WO2009021531A1 - Diagnoseeinrichtung zur überwachung der bewegung eines aktorglieds - Google Patents

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    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B19/00—Testing; Calibrating; Fault detection or monitoring; Simulation or modelling of fluid-pressure systems or apparatus not otherwise provided for
    • F15B19/005—Fault detection or monitoring

Definitions

  • the invention relates to a diagnostic device for monitoring the movement of an actuator member by two magnetic field-sensitive sensors.
  • DE 4432827 C2 likewise discloses two magnetic-field-sensitive sensors along the path of movement of a body provided with a permanent magnet, these two sensors however being arranged transversely to the movement path and serving for detecting different position states and positions of the movable body.
  • An object of the present invention is to provide a simple and inexpensive diagnostic device for a movable actuator member, are recognizable by the changes in the movement over longer periods of time. This object is achieved by a diagnostic device with the features of claim 1.
  • the diagnostic device measures the time interval which the actuator member requires to pass the two sensors and compares it with a stored setpoint value. As a result, changes in the movement can be easily detected and changes over the lifetime of the monitored process. When renewing process components, a simple adjustment is achieved by adjusting until the stored setpoint time is reached again.
  • the positioning of the fixedly spaced sensors along the trajectory is straightforward, since it only depends on the fixed distance between the sensors, but not on the absolute position along the trajectory.
  • the time recording means, the memory device, the comparison means and the reporting device are expediently combined in whole or in part together with the sensors in a sensor module or form such.
  • the sensor module expediently has a microcontroller in which the corresponding functions are realized.
  • the sensor module is connected to an external evaluation and diagnostic device via lines or preferably wirelessly.
  • the sensor module has a corresponding wire loose transmitting device and the evaluation and diagnostic device according to a receiving device.
  • the time acquisition means, the memory device, the comparison means and the reporting device may also be arranged in whole or in part in the external evaluation and diagnostic device. Depending on which and how many of these components are arranged in the sensor module or in the evaluation and diagnostic device, the transmission of the resulting signals via lines or wireless takes place.
  • a learning device (teach
  • At least one of the sensors as a position detection sensor so that it can also perform the function of position detection in addition to the diagnostic function, for example one or both end position positions.
  • the signaling device is expediently designed as an optical signaling device, in particular as a light or display, and / or as an acoustic signaling device.
  • the diagnostic device is particularly suitable for monitoring an actuator element designed as a piston displaceable in a fluidic cylinder.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a sensor module having two magnetic-field-sensitive sensors on a fluidic cylinder which communicates wirelessly with a measurement and diagnostic device
  • Figure 2 is a block diagram for explaining the diagnosis.
  • a fluidic piston-cylinder arrangement 10 is shown schematically.
  • a displaceable in a fluidic cylinder 11 piston 12 moves along a linear movement path 13.
  • a sensor module 14 is mounted, the two in the direction of movement 13 from each other
  • magnetic field-sensitive sensors 20, 21 contains. These may be, for example, Hall sensors, MR sensors or coils. When passing through a permanent magnet 22 arranged on or in the piston 12, a corresponding sensor is provided in the sensors 20, 21.
  • the sensor signals are fed to a transmitting device 23 in the sensor module 19 and wirelessly to an external evaluation and Diagnostic device 24 transmitted, which has a corresponding receiving device 25.
  • the signals of the two sensors 20, 21 are supplied to a time detection device 26, in which the difference time t between the occurrence of the two sensor signals is determined. This corresponds to the transit time of the actuator member from one sensor 20 to the other sensor 21.
  • a target run time is stored in an electronic memory device 27.
  • This setpoint time is compared in a comparison device 28 with the currently measured transit time. If a predetermined deviation between the setpoint runtime and the current runtime is exceeded, then a downstream threshold stage 29 generates a corresponding message signal.
  • the predetermined deviation can also be designed to be adjustable, whereby the threshold value stage 29 can also be integrated in the comparison device 28.
  • the message of exceeding the maximum permissible deviation takes place according to the exemplary embodiment by an optical signaling device 30, which may be, for example, a luminaire, such as a light-emitting diode or a display. Alternatively or additionally, an acoustic signaling device may also be provided. Furthermore, the message signal can be supplied via a line 31 or wirelessly to an external center or monitoring device, which monitors, for example, other components.
  • an optical signaling device 30 may be, for example, a luminaire, such as a light-emitting diode or a display.
  • an acoustic signaling device may also be provided.
  • the message signal can be supplied via a line 31 or wirelessly to an external center or monitoring device, which monitors, for example, other components.
  • a learning or teaching device can for example be integrated in the time recording device 26 or be provided as a separate module. It serves to measure NEN runtime values to form the target runtime for storage in the storage device 27. For this purpose, for example, one of the first runtime signals is stored or an average value is formed over a multiplicity of measured transit time signals.
  • the checking of the transit time can be measured in each cycle during a direction of movement or during both directions of movement of the piston 12. A check in larger time or number cycle intervals is also possible. If a deviation is detected, this indicates a malfunction of the movement sequence, a defective component or age effects that can be detected by it.
  • the functions, components and assemblies explained in FIG. 2 may be contained either in the sensor module 14 or in the evaluation and diagnostic device 24 or distributed in both.
  • the signals transmitted via a line or wirelessly can therefore be correspondingly either sensor signals, runtime signals, comparison signals or message signals.
  • the respective components contained in the sensor module 14 and in the evaluation and diagnostic device 24 may be functionally integrated in a microcontroller, depending on the extent.
  • Information about the respective speed of the piston 12 can also be determined or calculated in a simple manner from the detected sensor signals or transit time signals. From this, information about the speed of the piston 12 overall can be obtained, in particular if another corresponding sensor module 32 or even further sensor modules are arranged along the movement path 13 in order to detect transit times or speeds at different points. At least one of the sensors 20, 21 of the sensor module 14 and / or at least one sensor of the sensor module 32 can additionally be used as position sensors for detecting piston positions, in particular end position positions. The corresponding additional position signals can also be fed to the evaluation and diagnostic device 24 or a corresponding control device by wire or wireless.
  • the runtime monitoring described can also be used for adjustment when renewing process components or after repairs.
  • the device only needs to be adjusted until the stored target runtime is available again.
  • the invention is of course not limited to the use of piston-cylinder assemblies, but can be used wherever an actuator member moves along a trajectory, for example in other linear drives or circular drives, valve members, lifting members or the like.

Abstract

Es wird eine Diagnoseeinrichtung zur Überwachung der Bewegung eines mit einem Permanentmagneten (22) versehenen, entlang einer Bewegungsbahn (13) bewegbaren Aktorglieds vorgeschlagen. Wenigstens zwei magnetfeldsensitive Sensoren (20, 21) sind entlang der Bewegungsbahn (13) in einem festen Abstand zueinander angeordnet. Zeiterfassungsmittel (26) dienen zur Erfassung der Laufzeit des Aktorglieds von einem Sensor (20) zum anderen (21). Vergleichsmittel (28) vergleichen die jeweils aktuell gemessene Laufzeit mit einer in einer Speichereinrichtung (27) gespeicherten Solllaufzeit. Eine Meldeeinrichtung (30) dient zur Meldung des Überschreitens einer vorgegebenen oder vorgebbaren Abweichung der aktuellen Laufzeit von der Solllaufzeit. Hierdurch können auf einfache Weise Prozessabläufe hinsichtlich möglicher Veränderungen und Defekte überwacht werden.

Description

Diagnoseeinrichtung zur Überwachung der Bewegung eines Aktorglieds
Die Erfindung betrifft eine Diagnoseeinrichtung zur Überwachung der Bewegung eines Aktorglieds durch zwei magnetfeldsensitive Sensoren.
Aus der EP 0726448 Bl ist eine Anordnung von drei magnetfeld- sensitiven Sensoren entlang der Bewegungsbahn des Kolbens eines fluidischen Zylinders bekannt, die untereinander einen festen Abstand aufweisen. Diese Sensoren bilden zusammen jedoch nur einen einzigen Positionssensor zur Erfassung einer Kolbenposition, wobei die beiden äußeren Sensoren zur Aus- blendung von Störsignalen dienen.
Aus der DE 4432827 C2 sind ebenfalls zwei magnetfeldsensitive Sensoren entlang der Bewegungsbahn eines mit einem Permanentmagneten versehenen Körpers bekannt, wobei diese beiden Sensoren jedoch quer zur Bewegungsbahn angeordnet sind und zur Erkennung verschiedener Positionszustände und Positionen des bewegbaren Körpers dienen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache und kostengünstige Diagnoseeinrichtung für ein bewegbares Aktorglied zu schaffen, durch die Veränderungen im Bewegungsablauf auch über längere Zeiträume erkennbar sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Diagnoseeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Diagnoseeinrichtung misst das Zeitintervall, das das Aktorglied zum Passieren der beiden Sensoren benötigt, und vergleicht es mit einem gespeicherten Sollwert. Hierdurch können Veränderungen des Bewegungsablaufs in einfacher Weise erkannt werden sowie Veränderungen über die Lebenszeit des überwachten Prozesses. Bei der Erneuerung von Prozesskomponenten ergibt sich eine einfache Justagemöglich- keit dadurch, dass so lange justiert wird, bis die gespeicherte Sollzeit wieder erreicht wird. Die Positionierung der in festem Abstand zueinander angeordneten Sensoren entlang der Bewegungsbahn ist unkompliziert, da es lediglich auf den fest eingestellten Abstand zwischen den Sensoren, nicht jedoch auf die absolute Position entlang der Bewegungsbahn ankommt .
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Diagnoseeinrichtung möglich.
Die Zeiterfassungsmittel, die Speichereinrichtung, die Vergleichsmittel und die Meldeeinrichtung sind zweckmäßigerweise ganz oder teilweise zusammen mit den Sensoren in einem Sensormodul zusammengefasst beziehungsweise bilden ein solches. Hierzu besitzt das Sensormodul zweckmäßigerweise einen Mikro- Controller, in dem die entsprechenden Funktionen realisiert sind.
Das Sensormodul ist mit einer externen Auswerte- und Diagnoseeinrichtung über Leitungen oder bevorzugt drahtlos verbunden. Hierzu besitzt das Sensormodul eine entsprechende draht- lose Sendeeinrichtung und die Auswerte- und Diagnoseeinrichtung entsprechend eine Empfangseinrichtung.
Die Zeiterfassungsraittel, die Speichereinrichtung, die Vergleichsmittel und die Meldeeinrichtung können auch ganz oder zum Teil in der externen Auswerte- und Diagnoseeinrichtung angeordnet sein. Je nachdem, welche und wie viele dieser Komponenten im Sensormodul oder in der Auswerte- und Diagnoseeinrichtung angeordnet sind, erfolgt die Übertragung der sich daraus ergebenden Signale über Leitungen oder drahtlos.
In vorteilhafter Weise ist eine Lerneinrichtung (Teach-
Funktion) zur Einspeicherung der Solllaufzeit in die Speichereinrichtung vorgesehen. Dieser Lernvorgang erfolgt zweckmäßigerweise während einer der ersten Zyklen, wobei mehrere Zyklen gemittelt werden können.
Es kann sich auch als zweckmäßig oder erforderlich erweisen, wenigstens zwei, jeweils zwei Sensoren aufweisende Sensormodule entlang der Bewegungsbahn anzuordnen. In Verbindung mit Mitteln zur Berechnung der Geschwindigkeit des Aktorglieds wenigstens entlang von Teilstrecken der Bewegungsbahn aus der gemessenen Laufzeit können solche Geschwindigkeitsprofile in einfacher Weise berechnet und überwacht werden.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenigstens einen der Sensoren zusätzlich als Positionserfassungssensor auszubilden, sodass dieser neben der Diagnosefunktion auch noch die Funktion der Positionserfassung ausüben kann, zum Beispiel eine oder beide Endlagenpositionen.
Die Meldeeinrichtung ist zweckmäßigerweise als optische Meldeeinrichtung, insbesondere als Leuchte oder Display, ausgebildet und/oder als akustische Meldeeinrichtung. Besonders eignet sich die Diagnoseeinrichtung zur Überwachung eines als in einem fluidischen Zylinder verschiebbaren Kolben ausgebildeten Aktorglieds.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 5 dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines zwei magnetfeldsensitive Sensoren aufweisenden Sensormoduls an einem fluidischen Zylinder, das drahtlos mit einer lo Auswerte- und Diagnoseeinrichtung kommuniziert, als
Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Figur 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Diagnose.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine fluidische Kolben- Zylinder-Anordnung 10 schematisch darge- i5 stellt. Ein in einem fluidischen Zylinder 11 verschiebbarer Kolben 12 bewegt sich entlang einer linearen Bewegungsbahn 13. Entlang der Bewegungsbahn 13 am Zylinder 11, beispielsweise in oder am Zylindergehäuse, ist ein Sensormodul 14 angebracht, das zwei in der Bewegungsrichtung 13 voneinander
20 in festem Abstand angeordnete magnetfeldsensitive Sensoren 20, 21 enthält. Hierbei kann es sich beispielsweise um Hall- Sensoren, MR- Sensoren oder Spulen handeln. Beim Passieren eines am oder im Kolben 12 angeordneten Permanentmagneten 22 wird in den Sensoren 20, 21 jeweils ein entsprechendes Sen-
25 sorsignal ausgelöst, wie dies bei den im eingangs angegebenen Stand der Technik beschriebenen Positionssensoren entsprechend der Fall ist.
Die Sensorsignale werden einer Sendeeinrichtung 23 im Sensormodul 19 zugeführt und drahtlos an eine externe Auswerte- und Diagnoseeinrichtung 24 übermittelt, die eine entsprechende Empfangseinrichtung 25 besitzt.
Die Diagnoseauswertung der Sensorsignale wird anhand des in Figur 2 dargestellten Blockschaltbilds erläutert.
Die Signale der beiden Sensoren 20, 21 werden einer Zeiterfassungseinrichtung 26 zugeführt, in der die Differenzzeit ?t zwischen dem Auftreten der beiden Sensorsignale bestimmt wird. Diese entspricht der Laufzeit des Aktorglieds von einem Sensor 20 zum anderen Sensor 21. In einer elektronischen Speichereinrichtung 27 ist eine Solllaufzeit gespeichert.
Diese Solllaufzeit wird in einer Vergleichseinrichtung 28 mit der jeweils aktuell gemessenen Laufzeit verglichen. Wird eine vorgegebene Abweichung zwischen Solllaufzeit und aktueller Laufzeit überschritten, so erzeugt eine nachgeschaltete Schwellwertstufe 29 ein entsprechendes Meldesignal. Die vorgegebene Abweichung kann selbstverständlich auch einstellbar ausgebildet sein, wobei die Schwellwertstufe 29 auch in der Vergleichseinrichtung 28 integriert sein kann.
Die Meldung des Überschreitens der maximal zulässigen Abwei- chung erfolgt gemäß dem Ausführungsbeispiel durch eine optische Meldeeinrichtung 30, die beispielsweise eine Leuchte, wie eine Leuchtdiode oder ein Display, sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch noch eine akustische Meldeeinrichtung vorgesehen sein. Weiterhin kann das Meldesignal über eine Leitung 31 oder drahtlos einer externen Zentrale oder Überwachungseinrichtung zugeführt werden, die beispielsweise auch andere Komponenten überwacht .
Eine Lern- beziehungsweise Teach-Einrichtung kann beispielsweise in der Zeiterfassungseinrichtung 26 integriert oder als separates Modul vorgesehen sein. Sie dient dazu, aus gemesse- nen Laufzeitwerten die Solllaufzeit zur Einspeicherung in die Speichereinrichtung 27 zu bilden. Hierzu wird beispielsweise eines der ersten Laufzeitsignale eingespeichert oder es wird ein Mittelwert über eine Vielzahl von gemessenen Laufzeit- Signalen gebildet .
Die Überprüfung der Laufzeit kann in jedem Zyklus während einer Bewegungsrichtung oder während beider Bewegungsrichtungen des Kolbens 12 gemessen werden. Eine Überprüfung in größeren zeitlichen oder zahlenmäßigen Zyklusabständen ist ebenfalls möglich. Wird eine Abweichung festgestellt, so deutet dies auf eine Fehlfunktion des Bewegungsablaufs, auf eine defekte Komponente oder auf Alterseffekte hin, die dadurch erkannt werden können.
Die in Figur 2 erläuterten Funktionen, Bauteile und Baugrup- pen können entweder im Sensormodul 14 oder in der Auswerte- und Diagnoseeinrichtung 24 oder verteilt in beiden enthalten sein. Die über eine Leitung oder drahtlos übertragenen Signale können daher entsprechend entweder Sensorsignale, Laufzeitsignale, Vergleichssignale oder Meldesignale sein. Die jeweils im Sensormodul 14 und in der Auswerte- und Diagnoseeinrichtung 24 enthaltenen Komponenten können je nach Umfang in einem Mikrocontroller funktional integriert sein.
Aus den erfassten Sensorsignalen beziehungsweise Laufzeit - Signalen können in einfacher Weise auch Informationen über die jeweilige Geschwindigkeit des Kolbens 12 ermittelt beziehungsweise berechnet werden. Daraus lassen sich Informationen über die Geschwindigkeit des Kolbens 12 insgesamt gewinnen, insbesondere wenn noch ein weiteres entsprechendes Sensormodul 32 oder noch weitere Sensormodule entlang der Bewegungsbahn 13 angeordnet sind, um an verschiedenen Stellen Laufzeiten beziehungsweise Geschwindigkeiten zu erfassen. Wenigstens einer der Sensoren 20, 21 des Sensormoduls 14 und/oder wenigstens ein Sensor des Sensormoduls 32 können noch zusätzlich als Positionssensoren zur Erfassung von Kolbenpositionen, insbesondere von Endlagenpositionen, einge- setzt werden. Die entsprechenden zusätzlichen Positionssignale können ebenfalls drahtgebunden oder drahtlos der Auswerte- und Diagnoseeinrichtung 24 oder einer entsprechenden Steuereinrichtung zugeleitet werden.
Die beschriebene Laufzeitüberwachung kann auch zur Justierung bei Erneuerung von Prozesskomponenten oder nach Reparaturen eingesetzt werden. Die Einrichtung braucht dabei lediglich so justiert zu werden, bis wieder die gespeicherte Solllaufzeit vorliegt .
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Anwendung von Kolben- Zylinder-Anordnungen beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo sich ein Aktorglied entlang einer Bewegungsbahn bewegt, beispielsweise bei sonstigen Linearantrieben oder Zirkularantrieben, bei Ventilgliedern, bei Hubgliedern oder dergleichen.

Claims

Ansprüche
1. Diagnoseeinrichtung zur Überwachung der Bewegung eines mit einem Permanentmagneten (22) versehenen, entlang einer Bewegungsbahn (13) bewegbaren Aktorglieds (12) , mit wenigstens zwei entlang der Bewegungsbahn (13) in einem festen
5 Abstand zueinander angeordneten, magnetfeldsensitiven Sensoren (20, 21), mit Zeiterfassungsmitteln (26) zur Erfassung der Laufzeit des Aktorglieds (12) von einem Sensor (20) zum anderen (21), mit Vergleichsmitteln (28) zum Vergleich der jeweils aktuell gemessenen Laufzeit mit einer in einer Spei- lo chereinrichtung (27) gespeicherten Solllaufzeit und mit einer Meldeeinrichtung (30) zur Meldung des Überschreitens einer vorgebbaren oder vorgegebenen Abweichung der aktuellen Laufzeit von der Solllaufzeit.
2. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- i5 net, dass die Zeiterfassungsmittel (26) , die Speichereinrichtung (27) , die Vergleichsmittel (28) und die Meldeeinrichtung (30) ganz oder teilweise zusammen mit den Sensoren (20, 21) ein Sensormodul (14, 32) bilden.
3. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- 20 net, dass das Sensormodul (14, 32) mit einer externen Auswerte- und Diagnoseeinrichtung (24) über Leitungen oder drahtlos verbunden ist .
4. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (14, 32) einen Mikro- controller und/oder eine drahtlose Sendeeinrichtung (23) besitzt .
5 5. Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiterfassungsmittel (26) , die Speichereinrichtung (27) , die Vergleichsmittel (28) und die Meldeeinrichtung (30) wenigstens zum Teil eine separate, insbesondere externe Auswerte- und Diagnoseeinrichtung lo (24) bilden, die vorzugsweise eine Empfangseinrichtung (25) zum drahtlosen Signalempfang enthält.
6. Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lerneinrichtung (Teach-Einrichtung) zur Einspeicherung der Solllaufzeit in i5 die Speichereinrichtung (27) vorgesehen ist.
7. Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, jeweils zwei Sensoren (20, 21) aufweisende Sensormodule (14, 32) entlang der Bewegungsbahn (13) angeordnet sind.
2o 8. Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Sensoren (20, 21) zusätzlich als Positionserfassungssensor für das Aktorglied (12) ausgebildet ist.
9. Diagnoseeinrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, 5 dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Berechnung der Geschwindigkeit des Aktorglieds (12) wenigstens entlang von Teilstrecken der Bewegungsbahn (13) aus der gemessenen Laufzeit vorgesehen sind.
10. Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldeeinrichtung (30) als optische Meldeeinrichtung, insbesondere Leuchte oder
Display, und/oder als akustische Meldeeinrichtung ausgebildet ist .
11. Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorglied (12) ein in einem fluidischen Zylinder (11) verschiebbaren Kolben ist.
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