erfolgt - kann die Fluidverbrauchs-Diagnose selbst auch entfallen, wenn das fehlerhafte System oder Subsystem bereits schon durch das Vorverfahren ermittelt werden konnte.
Insbesondere bei großen fluidischen Anlagen kann es sich auch als vorteilhaft erweisen, wenn der Fluidverbrauch zu mehreren Bereichen der fluidischen Anlage mittels mehrerer Durchfluss- Messeinrichtungen erfasst und diagnostiziert wird. Dies erhöht die Diagnosesicherheit und auch die Eindeutigkeit der Fehlererkennung, insbesondere wenn sich mehrere Systeme zu gleicher Zeit bewegen. Beispielsweise können auch sicher-
heitsrelevantere Bereiche der Anlage auf diese Weise zusätzlich bzw. gesondert überwacht werden.
Da der Duchfluss bzw. Volumenstrom und damit auch der Fluidverbrauch nicht zuletzt vom Druck und der Temperatur abhängt, werden diese Parameter oder wenigstens einer dieser Parameter zweckmäßigerweise erfasst und können zur parameterabhängigen Korrektur des Fluidverbrauchs dienen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine pneumatische Anlage, in deren Zuführung ein Durchflussmesser geschaltet ist,
Fig. 2 einen Teilbereich der Diagnosestufe zur Differenzbildung,
Fig. 3 eine umfangreichere pneumatische Anlage, die in drei Teilbereiche aufgeteilt ist und wobei jedem Teilbereich ein Durchflussmesser zugeordnet ist,
Fig. 4 bis 6 Luftverbrauchsdiagramme zur Erläuterung verschiedener Diagnoseergebnisse.
In Fig. 1 ist eine pneumatische Anlage schematisch dargestellt, wobei es sich prinzipiell auch um eine andere fluidi- sche Anlage, wie eine hydraulische Anlage, handeln könnte.
Die pneumatische Anlage besteht aus fünf Subsystemen 10-14, bei denen es sich jeweils um Aktoren, wie Ventile, Zylinder, Linearantriebe und dergleichen, handeln kann sowie um Kombinationen derselben. Diese Subsysteme 10-14 werden von einer Druckquelle 15 gespeist, wobei in einer gemeinsamen Zuführleitung 16 ein Durchflussmesser 17 zur Messung des Durchflus-
ses bzw. des Volumenstromes angeordnet ist. Durch Summierung bzw. Integration der Messwerte für den Durchfluss bzw. Volumenstrom oder Massenstrom erhält man den Luftverbrauch. Die Subsysteme 11, 12 einerseits und die Subsysteme 13, 14 ande- rerseits bilden wiederum jeweils ein System mit einer gemeinsamen Zuleitung.
Eine elektronische Steuerungsvorrichtung 18 dient zur Vorgabe des Ablaufprozesses der Anlage und ist elektrisch mit den Subsystemen 10-14 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 und dergleichen.
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 und des Drucks in der Zuführleitung 16 zuge- führt sind. Weiterhin hat die Diagnoseeinrichtung 19 Zugriff auf das Ablauf rogramm der elektronischen Steuervorrichtung 18. Die Diagnoseergebnisse werden einem Display 22 zugeführt, wobei diese Diagnoseergebnisse selbstverständlich auch gespeichert, ausgedruckt oder einer Zentrale über Leitungen oder drahtlos übermittelt werden können.
Die Diagnoseeinrichtung 19 kann selbstverständlich auch in der elektronischen Steuerungsvorrichtung 18 integriert sein, die beispielsweise einen MikroController zur Durchführung des AbiaufProgramms und gegebenenfalls zur Diagnose enthalten kann.
Gemäß Fig. 2 enthält die dort nur teilweise dargestellte Diagnoseeinrichtung 19 einen AblaufSpeicher 23, in dem der pneu-
matische Luftverbrauch während der Durchführung des Ablauf- Programms der pneumatischen Anlage in Form einer Referenz- luftverbrauchskurve gespeichert ist . Diese Referenzkurve kann, wie bereits dargelgt, beispielsweise durch Addition oder Integration von Referenzdurchflusswerten während des Ablaufprogramms gebildet sein. Sie kann beispielsweise in einem Lernmodus gespeichert werden. In einer nachgeschalteten Subtrahierstufe 24, der auch die Sensorsignale des Durchflussmessers 17 zugeführt werden, wird ein Differenz-Kurvenverlauf ΔL als Differenz der aus den Messwerten gebildeten Luftverbrauchskurve L und der Referenzskurve Lref gebildet. Auf dem Display 22 kann dann der Differenz-Kurvenverlauf ΔL sowie die Luftverbrauchskurve L und die Referenzluftverbrauchskurve Lref wiedergegeben werden, wie dies in Verbindung mit den Fig. 4 bis 6 noch näher erläutert wird.
Fig. 3 stellt eine erweiterte Version des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 dar. Neben den Subsystemen 10-14 versorgt die Druckquelle 15 hier weitere Subsysteme 25-32. Die zusätz- liehen Subsysteme 25-32 sind in zwei Gruppen eingeteilt, die jeweils über einen eigenen Durchflussmesser 33, 34 mit Druckluft versorgt werden. Mittels der drei Durchflussmesser 17, 33, 34 können somit die drei Teilbereiche der Anlage unabhängig voneinander diagnostiziert werden. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 18, die Diagnoseeinrichtung 19 und entsprechende Temperatursensoren und Drucksensoren sind zur Vereinfachung nicht dargestellt, sind jedoch selbstverständlich ebenfalls entsprechend Fig. 1 vorgesehen. Dabei kann eine gemeinsame Steuerungsvorrichtung und eine gemeinsame Diagnose- einrichtung 19 als zwei separate Einheiten oder als einzige integrierte Einheit vorgesehen sein.
Das Verfahren zur Fehlereingrenzung und Diagnose wird nun im Folgenden anhand der beschriebenen pneumatischen Anlage erläutert .
In Fig. 4 ist der Fall dargestellt, dass bis zum Zeitpunkt tl die Referenzluftverbrauchskurve Lref mit der gemessenen Luft- verbrauchskurve L übereinstimmt, das heißt, die Differenz bzw. der Differenz-Kurvenverlauf bleibt auf dem Nullwert. Zum Zeitpunkt tl tritt ein Fehler auf, zum Beispiel durch die verzögerte Bewegung des Aktuators in einem der Subsysteme 10- 14, was beispielsweise durch ein kurzzeitiges Klemmen einer Achse hervorgerufen sein könnte. Hierdurch verschiebt und verlängert sich der gesamte Zyklus um die Zeit ?t der verzögerten Bewegung, wobei der Luftverbrauch am Ende des Zyklus mit dem der Referenzluftverbrauchskurve Lref übereinstimmt. Dies deutet darauf hin, dass im Übrigen keine Leckage aufgetreten ist. Aus dem Differenz-Kurvenverlauf kann exakt der Zeitpunkt tl detektiert werden, ab dem die Abweichung aufgetreten ist. Der Diagnoseeinrichtung 19 ist gemäß Fig. 1 sei- tens der elektronischen Steuerungsvorrichtung 18 das Ablaufprogramm zugeführt . Aus diesem kann entnommen werden, welcher Aktor oder welches Subsystem zum Zeitpunkt tl aktiv war. Der Fehler kann somit auf diesen Aktor bzw. dieses Subsysteme eingegrenzt werden. Die Zuordnung der jeweils aktiven Subsy- steme gemäß dem Ablaufprogramm zur Luftverbrauchskurve bzw. zur Referenzluftverbrauchskurve kann grafisch auf dem Display 22 erfolgen oder durch ein Vergleichsprogramm in der Diagnoseeinrichtung 19 ermittelt werden. Das zum Zeitpunkt der Abweichung aktive Subsystem kann dann ebenfalls grafisch ange- zeigt werden.
In Fig. 5 ist der Fall dargestellt, dass während des gesamten AblaufProgramms, also während des gesamten Zyklus der Anlage, die Differenz ΔL bis auf einen kleinen Bereich zwischen t2
und t3 ständig zunimmt, sodass am Ende des Zyklus der Gesamt- luftverbrauch L deutlich größer als der Referenzluftverbrauch Lref ist. Der Kurvenverlauf stellt den Fall einer Leckage an einem Aktuator eines Subsystems dar. Dieser ist während des Zyklus teils mit Druck beaufschlagt und teils drucklos. Im drucklosen Zustand ergibt sich konsequenterweise eine Luft- verbrauchsdifferenz von 0 bzw. eine während dieses Zeitintervalls nicht mehr ansteigende Luftverbrauchsdifferenz. Durch Vergleich mit dem Ablaufprogramm wird nun festgestellt, wel- eher Aktuator während dieses Zeitintervalls drucklos und während der übrigen Zeit druckbeaufschlagt war. Die Leckage kann somit auf diesen Aktuator eingegrenzt werden.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Diagramm tritt in einem Zei- tintervall ab dem Zeitpunkt t4 eine Luftverbrauchsdifferenz zur Referenzluftverbrauchskurve Lref auf und nochmals in einem Zeitintervall ab dem Zeitpunkt t5. Auch hier muss wiederum durch Vergleich mit dem Ablaufprogramm festgestellt werden, welcher Aktor oder welches Subsystem in diesen beiden Zeitin- tervallen ab dem Zeitpunkt t4 und t5 aktiv waren. Diese werden dadurch als fehlerhaft erkannt, wobei es sich auch um denselben Aktor bzw. dasselbe Subsystem handeln kann, die während des AblaufProgramms zweimal in Aktion treten. Nach der ersten Abweichung ab dem Zeitpunkt t4 wird ein neuer Re- ferenzwert für den Luftverbrauch gebildet, der sich aus dem alten Referenzwert (0) und dem neuen Offset im Luftverbrauch ergibt . Im folgenden Zyklus wird der gemessene Luftverbrauch mit dem neuen Referenzwert auf Abweichungen geprüft. Somit ist bei einem erneuten Fehler des gleichen Subsystems oder eines anderen Subsystems der Fehler wieder bestimmbar. Die Schranken für eine zulässige Luftverbrauchsänderung können fest gewählt oder entsprechend den aktuellen Werten des Luft- verbrauchs variabel gehalten werden. So ist es einerseits möglich, im Bereich eines kleinen Luftverbrauchs zum Zyklus-
beginn sehr enge Schranken zu wählen, um eine sehr hohe Empfindlichkeit zu bekommen, und andererseits im Bereich eines hohen LuftVerbrauchs am Ende des Zyklus grobe Schranken zu wählen, um robust gegen Fluktuation und Messfehler zu sein.
Um Abweichungen von der Referenzluftverbrauchskurve Lref aufgrund von Temperatureinflüssen und Druckeinflüssen zu vermeiden, werden die Durchflussmesswerte bzw. Luftverbrauchswerte einer Temperaturkorrektur und einer Druckkorrektur unterwor- fen, wobei die entsprechenden Messgrößen vom Temperatursensor 20 und dem Drucksensor 21 zur Verfügung gestellt werden. In einer einfacheren Ausführung kann auch nur eine Temperaturkompensation oder nur eine Druckkompensation vorgesehen sein, oder es wird auf jegliche Kompensation verzichtet, insbeson- dere auch dann, wenn die zu erwartenden Druck- und Temperatureinflüsse nicht sehr groß sind.
Da zum erfindungsgemäßen Verfahren in Bezug auf die Hardware lediglich ein zusätzlicher Durchflussmesser erforderlich ist, können auch bereits installierte Anlagen in einfacher Weise nachgerüstet werden. Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren kann dann durch eine Software-Ergänzung realisiert werden.