WO2022218828A1 - System zur zustandsüberwachung einer leitung in einer energieführungskette - Google Patents

System zur zustandsüberwachung einer leitung in einer energieführungskette Download PDF

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WO2022218828A1
WO2022218828A1 PCT/EP2022/059342 EP2022059342W WO2022218828A1 WO 2022218828 A1 WO2022218828 A1 WO 2022218828A1 EP 2022059342 W EP2022059342 W EP 2022059342W WO 2022218828 A1 WO2022218828 A1 WO 2022218828A1
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monitored
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line section
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Richard Habering
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Igus Gmbh
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    • H04B2203/5495—Systems for power line communications having measurements and testing channel

Definitions

  • Condition monitoring of an electrical line in particular a line that is routed through a dynamic line routing device, such as an energy transmission chain or the like, in order to supply a mobile consumer.
  • the invention relates in particular to the monitoring of moving lines.
  • a limited service life and possibly resulting failure of such a line is unavoidable due to the application-specific movement and can lead to critical situations and high costs.
  • the invention relates in particular to a system and method for line status monitoring during real-time operation of the line, comprising a monitoring device which has a first module and a second module, which are each provided on either side of a line section to be monitored, e.g. connected or coupled .
  • a monitoring device which has a first module and a second module, which are each provided on either side of a line section to be monitored, e.g. connected or coupled .
  • This is typically arranged in a movable line guide device for the protected routing of at least the monitored line, with the line guide device having at least one movable section between a first connection point and a second connection point that can move relative thereto, through which the line section to be monitored because it is stressed by movement is led.
  • Such a generic system was proposed, for example, in WO 2020/104491 A1 by the applicant group.
  • Two modules are provided at the end of the line section to be monitored. These modules each use properties of a protocol layer of a digital data transmission protocol in order to implement status monitoring.
  • a disadvantage here is that this principle can only be used to monitor lines that are intended for such a digital data protocol, e.g. ETHERNET, or are at least sufficiently suitable.
  • the actual data transmission may be influenced at least slightly by the system—because its protocol properties are to be used—by additional data that is transmitted solely for checking or monitoring the line status.
  • test method detects an inactive phase of the data transmission protocol, e.g. via a fieldbus line, in order to transmit a test signal during the inactive phase using a test device without interrupting the transmission protocol.
  • the reflection of the test signal along the transmission line is detected and evaluated.
  • a first object of the present invention is therefore one Propose a solution that allows status monitoring of an electrical line during operation, the solution should be able to be implemented with as little or no influence as possible on the intended operation and/or with comparatively little effort.
  • This task is solved independently of one another by a monitoring system according to claim 1, an adapter system according to claim 2 or the use or the method according to claim 15.
  • a generic monitoring system according to the preamble of claim 1, it is proposed to solve the problem that two modules are designed to work together in order to determine during operation at least one electrical transmission property of the line section to be monitored in relation to a predetermined high-frequency signal, in particular an HF Signal that is independent of the intended use of the line to be monitored or is not used as a useful signal as intended, and preferably selected for use with as few interference as possible is, among other things, with regard to possible interference.
  • a value relating to the transmission quality of the non-destination HF signal via the line section is determined and used for the evaluation.
  • the first monitoring module comprises an HF generator or an HF source, which is coupled to the line to be monitored in order to generate a predetermined HF signal as a separate signal, independent of the intended use, in Type of test signal applied to the line section to be tested, e.g. to be electrically applied or coupled into at least one conductor of the line (to be fed in, inserted, impressed or the like).
  • the second module has an HF receiver suitable for the HF signal or an HF signal sink, which is coupled to the line to be monitored in order to receive the HF signal from the line section, and that the module or the HF Receiver is set up to evaluate properties of the received HF signal in order to determine at least one value relating to the transmission quality over the line section, in particular with regard to the received signal strength or signal attenuation.
  • the second module is preferably set up to output this value to a higher-level unit via a further connection, in particular a wired or wireless connection.
  • the coupling to the line to be monitored can be conductive or non-conductive, e.g. capacitive and/or inductive. Depending on the application, it may be conductive for data lines, and preferably non-conductive for lines carrying supply voltage, e.g. for protective insulation purposes.
  • high frequency HF
  • HF high frequency
  • MF radio MF radio
  • VHF radio the frequency range from around 10 kHz to the THz range
  • high frequency is understood to mean in particular frequencies in the range from at least 1 MHz up to 10 GHz, in particular also typical radio frequencies.
  • license-free ISM bands Industrial, Scientific and Medical Band
  • ITU Radio Regulations Art. 5, ed. 2012
  • an adapter system for monitoring the condition of a line during operation is proposed, with two corresponding modules which can each be connected like an adapter to a first end or to a second end of a line section to be monitored. According to the invention, it is accordingly provided that
  • the modules are designed to work together in order to determine during operation at least one electrical HF (high frequency) transmission property of the line section in relation to a predetermined HF signal, which signal preferably is independent of the intended use of the line to be monitored, and
  • the first module comprises an HF generator which can be coupled to the line to be monitored in order to apply a predetermined HF signal as a test signal;
  • the second module has an HF receiver, which is coupled to the line to be monitored in order to receive the applied HF signal from the line section, and is set up to evaluate properties of the received HF signal in order to at least one the transmission quality over the
  • At least the second module can be set up to output this value to a higher-level unit via a further connection, in particular a wired connection.
  • the invention is initially based on the counterintuitive approach of using the line for an improper HF signal, which in particular can have the form of a likewise counterintuitive radio signal that is intended for wireless transmission.
  • the invention can provide a radio signal, in particular a radio signal for wireless data communication, for testing a wired conductor. It can, for example, be a radio signal with a high-frequency carrier frequency on which information may be imprinted by modulation, but whose use is not important for the intended use of the line.
  • the invention is based on the finding that an unfavorable matching between the line and the HF signal is irrelevant if the HF signal is not intended to be used for its actual signal function, for example information transmission.
  • the absolute transmission quality of the test signal is not important for the invention.
  • Cable drag chains such as changes in cross-section caused by permanent bending cycles, kinks, broken strands or other imperfections.
  • the signal attenuation can be comparatively low, e.g. with idealized single-wire or two-wire cables.
  • Transmission quality of the test signal is monitored and used as an indicator of wear and tear-related degradation of the line.
  • the predetermined HF signal which is used for monitoring, is a radio data transmission signal.
  • the HF units can each be designed as components of a respective radio transceiver.
  • a respective radio transceiver e.g. commercially available, inexpensive radio transceivers can be used.
  • the HF units can preferably be present as components of radio ICs, which are identical in both modules, which, among other things, standardizes the design and reduces costs.
  • both the HF generator and the HF receiver are designed as components of radio ICs for data transmission according to a commercially available wireless protocol or wireless standard, which already inherently has a function for estimating the received implement signal strength.
  • func-ICs are eg ICs or chipsets for WLAN, LoRa-WAN, LTE or similar protocols/standards for wireless data transmission.
  • the actual function for data transmission does not have to or should be used, but primarily an integrated function for determining the signal quality, in particular for estimating the relative quality of the HF signal or radio signal received via the monitored section.
  • WLAN/WiFi in the 2.4 GHz frequency band (IEEE 802.11b/g/n) or 5 GHz frequency band (IEEE 802.11a/h and IEEE 802.11h), provides for an RSSI measurement or an RCPI measurement.
  • the RSSI shows the power level being received.
  • LoRa-WAN e.g. with a frequency band from approx. 433 to 435 MHz (ISM band region 1) and from 863 to 870 MHz (SRD band) in Europe or frequency band 902 to 928 (basic frequency 915 MHz) in North America RSSI measurement or the like is typically already provided as a supplied function of commercially available LoRa ICs.
  • Other comparable approaches for estimating the received signal strength or the signal attenuation via the monitored line are also within the scope of the invention.
  • a protocol or standard-inherent implemented function of a commercially available radio IC is preferably used for data transmission according to a commercially available wireless protocol or wireless standard.
  • this avoids the costs of complex measurement technology, as is usual with common TDR approaches.
  • the HF signal used preferably has a frequency spectrum that is as independent as possible of the intended use of the actual application of the line to be monitored, in particular in a significantly higher frequency band, e.g. in particular in a frequency band around a fundamental frequency f in the range from 1 MHz to 10 GHz , especially in the range 100 MHz ⁇ f ⁇ 7 GHz.
  • a carrier frequency for a protocol or standard-inherent modulation can also/alternatively be in this range.
  • the selection should be made in such a way that the HF signal generates as little interference as possible with the useful signal of the line.
  • At least the second module is set up, in particular the HF receiver or the radio IC(s) is/are preconfigured, for an HF attenuation measurement of the received HF signal, in particular for an RSSI measurement .
  • these can be coupled or can be coupled to the line section to be monitored by means of an intended antenna connection, for which purpose a suitable coupling unit or coupling circuit is provided if necessary.
  • both modules include one
  • Coupling circuit for galvanic coupling of the HF generator or HF receiver with the line section to be monitored can advantageously include further functional units, in particular:
  • a first filter element in particular with a filter characteristic matched to the HF signal
  • - comprises a switching element for selectable coupling to different conductors of a multi-conductor line
  • Monitoring using the modules is preferably carried out continuously during nominal operation, if necessary, for example, at specific times at predetermined regular or irregular times.
  • the module serving as receiver can transmit the specific value, for example an RSSI value, possibly after conversion into a digital value, to a separate evaluation unit in any suitable format.
  • the system has a separate evaluation unit, which determines information on the state of the line to be monitored based on the value relating to the transmission quality and, for this purpose, compares the value with pre-stored information, for example.
  • the second module can be or can be connected to a higher-level unit or the evaluation unit via a further connection, in particular a wired or also wireless connection.
  • the evaluation unit can in particular compare the transmission quality value, eg RSSI value, with a pre-stored tolerance range.
  • the tolerance range is typically application-dependent, for example dependent on the cable type, cable length, connectors used and other parameters.
  • the tolerance range can be defined during start-up by an initialization and/or over an operating period that is initially considered error-free and stored, for example, in the evaluation unit. If, purely as an example, the RSSI value would fluctuate between -52dBm and -56dBm (decibel milliwatts) after a few movement strokes of an energy chain, a value of +/-2dBm around these values, ie from -50dBm to - 58dBm can be considered acceptable as nominal.
  • Any deviation from a predetermined tolerance range can be evaluated as a potential bad case.
  • the decision on a bad case should trigger a reaction, if necessary with decision tolerance, eg via an integral over a running time window.
  • the response can be, for example, a maintenance message for predictive maintenance or a control signal to trigger a system stop for safety purposes.
  • Monitoring for example an RSSI value or similar value that provides information about the received signal strength or signal attenuation, and comparing it with a pre-stored tolerance range is currently regarded as a preferred approach.
  • the pre-stored tolerance range can, for example, be programmed or parameterized from empirical values or learned through an initialization process to suit the application, although other approaches are also possible.
  • the proposed modules can have sockets that are selected to suit a detachable plug connection. Since one of the two modules is arranged in particular on the mobile consumer, outside the energy transmission chain or dynamic cable routing, the proposed system can inherently detect the frequently occurring case of a fault in the plug on the mobile connection. Due to the movement stress, errors regularly occur in practice, which are not caused by wear and tear in the actual cable, but by mechanical stress, such as tensile force on one of the wires, which causes the plug to fail on the moving connection. In this case, too, a deterioration in the transmission can also be inherently detected.
  • the invention also relates to a method or the use of a system for monitoring the condition of a line during operation (on-line) with the method features according to independent claim 15.
  • WO 2016/042134 A1 discloses flexible line routing for clean room applications to which the invention can also be applied.
  • the proposed solution is suitable for condition monitoring different lines, along with data lines, e.g.
  • Bus lines also for power supply lines, during operation.
  • the line can in particular be routed in a dynamic line routing.
  • the principle can be applied to a wide variety of data lines, e.g. ETHERNET (IEEE 802.3), PROFIBUS or other industrial field bus types such as the CAN bus, EIA-485 or the like or others
  • Control lines e.g. However, unlike in WO 2020/104491 A1, the proposed principle can also be applied without further ado to supply lines purely for power supply.
  • the proposed solution allows foresighted or preventive maintenance to avoid breakdowns.
  • FIG. l a principle sketch in side view of a
  • FIG. 2 a basic diagram of a module for applying an HF signal to a line
  • FIG. 3A a basic diagram of an exemplary embodiment of a module according to the invention for a monitoring system, in particular according to FIG.
  • FIG. 3B a basic diagram of a system with two modules according to the principle from FIG. 3A, for a monitoring system, in particular according to FIG. 1;
  • FIG. 4 as an application example, a side view of an industrial robot with a spatially deflectable energy transmission chain, which can be equipped with a monitoring system according to FIG. and
  • FIG. 5 a principle sketch in side view of a
  • a diagrammatically shown energy transmission chain is denoted generally by 1 as an example of a dynamic cable routing device.
  • the energy guiding chain 1 is used for the protected guidance of electrical lines (not shown in detail) to a mobile consumer.
  • a traveling deflection bend 4 with a predetermined curvature.
  • the deflection bend 4 has a predetermined minimum radius of curvature to avoid line breaks.
  • the energy guiding chain 1 thus ensures that the permissible radii of curvature of the guided lines are not fallen short of.
  • the energy guiding chain 1 typically forms an inner guiding channel in which an application-dependent number and type of lines are guided.
  • the design of the energy transmission chain 1 is not decisive for the invention, e.g. all known dynamic cable routings can be considered, possibly also those without individual chain links, e.g. band-like cable packages or cable packages guided in a flexible hose.
  • FIG.l shows, purely by way of example, a typical arrangement with linear and in one plane, e.g. horizontally, movable
  • FIG. 1 schematically shows a monitoring device, which is generally designated 10, as one aspect of the invention.
  • the monitoring device 10 comprises a first module 200A and a second module 200B, which according to the invention comprise RF (radio frequency) units, as will now be described in more detail.
  • the modules 200A, 200 work together to transmit at least one electrical HF (high frequency) transmission property of a line section 130 (FIG. 3B) guided in the energy guiding chain 1 during operation of the line 13 or the machine or system supplied with it to determine a predetermined HF signal, which is coupled as a test signal to the line section 130 specifically for this purpose.
  • a line section 130 (FIG. 3B) guided in the energy guiding chain 1 during operation of the line 13 or the machine or system supplied with it to determine a predetermined HF signal, which is coupled as a test signal to the line section 130 specifically for this purpose.
  • FIG.2 shows very schematically the first module 200A, with an HF generator (RF, radio frequency), which applies a predetermined HF signal 20, shown schematically in FIG.2 with dots, here to a monitored single wire 13A or (in)couples.
  • the signal 13A is independent of the signals 23 used in the intended use of the line 13, shown schematically in dot-dash lines on the single core 13A, and preferably generates minimal or no significant interference therewith.
  • the actual operating signal 23 can, for example, be an ETHERNET signal, a signal to any industrial bus, or a signal from a non-packet-based bus system, or any digital or analog control line or measuring line, e.g. for an actuator (drive, motor, or etc.) or any sensor, e.g. a rotary encoder.
  • the invention can also be applied to power supply lines.
  • the first module 200A has an HF generator 210, which is coupled to the line 13 to be monitored, here, for example, a single wire 13A, in order to additionally generate the predetermined HF signal as a type of test signal apply the single wire 13A.
  • any suitable conductive or Contactless coupling, in particular inductive coupling can be considered, particularly in the case of live supply lines.
  • the second module 200B is connected to the other end of the line section 130 to be monitored, e.g. by a plug-socket connection.
  • the modules can be implemented as adapters, with input and output sockets suitable for the line being monitored, e.g. RJ-45 sockets for a CAT7 ETHERNET line, or other suitable sockets.
  • 3B schematically illustrates several individual wires 13A, 13B, etc., which are present here as four pairs of twisted-pair lines, but are application-specific, i.e. depend on the line 13 to be monitored.
  • the second module 200B has an HF receiver, e.g. in the form of an HF transceiver 210 (cf. FIG. 3A), which is coupled to the line to be monitored and picks up or transmits the test signal or HF signal 20 from the line section 130. receives.
  • the second module 200B is in particular set up or configured to determine a value which represents the received quality of the test signal, in particular the signal strength or the signal attenuation of the received HF signal 20 at the movable connection of the line 13 with the module 200 .
  • the HF transceiver 210 in the second module 200B is set up to evaluate properties of the received HF signal and thus to generate an indicative value for the signal strength or the signal attenuation for the transmission quality via the line section 130.
  • the second module 200B is preferably set up to output at least this value to a higher-level monitoring unit 100, e.g. to a module das is available under the trade name "i.Cee:plus” or “iCom” from igus GmbH, 51147 Cologne.
  • the monitoring unit 100 can be set up for communication with the system technology in the desired application, or with a cloud solution.
  • short radio IC 210 (English technical jargon "radio" is used, which acts both as a transmitter (Tx) or HF generator and as a receiver (Rx) can thus be used.
  • a radio IC 210 for a commercially available radio standard in the ISM band e.g. LoRa-WAN (Long Range Wide Area Network: see https://lora-alliance.org/) with RSSI measurement or similar is preferably used.
  • the receiver-side radio IC 210 in the second module 200B is inherently and at low cost suitable for providing the desired value of the received signal strength or signal attenuation, in particular as a digital output value according to the manufacturer's specification of the radio IC 210.
  • the HF receiver can use the Value in any format, e.g. also output as an analog voltage at a connection.
  • the RSSI is derived in the intermediate frequency (IF) stage before the IF amplifier.
  • the RSSI output can then be provided by the IC as an analog DC level and converted into a digital value externally, for example.
  • Any comparable analogue value which a suitable radio IC 210 supplies as the result of an integrated reception field strength measurement can, for example, be scaled and converted depending on the device as an RSSI value or as a dimensionless power level in the unit dBm or in ASU (Arbitrary Strength Unit) or the like. Expressed and used.
  • Such an analog value from the IF stage in the radio IC 210 can also be sampled by an internal analog-to-digital converter (ADC) in the radio IC 210, which results in values digitally via an interface, eg a peripheral processor bus provides. It does not depend on the specific type of provision and the value.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the invention can advantageously use any suitable type of sufficiently deterministic determination, estimation or measurement, in particular with regard to the quality of the received test signal, e.g. the signal strength or signal attenuation or reception field strength.
  • the value is in a range from ⁇ 0 dBm (ideal value for lossless transmission) to -100 dBm ([virtually] no signal reception) on a logarithmic scale.
  • Other radio standards also offer such functions, e.g. LTE.
  • FIG. 3A illustrates a hardware implementation which can be used both as a first module 200A on the transmitter side and as a second module 200B on the receiver side.
  • the modules 200A and 200B are designed with the same hardware, but may have different software configurations and programming, in particular as a transmitter (Tx) and as a receiver (Rx) with an evaluation function or the quality of the received signal.
  • Tx transmitter
  • Rx receiver
  • the radio IC 210 used e.g. a LoRa WAN IC
  • the radio IC 210 used is coupled to the line section 130 to be monitored by means of its antenna connection 212.
  • a coupling circuit 220 is provided in the module 200A, 200B for coupling, here e.g. for galvanic coupling of the antenna connection 212 with the line section 130 to be monitored, in particular with one or optionally one of several individual wires 13A, 13B etc.
  • a first filter or first filter element can be provided in the coupling circuit 220 , in particular with a filter characteristic matched to the HF signal 20 , so that the smallest possible or no proportion of the intended signals 23 reach the antenna connection 212 .
  • the filter element can, for example, as be set to the radio frequency band of the HF signal 20 with a steep-edged n-filter or bandpass filter and preferably be implemented using analog technology with discrete components.
  • the coupling circuit 220 can optionally have a switching unit or a switching element for selectable or adjustable coupling to different conductors or wires 13A, 13B etc. (cf. FIG. 3B) of the line section 130, particularly if the functionality of all lines has to be monitored. If necessary, at least one impedance matching element can also be provided for at least improved matching between wires 13A, 13B, etc. and antenna connection 212.
  • a suitable decoupling filter circuit is generally preferred, which suppresses all parasitic, in particular line-bound, or undesired propagation paths of the test signal or HF signal 20 and the test signal on the monitored line section 130 limited.
  • FIG.3A shows a circuit component
  • This circuit component 230 preferably includes a filter element 232, which essentially limits the transmission of the HF signal to one of the two connections 201, 202 for the line 13 to the line section 130 to be monitored.
  • the filter element 232 can be designed, for example, as a bandstop or bandstop filter which, if possible, does not allow the frequency band of the pseudo radio signal or test signal 20 to pass into the parts 15, 16 of the customer system.
  • the module preferably has the most comprehensive shielding implemented in or with the housing 204 to reduce radio emissions by the radio IC 210 as completely as possible, so that an unwanted air connection between the modules 200A, 200B is ruled out as far as possible.
  • the shielding of Housing 204 also prevents, for example, external radio signals from interfering and temporarily or permanently falsifying the diagnostic results.
  • the module can also have a control unit, in particular a programmable integrated circuit such as a microprocessor 240 or the like, for controlling and/or signal evaluation or further processing of the values from the radio IC 210 .
  • a control unit in particular a programmable integrated circuit such as a microprocessor 240 or the like, for controlling and/or signal evaluation or further processing of the values from the radio IC 210 .
  • This can be connected to the evaluation unit 100 via a further suitable connection 203 for the purpose of data connection, e.g. via a USB connection for controlling the HF generator or HF receiver in the radio IC 210.
  • Via microprocessor 240 and connection 203 for example, an optional setting to transmitter behavior for use as the first module 200A or receiver behavior and evaluation for use as a second module 200B can also take place.
  • the module 200A/200B shown can be used either as a transmitter or receiver, for which purpose only the reverse use of the connections (exchange of system side/energy chain side) and corresponding programming is
  • the power supply (not shown) can either be via the monitored line 13 or via the USB port 203, for example, depending on whether the module is used as a transmitter module 200A or receiver module 200B, since the receiver module 200B is preferably connected via connected to the connection 203 to the higher-level separate evaluation unit 100, and e.g. can be mounted with this in a control cabinet.
  • the evaluation unit 100 continuously receives the current value relating to the transmission quality, e pre-stored reference information, preferably with a tolerance range, and/or forwards this value to a further higher-level computer control, which evaluates the values and can intervene in the system if necessary, for example triggering an emergency stop.
  • the evaluation unit 100 or another unit that is preferably separate from the compact, inexpensive modules 200A, 200B determines status information on the status of the line to be monitored on the basis of the value obtained relating to the reception quality on module 200B, which is meaningful about unwanted physical changes in the monitored line section 130 and, if applicable, its plug-in connections with connections 201 and 202.
  • the evaluation unit 100 itself evaluates RSSI values by comparing them with a previously stored tolerance range. If the value falls below or is exceeded, the evaluation unit 100 sends a warning or error message to a higher-level monitor, preferably via a separate channel. This enables predictive maintenance, since a deterioration in the reception quality at the receiver module 200B usually occurs before the line 13 fails completely.
  • FIG. 4 shows an articulated arm robot 40 as an exemplary application for a monitoring device 10, e.g. for the fully automatic handling of workpieces in a
  • WO 2004/093279 A1 continues to the end effector 42 or end-side robot tool.
  • a number of actuators and sensors are typically provided on the end effector 42, which are already suitable for a common fieldbus protocol or, for example, the PROFINET protocol.
  • actuators and sensors can also be supplied via a line 13, which is guided in the second energy guiding chain 41 with a section 130 (FIG. 3B). So one can
  • Monitoring device 10 at least one or possibly all data and / or signal lines through the energy chains 1, 41, in particular through the
  • Energy guiding chain 41 are guided to monitor their wear condition.
  • An existing control unit or monitoring unit can also be used as the evaluation unit 100 .
  • the relevant quality value of the test signal can be transmitted back to the transmitter module 200A by the receiver module 200B in a transmission mode.
  • the receiver module 200B can also be arranged on the moving machine or system part and, if necessary, continuously transmit RSSI values back to the transmitter module 200A via the test signal 20, which then in turn the evaluation unit 100 is connected.
  • the proposed line condition monitoring system thus offers a low cost solution to support predictive maintenance and/or to reduce or avoid downtime.
  • the invention makes it possible, among other things, to make maximum use of vulnerable and possibly also expensive data lines, special lines or the like with regard to their possible service life, i.e. to avoid an unnecessarily early replacement.
  • the solution is also applicable to power supply lines.
  • FIG.5 shows a preferred exemplary embodiment with two modules 500A, 500B for inductive coupling and decoupling of the test signal
  • an induction coil 520 is wound around a respective end area of the line section 130 in each module 500A, 500B and inductively couples the desired test signal 20 in and out.
  • Each module 500A, 500B has two conjugated or matching half-shells 504A, 504B, which provide the most comprehensive shielding possible to reduce radio emissions via an unwanted air link or radio link between the modules 500A, 500B. This also prevents eg external radio signals disturb.
  • a circuit is provided in a design corresponding to FIG. 3A, for coupling or decoupling the test signal 20.
  • the circuit (not shown in detail) also has a suitable radio IC 210 (cf. FIG. 3A), to whose frequency band, for example, the length of the induction coil 520 is adjusted.
  • the induction coil 520 is conductively connected to the radio IC 210 .
  • FIG. 5 in FIG. 5 the coupling and decoupling of the test signal 20 into the line 13 takes place purely inductively, i.e. without changing the line 13 to be tested.
  • the two half-shells 504A, 504B also have shaped grooves in order to ensure a predetermined winding geometry, in particular a constant winding pitch length and the same radial spacing of the induction coil 520 from the line 13 .
  • the test signal 20 is also preferably coupled in and out by means of identically constructed units or modules 500A, 500B.
  • An inductive coupling to the line section 130 can be realized in any suitable design. As an alternative to the design shown in FIG. 5, this can also be implemented, for example, in the form of a current transformer or single-winding transformer.
  • this can also be implemented, for example, in the form of a current transformer or single-winding transformer.
  • a magnetisable ring core e.g. ferrite core consisting of two core parts, e.g. ring halves
  • the induction coil 520 can interact with the ring core in the manner of an inductive current transformer or push-through transformer as a secondary coil, with the line section 130 representing the (single) primary winding in the ideal circuit diagram.
  • a transmission of the test signal between the induction coils 520 can also be achieved in this way, which enables the state of the line section 130 to be monitored.
  • An inductive coupling for example according to FIG.5, is to be preferred in principle.
  • a major advantage of the inductive coupling is that the modules 500A, 500B without any change or without
  • Intervention can be attached to the line to be monitored, by simply wrapping or surrounding at the desired points on both sides of the energy guiding chain 1.
  • the inductive coupling for example according to FIG.
  • the invention allows an inexpensive solution without complex technology, which can be used during operation without interfering with the intended use of the line 13, e.g. transmitted data.
  • the test signal 20 can possibly only be used to check its transmission quality, i.e. in particular it does not have to be used for the actual message or information transmission.
  • signals of the monitored line 13 intended for the actual application are not used for monitoring purposes. Furthermore, an ongoing, possibly continuous, check/monitoring of the line status is made possible with comparatively low power.
  • Various metrics can be used to check the reception quality in the receiver module, provided they are meaningful for the current status of the line section.
  • the system and method according to the invention determines the data transmission properties of the lines during operation using HF technology. This means that there is no longer a need for additional conductors or measuring wires or sacrificial wires.
  • the modules 200A, 200B or 500A, 500B form passage adapters at the beginning and end of the area to be monitored, in particular through the line routing device 1, 42.
  • a compact design of the modules 200A, 200B or 500A, 500B enables easy subsequent installation.
  • the recorded values are then further processed during operation. If the transmission properties begin to deteriorate, this can be used as an immediate indicator for a timely replacement of the cable. Plant downtimes can also occur this intelligent condition monitoring of the entire moving cable including the connector can be prevented.
  • FIG.1 A first figure.
  • FIG.2 and FIG.3A-3B are identical to FIG.2 and FIG.3A-3B.
  • 13A, 13B single wires (e.g. twisted pair)
  • 201, 202, 203 connectors (sockets, e.g. RJ-45).
  • radio IC e.g. LoRaWAN
  • antenna connector 220 coupling circuit 230 pass circuit 232 filter 240 control unit (microprocessor)

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem umfassend eine Leitungsführungseinrichtung (1; 41) mit einem beweglichen Abschnitt und mindestens eine mit einem zu überwachenden Leitungsabschnitt (130) durch die Leitungsführungseinrichtung (1; 41) geführte Leitung (13), und eine Überwachungsvorrichtung (10), mit einem ersten (200A) und einem zweiten Modul (200B), welche jeweils beiderseits des zu überwachenden Leitungsabschnitts vorgesehen sind. Erfindungsgemäß sind die Module (200A, 200B) zusammenwirkend ausgeführt, um im laufenden Betrieb eine elektrische Übertragungseigenschaft des Leitungsabschnitts (13A; 13B) in Bezug auf ein vorbestimmtes Hochfrequenz (HF)-Signal zu ermitteln. Das erste Modul (200A) umfasst einen mit der zu überwachenden Leitung (13) gekoppelten HF-Generator, um ein vorbestimmtes HF-Signal als Prüfsignal auf den Leitungsabschnitt (130) zu koppeln. Das zweite Modul (200B) weist einen HF-Empfänger auf, welcher mit der zu überwachenden Leitung gekoppelt ist, um vom Leitungsabschnitt (130) das HF-Signal auszukoppeln, und eingerichtet ist, Eigenschaften des empfangenen HF-Signals auszuwerten, um mindestens einen die Übertragungsqualität über den Leitungsabschnitt (130) betreffenden Wert zu ermitteln.

Description

System zur Zustandsüberwachung einer Leitung in einer
Energieführungskette
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der
Zustandsüberwachung einer elektrischen Leitung, insbesondere einer Leitung die durch eine dynamische Leitungsführungseinrichtung, wie z.B. eine Energieführungskette oder dgl., geführt ist, um einen beweglichen Verbraucher zu versorgen. Die Erfindung betrifft insbesondere die Überwachung bewegter Leitungen.
Eine begrenzte Lebensdauer und ggf. resultierender Ausfall einer derartigen Leitung, z.B. einer Versorgungsleitung für Daten und/oder für die Stromversorgung, ist bedingt durch die anwendungsbestimmte Bewegung unvermeidbar und kann zu kritischen Situationen und hohen Kosten führen.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein System und Verfahren zur zur Leitungszustand-Überwachung im laufenden Echt-Betrieb der Leitung, umfassend eine Überwachungsvorrichtung, die ein erstes Modul und ein zweites Modul aufweist, welche jeweils beiderseits eines zu überwachenden Leitungsabschnitts vorgesehen, z.B. angeschlossen oder gekoppelt, sind. Dieser ist typisch in einer verfahrbaren Leitungsführungseinrichtung zum geschützten Führen zumindest der überwachten Leitung angeordnet, wobei die Leitungsführungseinrichtung zumindest einen beweglichen Abschnitt zwischen einer ersten Anschlussstelle und einer dazu relativbeweglichen zweiten Anschlussstelle hat durch den der zu überwachende, weil durch Bewegung beanspruchte, Leitungsabschnitt geführt ist.
Ein solches gattungsgemäßes System wurde z.B. in der WO 2020/104491 Al der Anmeldering vorgeschlagen. Hierbei sind zwei zwei Module endseitig am zu überwachenden Leitungsabschnitt vorgesehen. Diese Module nutzen jeweils Eigenschaften einer Protokollschicht eines digitalen Datenübertragungsprotokolls, um eine Zustandsüberwachung zu realisieren. Ein Nachteil hierbei ist, dass mit diesem Prinzip nur solche Leitungen überwacht werden können, die für ein derartiges digitales Daten-Protokoll, z.B. ETHERNET, bestimmt oder zumindest auch hinreichend geeignet sind. Weiterhin wird durch das System ggf. die eigentliche Datenübertragung - weil deren Protokolleigenschaften genutzt werden sollen - zumindest geringfügig beeinflusst, durch zusätzliche Daten, die allein der Prüfung bzw. Überwachung des Leitungszustands übertragen werden.
Eine Lösung zur on-line Leitungszustand-Überwachung im laufenden Betrieb ohne Beeinflussung der eigentlichen Nutzdaten-Übertragung wurde in DE10112844A1 vorgeschlagen. Hierbei erfasst das Prüfverfahren eine inaktive Phase des Datenübertragungsprotokolls, z.B. über eine Feldbusleitung, um während der inaktiven Phase mittels einer Prüfeinrichtung ein Prüfsignal ohne Unterbrechung des Übertragungsprotokolls zu übertragen. Die Reflexion des Prüfsignals entlang der Übertragungsleitung wird detektiert und ausgewertet.
Anders als WO 2020/104491 Al nutzen die meisten bisher vorgeschlagenen Lösungen, wie z.B. auch in der DE10112844A1, eine Reflexionsmessung, meist nach dem Prinzip der Zeitbereich- Reflektometrie (TDR: time-domain reflectometry) zur Bestimmung der Eigenschaften von elektrischen Leitungen durch Beobachtung der reflektierten Wellenformen. Ein Vorteil hierbei ist, dass sich dadurch Fehlerstellen lokalisieren lassen. Diese Verfahren sind jedoch technisch sehr aufwendig und meist nicht für eine Anwendung im laufenden Betrieb (on-line) geeignet.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin eine Lösung vorzuschlagen, welche eine Zustandsüberwachung einer elektrischen Leitung während des Betriebs erlaubt, wobei die Lösung mit möglichst geringem oder ohne Einfluss auf den bestimmungsgemäß Betrieb und/oder mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar sein soll. Diese Aufgabe lösen unabhängig voneinander ein Überwachungssystem nach Anspruch 1, ein Adapter- System nach Anspruch 2 oder auch die Verwendung bzw. das Verfahren nach Anspruch 15.
Bei einem gattungsgemäßen Überwachungssystem nach dem Oberbegriff aus Anspruch 1 wird zur Aufgabenlösung vorgeschlagen, dass zwei Module zusammenwirkend ausgeführt sind, um im laufenden Betrieb zumindest eine elektrische Übertragungseigenschaft, des zu überwachenden Leitungsabschnitts in Bezug auf ein vorbestimmtes Hochfrequenz-Signal zu ermitteln, insbesondere eines HF-Signals das von der bestimmungsgemäßen Nutzung der zu überwachenden Leitung unabhängig ist bzw. bestimmungsgemäß nicht als Nutzsignal verwendet wird, und vorzugsweise möglichst störungsfrei ausgewählt für die Nutzung ist u.a. bzgl. möglicher Interferenzen. Hierbei wird nach einem Grundgedanken der Erfindung ein die Übertragungsqualität des bestimmungsfremden HF-Signals, über den Leitungsabschnitt, betreffender Wert, insbesondere hinsichtlich der empfangenen Signalstärke bzw. Signaldämpfung, ermittelt und zur Auswertung genutzt.
Hierzu wird insbesondere zunächst vorgesehen, dass das erste Überwachungs-Modul einen HF-Generator bzw. eine HF-Quelle umfasst, der mit der zu überwachenden Leitung gekoppelt ist, um ein vorbestimmtes HF-Signal als separates, von der zweckbestimmten Nutzung unabhängiges Signal, in Art eines Prüfsignals, auf den zu prüfenden Leitungsabschnitt zu bringen, z.B. in mindestens einen Leiter der Leitung elektrisch aufzubringen bzw. einzukoppeln (einzuspeisen, einzufügen, aufzuprägen oder dgl.).
Andererseits hat das zweite Modul einen für das HF-Signal geeigneten HF-Empfänger bzw. eine HF-Signalsenke, welcher mit der zu überwachenden Leitung gekoppelt ist, um vom Leitungsabschnitt das HF-Signal zu empfangen, und dass das Modul oder der HF- Empfänger eingerichtet ist, Eigenschaften des empfangenen HF- Signals auszuwerten, um mindestens einen die Übertragungsqualität über den Leitungsabschnitt betreffenden Wert, insbesondere hinsichtlich der empfangenen Signalstärke bzw. Signaldämpfung, zu ermitteln. Bevorzugt ist das zweite Modul eingerichtet ist, diesen Wert über eine weitere Verbindung, insbesondere eine drahtgebundene oder auch drahtlose Verbindung, an eine übergeordnete Einheit auszugeben.
Die Kopplung mit der zu überwachenden Leitung kann leitend oder nicht-leitend, z.B. kapazitiv und/oder induktiv, erfolgen Je nach Anwendungsfall, bei Datenleitungen ggf. leitend, bei Versorgungsspannung führenden Leitungen vorzugsweise nicht-leitend z.B. zu Zwecken einer Schutzisolierung.
Vorliegend wird, wie allgemein in der Elektrotechnik mit Hochfrequenz (HF, englisch RF für radio frequency) zunächst allgemein der Frequenzbereich von etwa 10 kHz bis zum THz-Bereich als Hochfrequenz (HF) bezeichnet (d.h. nicht etwa nur eingeschränktere HF-Definition aus der Funktechnik für Kurzwellen bzw. den Bereich zwischen MF-Funk und VHF-Funk). Unter Hochfrequenz werden vorliegend insbesondere Frequenzen im Bereich von mindestens IMhz bis hin zu 10GHz verstanden, insbesondere auch typische Funkfrequenzen. Besonders bevorzugt kann eines der genehmigungsfreien und lizenzfreien ISM-Bänder (Industrial, Scientific and Medical Band) gemäß ITU Radio Regulations (Art. 5, ed. 2012) genutzt werden.
Weiterhin wird ein Adapter-System zur Zustandsüberwachung einer Leitung im Betrieb vorgeschlagen mit zwei entsprechenden Modulen, welche jeweils adapterartig an einem ersten Ende bzw. an einem zweiten Ende eines zu überwachenden Leitungsabschnitts anschließbar sind. Erfindungsgemäß wird hierbei entsprechend vorgesehen, dass
- die Module zusammenwirkend ausgeführt sind, um im laufenden Betrieb mindestens eine elektrische HF-(Hochfrequenz)- Übertragungseigenschaft des Leitungsabschnitts in Bezug auf ein vorbestimmtes HF-Signal zu ermitteln, welches Signal vorzugsweise von der bestimmungsgemäßen Nutzung der zu überwachenden Leitung unabhängig ist, und
- das erste Modul einen HF-Generator umfasst, der mit der zu überwachenden Leitung koppelbar ist, um ein vorbestimmtes HF- Signal, als Prüfsignal aufzubringen; und
- das zweite Modul einen HF-Empfänger aufweist, welcher mit der zu überwachenden Leitung gekoppelt ist, um vom Leitungsabschnitt das aufgebrachte HF-Signal zu empfangen, und eingerichtet ist, Eigenschaften des empfangenen HF-Signals auszuwerten, um mindestens einen die Übertragungsqualität über den
Leitungsabschnitt betreffenden Wert, insbesondere hinsichtlich der empfangenen Signalstärke bzw. Signaldämpfung, zu ermitteln.
Ferner kann zumindest das zweite Modul eingerichtet sein, diesen Wert über eine weitere Verbindung, insbesondere eine drahtgebundene Verbindung, an eine übergeordnete Einheit auszugeben.
Die Erfindung beruht zunächst auf dem kontraintuitiven Ansatz die Leitung zweckentfremdet zu nutzen für ein nicht bestimmungsgemäßes HF-Signal, welches insbesondere die Form eines ebenfalls kontraintuitiven Funksignals, das zur drahtlosen Übertragung bestimmt ist, haben kann. Die Erfindung kann ein Funksignal, insbesondere ein Funksignal das zur drahtlosen Datenkommunikation, zur Prüfung eines drahtgebundenen Leiters vorsehen. Es kann sich z.B. um ein Funksignal handelt mit einer hochfrequenten Trägerfrequenz auf welche ggf. durch Modulation Information aufgeprägt ist, auf deren Nutzung es jedoch für die bestimmungsgemäße Nutzung der Leitung nicht ankommt.
Ferner liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es auf eine ungünstige Anpassung zwischen Leitung und dem HF-Signal nicht ankommt, wenn eine Nutzung des HF-Signals zu seiner eigentlichen Signalfunktion, etwa der Informationsübertragung, nicht beabsichtigt ist. Auf die absolute Übertragungsqualität des Prüfsignals kommt es nicht an für die Erfindung.
Im Gegenteil, ohne an Theorie gebunden sein zu wollen, steigen Abstrahlverluste auf Leitungen mit Störstellen, insbesondre Ein oder Zweidrahtleitungen, in etwa quadratisch mit der Signalfrequenz an. Demnach eignen sich höherfrequente Signale grundsätzlich für die Erkennung typischer Abnutzungserscheinungen in bewegten flexiblen Leitungen, insbesondere in
Energieführungsketten, wie z.B. durch Dauerbiegewechsel bedingte Querschnittsveränderungen, Knicke, Litzenbrüche oder andere Störstellen. Die Signaldämpfung kann z.B. bei idealisierten Eindraht- oder Zweidrahtleitern jedoch vergleichsweise niedrig sein.
Grundsätzlich wird eine relative Veränderung der
Übertragungsqualität des Prüfsignals überwacht und als Indikator für Abnutzung bzw. verschleißbedingte Degradation der Leitung ausgenutzt.
In einer Ausführungsform ist somit vorgesehen, dass das vorbestimmte HF-Signal, das der Überwachung dient, ein Funk- Datenübertragungssignal ist.
Hierbei können die HF-Einheiten (HF-Generator und/oder HF- Empfänger) jeweils als Bestandteile eines jeweiligen Funk- Transceivers ausgeführt sein. Dadurch sind z.B. handelsübliche, preiswerte Funk-Transceiver verwendbar.
Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass HF-Generator und HF- Empfänger als Bestandteile einer integrierten Schaltung, insbesondere eines Funk-ICs (IC= integrated circuit/integrierter Schaltkreis), ausgeführt sein. Die HF-Einheiten können vorzugsweise als Bestandteile von Funk-ICs vorliegen, die in beiden Modulen baugleich sind, was u.a. die Bauweise vereinheitlicht und Kosten senkt.
In einer solchen Ausführungsform ist vorzugsweise vorgesehen, dass sowohl HF-Generator als auch HF-Empfänger jeweils als Bestandteile von Funk-ICs zur Datenübertragung nach einem handelsüblichen Drahtlos-Protokoll bzw. Drahtlos-Standard ausgeführt sind, welche inhärent bereits eine Funktion zur Schätzung der empfangenen Signalstärke implementieren. Beispiele solcher Fung-ICs sind z.B. ICs oder Chipsets für WLAN, LoRa-WAN, LTE oder ähnliche Protokolle/Standards zur drahtlosen Datenübertragung. Die eigentliche Funktion zur Datenübertragung muss bzw. soll dabei nicht zum Einsatz kommen, sondern primär eine integrierte Funktion zur Signalgüte-Bestimmung, insbesondere zur Schätzung der relativen Qualität des über den überwachten Abschnitt empfangenen HF-Signals bzw. Funk-Signals. So sieht beispielsweise WLAN/WiFi, im 2,4GHz-Frequenzband (IEEE 802.11b/g/n) oder 5GHz-Frequenzband (IEEE 802.11a/h und IEEE 802.11h ), eine RSSI-Messung oder eine RCPI-Messung vor. Der RSSI zeigt den Leistungspegel an der empfangen wird. Auch bei LoRa-WAN, z.B. mit Frequenzband von ca. 433 bis 435 MHz (ISM-Band Region 1) und von 863 bis 870 MHz (SRD- Band) in Europa oder Frequenzband 902 bis 928 (Grundfrequenz 915 MHz) in Nordamerika ist eine RSSI-Messung oder dgl. typisch bereits als mitgelieferte Funktion handelsüblicher LoRa-ICs vorgesehen. Auch andere vergleichbare Ansätze zur Einschätzung der empfangenen Signalstärke bzw. der Signaldämpfung über die überwachte Leitung liegen im Rahmen der Erfindung.
Vorzugsweise wird hierzu eine Protokoll- bzw. standardinhärent implementierte Funktion eines handelsüblichen Funk-ICs zur Datenübertragung nach einem handelsüblichen Drahtlos-Protokoll bzw. Drahtlos-Standard genutzt. Dies vermeidet u.a. die Kosten aufwendiger Messtechnik, wie bei gängigen TDR-Ansätzen üblich.
Das genutzte HF-Signal hat vorzugsweise ein von der bestimmungsgemäßen Nutzung der eigentlichen Nutzanwendung der zu überwachenden Leitung möglichst unabhängiges Frequenzspektrum, insbesondere in einem deutlich höheren Frequenzband, z.B. insbesondere in einem Frequenzband um eine Grundfrequenz f im Bereich im Bereich von 1 MHz bis zu 10 GHz, insbesondere im Bereich 100 MHz < f < 7 GHz. Dabei kann auch/alternativ eine Trägerfrequenz für eine Protokoll- bzw. standardinhärente Modulation in diesem Bereich liegen. Die Auswahl sollte so erfolgen, dass das HF-Signal möglichst wenig Interferenz mit dem Nutzsignal der Leitung erzeugt.
Erste Versuche anhand eines beispielhaften Prototyps haben gezeigt, dass ein Aufbringen bzw. Einfügen eines LoRa-Funksignals auf einer ETHERNET-Leitung eine hinsichtlich Verschleiß- bzw. Abnutzung sensitive Überwachung anhand des RSSI-Werts erlaubt, ohne übermäßige Störung der ETHERNET-Übertragung.
Somit kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass zumindest das zweite Modul eingerichtet ist, insbesondere der HF-Empfänger bzw. die Funk-IC(s) vorkonfiguriert ist/sind, für eine HF-Dämpfungsmessung des empfangenen HF-Signals, insbesondere für eine RSSI-Messung.
Bei baugleichen ICs liegt die Eignung in beiden Modulen vor, sodass auch eine austauschbare Verwendung bei geeigneter Ausführung möglich ist.
Insbesondere bei Verwendung herkömmlicher Funk-ICs, können diese mittels einem bestimmungsgemäßen Antennen-Anschluss mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt gekoppelt bzw. koppelbar sein, wozu ggf. eine geeignete Kopplungseinheit bzw. Kopplungsschaltung vorgesehen wird.
In einer Ausführungsform umfassen beide Module eine
Kopplungsschaltung zur galvanischen Kopplung von HF-Generator bzw. HF-Empfänger mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt. Diese kann vorteilhaft weitere Funktionseinheiten umfassen insbesondere:
- ein erstes Filterglied, insbesondere mit auf das HF-Signal abgestimmter FilterCharakteristik;
- ein Umschaltglied zur wählbaren Kopplung mit unterschiedlichen Leitern einer Mehrleiter-Leitung umfasst; und/oder
- ein Impedanz-Anpassungsglied.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Systems bzw. des Moduls sind den Unteransprüchen 8-14 zu entnehmen.
Die Überwachung unter Verwendung der Module erfolgt vorzugsweise laufend während des Nominalbetriebs, ggf. z.B. zeitdiskret zu vorbestimmten regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitpunkten.
Hervorzuheben ist hierbei insbesondere die vorzugsweise externe Weiterverarbeitung des Qualitätswerts des Prüfsignals, welcher indikativ für die Übertragungsqualität über den überwachten Leitungsabschnitt ist. Hierzu kann das als Empfänger dienende Modul den bestimmten Wert, z.B. einen RSSI-Wert, ggf. nach Umwandlung in einen Digitalwert in beliebig geeignetem Format an eine separate Auswerteeinheit übermitteln.
In einer Ausführungsform ist somit vorgesehen, dass das System eine separate Auswerteeinheit aufweist, welche Information zum Zustand der zu überwachenden Leitung auf Grundlage des die Übertragungsqualität betreffenden Werts ermittelt und hierzu z.B. den Wert mit vorgespeicherter Information vergleicht.
Ergänzend oder alternativ hierzu kann das zweite Modul über eine weitere Verbindung, insbesondere eine drahtgebundene oder auch drahtlose Verbindung, mit einer übergeordneten Einheit bzw. der Auswerteeinheit verbindbar bzw. verbunden sein.
Die Auswerteeinheit kann hierzu insbesondere den Übertragungsqualitäts-Wert, z.B. RSSI-Wert, mit einem vorgespeicherten Toleranzbereich vergleichen. Der Toleranzbereich ist typisch anwendungsabhängig, u.a. z.B. von Leitungstyp, Leitungslänge, verwendeten Steckern und weiteren Parametern abhängig. Der Toleranzbereich kann bei Inbetriebnahme durch eine Initialisierung und/oder über einen anfänglichen als fehlerfrei betrachteten BetriebsZeitraum festgelegt und z.B. in der Auswerteeinheit gespeichert werden. Würde rein beispielhaft bei Inbetriebnahme nach einigen Verfahr-Hüben einer Energiekette der RSSI-Wert schwanken zwischen -52dBm bis -56dBm (Decibel-Milliwatt) bis, so könnte als Toleranzbereich ein Wert von +/-2dBm um diese Werte d.h. von -50dBm bis -58dBm als Nominal akzeptabel angesehen werden. Jedes Verlassen eines vorbestimmten Toleranz-Bereichs kann als potentieller Schlechtfall gewertet werden. Die Entscheidung auf einen Schlechtfall sollte, zur Vermeidung von False-Negative Ergebnissen gegebenenfalls mit Entscheidungs-Toleranz, z.B. per Integral über ein mitlaufendes Zeitfenster, eine Reaktion auslösen. Die Reaktion kann z.B. eine Wartungsmeldung zur prädiktiven Wartung oder auch einem Steuerungssignal zum Auslösen zu einem Anlagenstopp zu Sicherheitszwecken. Als ein bevorzugter Ansatz wird derzeit die Überwachung, z.B. eines RSSI-Werts oder ähnlichen Werts, der eine Aussage über empfangene Signalstärke bzw. Signaldämpfung liefert, und dessen Vergleich mit einem vorgespeicherten Toleranzbereich angesehen.
Der vorgespeicherte Toleranzbereich kann z.B. aus Erfahrungswerten einprogrammiert bzw. parametriert oder durch einen Initialisierungsprozess passend zur Anwendung angelernt werden, wobei auch andere Ansätze möglich sind.
Allgemein bevorzugt wird eine laufende Überwachung während dem Betrieb der Leitungsführungseinrichtung.
Die vorgeschlagenen Module können bei leitender Einkopplung zur überwachten Leitung passend gewählte Buchsen für eine lösbare Steckverbindung aufweisen. Da eines der beiden Module insbesondere am beweglichen Verbraucher, außerhalb der Energieführungskette bzw. dynamischen Leitungsführung angeordnet ist, kann das vorgeschlagene System inhärent den nicht selten auftretenden Fall eines Fehlers im Stecker am beweglichen Anschluss erkennen. Aufgrund der Bewegungsbeanspruchung kommt es in der Praxis regelmäßig zu Fehlerfällen, welche nicht durch Verschleiß in der eigentlichen Leitung, sondern durch mechanische Belastung, etwa Zugkraft auf einer der Adern, welche den Stecker am beweglichen Anschluss versagen lässt. Auch in diesem Fall kann eine Verschlechterung der Übertragung inhärent miterfasst werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren bzw. die Verwendung eines Systems zur Zustandsüberwachung einer Leitung im Betrieb (on-line) mit den Verfahrensmerkmalen nach dem unabhängigen Anspruch 15.
Es kommen neben Energieführungsketten aus einzelnen Gliedern auch andere Arten von dynamischen Leitungsführungen in Betracht, bei denen Leitungen im Betrieb dynamisch beansprucht werden. Rein beispielhaft offenbart z.B. WO 2016/042134 Al eine flexible Leitungsführung für Reinraumanwendungen, auf welche die Erfindung ebenso anwendbar ist.
Die vorgeschlagene Lösung eignet sich zur Zustandsüberwachung unterschiedlicher Leitungen, nebst Datenleitungen z.B.
Busleitungen auch für Stromversorgungsleitungen, im laufenden Betrieb. Dabei kann die Leitung insbesondere in einer dynamischen Leitungsführung geführt sein. Das Prinzip ist auf unterschiedlichste Datenleitung anwendbar, z.B. ETHERNET (IEEE 802.3), PROFIBUS oder andere industrielle Feldbus-Arten, wie etwa der CAN-Bus, EIA-485 oder dergleichen oder sonstige
Steuerleitungen z.B. Das vorgeschlagene Prinzip ist jedoch, anders als bei WO 2020/104491 Al, ohne Weiteres auch auf Versorgungsleitungen zur reinen Stromversorgung anwendbar.
Die vorgeschlagene Lösung erlaubt insbesondere vorausschauende bzw. präventive Wartung zur Vermeidung von Ausfällen.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Wirkungen der Erfindung werden nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit des Vorstehenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:
FIG . l : eine Prinzip-Skizze in Seitenansicht einer
Energieführungskette mit einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
FIG .2 : ein Prinzip-Schema eines Moduls zum Aufbringen eines HF-Signals auf eine Leitung;
FIG .3A: ein Prinzipschema eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Moduls für ein Überwachungssystem, insbesondere nach FIG.l;
FIG .3B : ein Prinzipschema eines Systems mit zwei Modulen nach dem Prinzip aus FIG.3A, für ein Überwachungssystem, insbesondere nach FIG.l;
FIG . 4 : als Anwendungsbeispiel eine Seitenansicht eines Industrieroboters mit einer räumlich auslenkbaren Energieführungskette, die mit einem Überwachungssystem gemäß FIG.l ausgerüstet werden kann; und FIG . 5 : eine Prinzip-Skizze in Seitenansicht einer
Energieführungskette mit einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit induktiver Kopplung.
In FIG.l ist als Beispiel einer dynamischen Leitungsführungseinrichtung eine schematisch gezeigte Energieführungskette allgemein mit 1 bezeichnet. Die Energieführungskette 1 dient zur geschützten Führung von elektrischen Leitungen (nicht näher gezeigt), zu einem beweglichen Verbraucher. Zwischen einem bewegten Trum 2, hier dem Obertrum, und einem ruhenden Trum 3, hier dem Untertrum, bildet die Energieführungskette 1 einen mitfahrenden Umlenkbogen 4 mit vorgegebener Krümmung. Der Umlenkbogen 4 hat zur Vermeidung von Leitungsbrüchen einen vorgegebenen, minimalen Krümmungsradius. Die Energieführungskette 1 gewährleistet damit, dass die zulässigen Krümmungsradien der geführten Leitungen nicht unterschritten werden. Die Energieführungskette 1 bildet typisch einen inneren Führungskanal, in welchem eine anwendungsabhängige Anzahl und Art von Leitungen geführt sind. Die Bauweise der Energieführungskette 1 ist nicht entscheidend für die Erfindung, es kommen z.B. alle an sich bekannten dynamischen Leitungsführungen in Betracht, ggf. auch solche ohne einzelne Kettenglieder, z.B. bandartige oder in einem flexiblen Schlauch geführte Leitungspakete.
FIG.l zeigt rein beispielhaft eine typische Anordnung mit linear und in einer Ebene, z.B. horizontal, verfahrbarer
Energieführungskette 1. In FIG.l endet das bewegte Trum 2 endet an einem ersten Anschlussende 2A, z.B. in einem Endglied, das an einem Mitnehmer eines beweglichen Maschinenteils (nicht gezeigt) befestigt ist. Das ruhende Trum 3 endet an einem zweiten Anschlussende 3A, z.B. in einem Endglied, das an einem festen Punkt der Maschine bzw. Anlage befestigt ist wie schematisch in FIG.l angedeutet. FIG.4 zeigt eine andere, häufig an Industrierobotern genutzte Art der Energieführungskette mit räumlich auslenkbaren Gliedern, d.h. eine dreidimensional bewegliche Energieführungskette. FIG.l zeigt schematisch als einen Aspekt der Erfindung eine Überwachungsvorrichtung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Überwachungsvorrichtung 10 umfasst ein erstes Modul 200A und ein zweites Modul 200B, welche erfindungsgemäß HF(Hochfrequenz)- Einheiten umfassen, wie nun näher beschrieben.
Die Module 200A, 200 wirken zusammen, um im laufenden Betrieb der Leitung 13 bzw. der damit versorgten Maschine bzw. Anlage mindestens eine elektrische HF (Hochfrequenz)- Übertragungseigenschaft eines in der Energieführungskette 1 geführten Leitungsabschnitts 130 (FIG.3B) einer Leitung in Bezug auf ein vorbestimmtes HF Signal zu ermitteln, das als Prüfsignal eigens zu diesem Zwecke auf den Leitungsabschnitt 130 gekoppelt wird.
FIG.2 zeigt sehr schematisch das erste Modul 200A, mit einem einen HF-Generator (englisch: RF, radio frequency), welches ein vorbestimmtes HF Signal 20, in FIG.2 schematisch punktiert dargestellt, hier auf eine überwachte Einzelader 13A aufgibt bzw. (ein-)koppelt. Das Signal 13A ist von den in der bestimmungsgemäßen Nutzung der Leitung 13 verwendeten Signalen 23, schematisch strichpunktiert auf der Einzelader 13A dargestellt, unabhängig und erzeugt vorzugsweise minimale oder keine nennenwerten Interferenzen hiermit. Das eigentliche Betriebssignal 23 kann z.B. rein beispielhaft ein ETHERNET-Signal sein, ein Signal nach einen beliebigen Industriebus, oder auch ein Signal eines nicht-paketbasierten Bussystems, oder einer beliebigen digitalen oder analogen Steuerleitung oder Messleitung z.B. für einen Aktor (Antrieb, Motor, oder dgl.) oder einen beliebigen Sensor, z.B. einen Drehgeber.
Die Erfindung ist grundsätzlich auch auf Stromversorgungsleitungen anwendbar. Wie FIG.2 schematisch zeigt, hat das erste Modul 200A einen HF-Generator 210, der mit der zu überwachenden Leitung 13, hier z.B. einer Einzelader 13A gekoppelt ist, um ein das vorbestimmte HF-Signal, als eine Art zu Prüfsignal, zusätzlich auf die Einzelader 13A aufzubringen. Grundsätzlich kommt dazu, insbesondere bei Datenleitungen, jede geeignete leitende oder, insbesondere bei spannungsführenden Versorgungsleitungen eine berührungslose Kopplung, insbesondere induktive Kopplung in Betracht.
Wie FIG.3B näher zeigt ist das zweite Modul 200B am anderen Ende des zu überwachenden Leitungsabschnitts 130 angeschlossen, z.B. durch eine Stecker-Buchse Verbindung. Die Module können adapterartig ausgeführt sein, mit Eingangs- und Ausgangsbuchsen passend zur überwachten Leitung, z.B. RJ-45 Buchsen für eine CAT7- ETHERNET-Leitung, oder anderen geeigneten Buchsen. FIG.3B veranschaulicht schematisch mehrere Einzeladern 13A, 13B usw. die hier beispielhaft als vier Paar Twisted-Pair-Leitungen vorliegen, jedoch anwendungsspezifisch sind, d.h. von der zu überwachenden Leitung 13 abhängen.
Das zweite Modul 200B hat einen HF-Empfänger, z.B. in Form eines HF-Transceivers 210 (vgl. FIG.3A), welcher mit der zu überwachenden Leitung gekoppelt ist, und vom Leitungsabschnitt 130 das Prüfsignal bzw. HF-Signal 20 abgreift bzw. empfängt. Das zweite Modul 200B ist insbesondere eingerichtet bzw. konfiguriert einen Wert zu ermitteln, welcher die empfangene Qualität des Prüfsignals, insbesondere die Signalstärke bzw. die Signaldämpfung des empfangenen HF-Signals 20 am beweglichen Anschluss der Leitung 13 mit dem Modul 200 darstellt. Hierzu ist z.B. der HF-Transceiver 210 im zweiten Modul 200B eingerichtet um Eigenschaften des empfangenen HF-Signals auswerten, und so zur Übertragungsqualität über den Leitungsabschnitt 130 einen indikativen Wert zur Signalstärke bzw. die Signaldämpfung zu generieren.
Wie FIG.l zeigt, ist das zweite Modul 200B bevorzugt eingerichtet, um zumindest diesen Wert über eine weitere Verbindung, z.B. einen drahtgebundene USB-Anschluss, welcher zugleich das Modul 200B elektrisch versorgt, an eine übergeordnete Überwachungseinheit 100 auszugeben, z.B. an ein Modul das unter Handelsbezeichnung „i.Cee:plus" oder „iCom" von der Fa. igus GmbH, 51147 Köln erhältlich ist. Die Überwachungseinheit 100 kann insbesondere zur Kommunikation mit der Anlagentechnik in der gewünschten Anwendung, oder mit einer Cloud-Lösung eingerichtet sein. In einer Ausführungsform wird in beiden Modulen 200A, 200B ein baugleicher integrierter Schaltkreis für eine Funk- Datenübertragung, kurz Funk-IC 210 (Engl. Fachjargon „radio") verwendet, der sowohl als Sender (Tx) bzw. HF-Generator und als Empfänger (Rx) nutzbar ist. Somit sind HF-Generator und HF- Empfänger bevorzugt durch den Transceiver (Trx) eines solchen Funk-IC 210 realisiert.
Bevorzugt wird ein Funk-IC 210 für einen handelsüblichen Funk- Standard im ISM Band, z.B. LoRa-WAN (Long Range Wide Area Network: siehe https://lora-alliance.org/) mit RSSI-Messung oder ähnlich eingesetzt. Ebenfalls in Betracht kommt ein WLAN-IC bzw. Chipsatz, insbesondere gemäß Wi-Fi bzw. einem Standard der IEEE-802.11 Familie. In Betracht kommt vorzugsweise jeder Funk-IC 210 der eine RSSI- (Received Signal Strength Indicator) oder RSSI-ähnliche Funktion, z.B. RCPI (Received Channel Power Indicator) nach IEEE- 802.11 aufweist. Somit ist der empfängerseitige Funk-IC 210 im zweiten Modul 200B inhärent und zu geringen Kosten geeignet, den gewünschten Wert über die empfangene Signalstärke bzw. die Signaldämpfung bereitzustellen, insbesondere als digitalen Ausgabewert nach Herstellerspezifikation des Funk-ICs 210. Der HF- Empfänger kann den Wert in beliebigem Format, z.B. auch als eine analoge Spannung an einem Anschluss ausgegeben.
Bei einigen handelsüblichen Funk-ICs 210 wird der RSSI z.B. in der Zwischenfrequenzstufe (ZF) vor dem ZF-Verstärker abgeleitet. Der RSSI-Ausgang kann dann als analoger DC-Pegel vom IC bereitgestellt und z.B. extern in einen digitalen Wert umgewandelt werden. Jeglicher vergleichbare analoge Wert, welcher ein geeigneter Funk- IC 210, als Ergebnis einer integrierten Empfangsfeldstärke-Messung liefert, kann z.B. geräteabhängig skaliert und umgewandelt als RSSI-Wert, bzw. als dimensionslosen Leistungspegel, in der Einheit dBm, oder in ASU (Arbitrary Strength Unit) oder dgl. ausgedrückt und verwertet werden. Ein solcher analoger Wert aus der ZF-Stufe im Funk-IC 210 kann auch von einem internen Analog- Digital-Wandler (ADC) im Funk-IC 210 abgetastet werden, welcher resultierende Werte digital über eine Schnittstelle, z.B. einen peripheren Prozessorbus zur Verfügung stellt. Auf die spezielle Art der Bereitstellung und des Wertes kommt es nicht an.
Die Erfindung kann grundsätzlich jede geeignete Art einer hinreichend deterministischen Ermittlung, Schätzung oder Messung, insbesondere hinsichtlich der Qualität des empfangenen Prüfsignals, z.B. der Signalstärke bzw. Signaldämpfung oder Empfangsfeldstärke, vorteilhaft einsetzen. Besonders kostengünstig ist die Nutzung handelsüblicher Funk-ICs 210 mit einer bereits integrierten Funktion hierfür, wie z.B. die RSSI-Bestimmung bei einem LoRa-WAN IC oder die RCPI-Bestimmung eines WiFi-IC. Typisch liegt der Wert in einem Bereich von <0 dBm (Idealwert verlustfreier Übertragung) bis zu -lOOdBm ([quasi] kein Signalempfang) auf einer logarithmischen Skala. Auch andere Funk- Standards bieten solche Funktionen, z.B. LTE.
FIG.3A veranschaulicht eine Hardware-Realisierung, welche sowohl als senderseitiges erstes Modul 200A, als auch als empfängerseitiges zweites Modul 200B nutzbar ist. Hierbei sind die Module 200A bzw. 200B insbesondere hardwaremäßig baugleich ausgeführt, aber ggf. softwaremäßig unterschiedlich konfiguriert bzw. programmiert, insbesondere als Sender (Tx) und als Empfänger (Rx) mit Auswertungsfunktion bzw. der Qualität des Empfangssignals.
Dementsprechend ist der verwendete Funk-IC 210, z.B. ein LoRa-WAN IC, mittels dessen Antennen-Anschluss 212 mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt 130 gekoppelt. Zur Kopplung ist im Modul 200A, 200B eine Kopplungsschaltung 220 vorgesehen, hier z.B. zur galvanischen Kopplung des Antennen-Anschluss 212 mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt 130, insbesondere mit einer oder wahlweise einer von mehreren Einzeladern 13A, 13B usw.
In der Kopplungsschaltung 220 kann ein erstes Filter, bzw erstes Filterglied vorgesehen sein, insbesondere mit einer auf das HF- Signal 20 abgestimmten Filtercharakteristik, sodass möglichst geringe bzw. kein Anteil der bestimmungsgemäßen Signale 23 auf den Antennenanschluss 212 gelangen. Das Filterglied kann z.B. als steilflankiger n-Filter bzw. Bandpassfilter auf das Funk- Frequenzband des HF-Signals 20 eingestellt sein und vorzugsweis in Analogtechnik mit diskreten Komponenten realisiert sein. Die Kopplungsschaltung 220 kann ggf. eine Umschalteinheit bzw. ein Umschaltglied zur wählbaren bzw. einstellbaren Kopplung mit unterschiedlichen Leitern bzw. Adern 13A, 13B usw (vgl. FIG.3B) des Leitungsabschnitts 130 aufweisen, insbesondere wenn die Funktionsfähigkeit aller Leitungen überwacht werden muss. Gegebenenfalls kann weiterhin mindestens ein Impedanz- Anpassungsglied vorgesehen sein für zumindest verbesserte eine Anpassung zwischen Adern 13A, 13B usw. und Antennen-Anschluss 212.
Allgemein bevorzugt wird ungeachtet der verwendeten Art der Kopplung, d.h. z.B. auch bei induktiver Kopplung, eine geeignete Entkoppel-Filterschaltung vorgesehen, welche alle parasitären, insbesondere leitungsgebundenen, bzw. unerwünschten Ausbreitungswege des Prüfsignals bzw. HF-Signals 20 unterdrückt und das Prüfsignal auf den überwachten Leitungsabschnitt 130 beschränkt.
Weiterhin zeigt FIG.3A einen Schaltungsbestandteil bzw.
Einrichtung 230 zum Durchschleifen der Leitung 13 bzw. deren Einzelleiter 13A, 13B zwecks bestimmungsgemäßer Nutzung der zu überwachenden Leitung während der Überwachung. In diesem Schaltungsbestandteil 230 ist vorzugsweise ein Filterglied 232 umfasst, welches die Übertragung des HF-Signals zu einem der beiden Anschlüsse 201, 202 für die Leitung 13 hin im Wesentlichen auf den zu überwachenden Leitungsabschnitt 130 beschränkt. Hierzu kann das Filterglied 232 z.B. als Bandsperre bzw. Bandstoppfilter ausgeführt welches das Frequenzband des pseudo Funk-Signals bzw. Prüfsignals 20 möglichst nicht in die Teile 15, 16 der Kundenanlage passieren lässt.
Das Modul hat vorzugweise eine im bzw. mit dem Gehäuse 204 realisierte möglichst umfassende Abschirmung zur möglichst vollständigen Reduzierung von Funk-Abstrahlung durch den Funk-IC 210, sodass eine ungewollte Luftverbindung zwischen den Modulen 200A, 200B möglichst ausgeschlossen wird. Die Abschirmung des Gehäuse 204 verhindert auch, dass z.B. externe Funksignale stören und die Diagnoseergebnisse kurzzeitig oder dauerhaft verfälschen.
Das Modul kann zur Steuerung und/oder Signalauswertung bzw. Weiterverarbeitung der Werte aus dem Funk-IC 210 weiterhin eine Steuereinheit, insbesondere eine programmierbare integrierte Schaltung wie einen Mikroprozessor 240 oder dgl. aufweisen. Dieser kann über einen weiteren geeigneten Anschluss 203 zwecks Datenverbindung mit der Auswerteeinheit 100 verbunden werden, z.B. über einen USB-Anschluss zur Steuerung des HF-Generators bzw. HF- Empfängers im Funk-IC 210 aufweist. Über Mikroprozessor 240 und Anschluss 203 kann z.B. auch eine wahlweise Einstellung auf Senderverhalten, zur Verwendung als erstes Modul 200A, oder Empfängerverhalten und Auswertung, zur Verwendung als zweites Modul 200B, erfolgen. Wie die Architektur in FIG.3A erkennen lässt, ist das gezeigte Modul 200A/200B wahlweise als Sender oder Empfänger einsetzbar, wozu lediglich eine umgekehrte Verwendung der Anschlüsse (Tausch Anlagenseite / Energieketten-Seite) und entsprechende Programmierung nötig ist.
Die Stromversorgung (nicht gezeigt) kann entweder über die überwachte Leitung 13 oder auch über z.B. den USB-Anschluss 203 erfolgen, je nachdem ob das Modul als Sender-Modul 200A oder Empfänger-Modul 200B genutzt wird, da das Empfänger-Modul 200B vorzugsweise über den Anschluss 203 an die übergeordnete separate Auswerteeinheit 100 angeschlossen, und z.B. mit dieser in einem Schaltschrank montiert sein kann.
Die Auswerteeinheit 100 erhält vom Modul 200B bzw. vom Funk-IC 210 laufend ggf. über die Steuereinheit 240 und den Anschluss 203 oder alternativ über eine weitere nicht gezeigte externe Drahtlosverbindung den aktuellen die Übertragungsqualität betreffenden Wert, z.B. RSSI-Wert und vergleicht diesen z.B. mit vorgespeicherter Referenzinformation, vorzugsweise mit einem Toleranzbereich, und/oder leitet diesen Wert an eine weitere übergeordnete Rechner-Steuerung weiter, welche die Werte auswertet und ggf. in die Anlage eingreifen kann, z.B. einen Not-Stopp auslöst. Die Auswerteeinheit 100 oder eine andere vorzugsweise von den kompakten kostengünstigen Modulen 200A, 200B getrennte Einheit ermittelt Zustands-Information zum Zustand der zu überwachenden Leitung auf Grundlage des erhaltenen Werts betreffend die Empfangsqualität am Modul 200B, welche aussagekräftig ist über unerwünschte physische Veränderungen im überwachten Leitungsabschnitt 130 sowie ggf. dessen Steckverbindungen mit den Anschlüssen 201 bzw. 202.
In einem Ausführungsbeispiel wertet die Auswerteeinheit 100 selbst RSSI-Werte aus durch Vergleich mit einem zuvor gespeicherten Toleranzbereich. Bei dessen Unterschreitung oder auch Überschreitung, die Auswerteeinheit 100 eine Warn- bzw. Fehlermeldung an einen übergeordneten Überwacher ab, vorzugsweise über einen separaten Kanal. Hierdurch wird prädiktive Wartung ermöglicht, da eine Verschlechterung der Empfangsqualität am Empfänger-Modul 200B in der Regel eintritt bevor die Leitung 13 gänzlich versagt.
FIG.4 zeigt als beispielhaften Anwendungsfall für eine Überwachungsvorrichtung 10 einen Gelenkarmroboter 40, z.B. zur vollautomatischen Handhabung von Werkstücken in einem
Fertigungsprozess. Von der ortsfesten Basis 40A des Gelenkarmroboters führt hier z.B. eine erste linear verfahrbare Energieführungskette 1, ähnlich FIG.1-3, zu einem Drehgelenk von dem aus eine räumlich auslenkbare zweite Energieführungskette 41 (z.B. gemäß
WO 2004/093279 Al) weiterführt zum Endeffektor 42 bzw. endseitigen Roboterwerkzeug. Am Endeffektor 42 sind typisch eine Anzahl Aktoren und Sensoren vorgesehen, die bereits für ein gängiges Feldbus- Protokoll oder z.B. das PROFINET-Protokoll geeignet sind.
Auch diese Aktoren und Sensoren können über ein Leitung 13, welche mit einem Abschnitt 130 (FIG.3B) in der zweiten Energieführungskette 41 geführt ist, versorgt werden. Somit kann eine
Überwachungsvorrichtung 10 nach dem Prinzip aus FIG.1-2 und FIG.3A-3B mindestens eine oder ggf. alle Daten- und/oder Signalleitungen die durch die Energieführungsketten 1, 41, insbesondere durch die
Energieführungskette 41, geführt sind auf ihren Verschleiß-Zustand hin überwachen. Hierzu sind lediglich preiswert realisierbare Module 200A, 200B und ggf. eine Auswerteeinheit 100, die auch in Form eines Softwaremoduls auf einem bereits vorhandenen Rechner realisiert sein kann, erforderlich. Es kann als Auswerteeinheit 100 auch eine bereits vorhandene Steuerungs-Einheit oder Überwachungseinheit genutzt werden.
Der relevant Qualitätswert des Prüfsignals kann, bei Verwendung von Transceivern, ggf. vom Empfänger-Modul 200B, in einem Sende-Modus, an das Sender-Modul 200A zurückübermittelt werden. Somit kann umgekehrt als in FIG.l gezeigt, kann auch das Empfänger-Modul 200B am bewegten Maschinen- oder Anlagenteil angeordnet sein, und ggf. über das Prüfsignal 20 z.B. RSSI-Werte kontinuierlich an das Sender-Modul 200A zurückübermitteln, welcher dann wiederum mit der Auswerteeinheit 100 verbunden ist.
Das vorgeschlagene System zur Überwachung des Leitungszustands bietet somit eine preiswerte Lösung zur Unterstützung prädiktiver Wartung und/oder zur Verringerung bzw. Vermeidung von Ausfallzeiten. Die Erfindung erlaubt es u.a. anfälligere und ggf. auch kostenintensive Datenleitungen, Spezialleitungen oder dgl. hinsichtlich ihrer möglichen Lebensdauer maximal zu nutzen, d.h. einen unnötig frühen Austausch zu vermeiden.
Die Lösung ist weiterhin auch auf Stromversorgungsleitungen anwendbar.
FIG.5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit zwei Modulen 500A, 500B zum induktiven Einkoppeln bzw. Auskoppeln des Prüfsignals
20 (FIG.2) auf den zu überwachenden Leitungsabschnitt 130, einer Leitung 13 die in einer Energieführungskette 1 geführt ist (vgl. FIG.l).
Hierzu ist gemäß FIG.5 in jedem Modul 500A, 500B eine Induktionsspule 520 um einen jeweiligen Endbereich des Leitungsabschnitts 130 gewickelt und koppelt das gewünschte Prüfsignal 20 induktiv ein bzw. aus. Jedes Modul 500A, 500B hat zwei konjugierte bzw. zueinander passende Halbschalen 504A, 504B, welche eine möglichst umfassende Abschirmung zur möglichst vollständigen Reduzierung von Funk-Abstrahlung über eine ungewollte Luftverbindung bzw. Funkverbindung zwischen den Modulen 500A, 500B. Dies verhindert auch, dass z.B. externe Funksignale stören.
In einer Halbschale 504A ist jeweils eine Schaltung in entsprechender Bauweise zu FIG.3A vorgesehen, zum Einkoppeln bzw. Auskoppeln des Prüfsignals 20. Die Schaltung (nicht näher gezeigt) verfügt ebenfalls über einen geeigneten Funk-IC 210 (vgl. FIG.3A), auf dessen Frequenzband z.B. die Länge der Induktionsspule 520 angepasst ist. Die Induktionsspule 520 ist mit dem Funk-IC 210 leitend verbunden. Im Gegensatz zu FIG.3A erfolgt bei FIG.5 die Ein- und Auskopplung des Prüfsignals 20 in die Leitung 13 jedoch rein induktiv, d.h. ohne Veränderung an der zu prüfenden Leitung 13.
Die beiden Halbschalen 504A, 504B weisen ferner Formnuten auf, um eine vorbestimmte Wicklungsgeometrie, insbesondere gleichbleibende Wicklungsschlaglänge und gleichen Radialabstand der Induktionsspule 520 zur Leitung 13 zu gewährleisten. Ein- und Auskopplung des Prüfsignals 20 werden auch in FIG.5 bevorzugt über baugleiche Einheiten bzw. Module 500A, 500B realisiert.
Eine induktive Kopplung mit dem Leitungsabschnitt 130 kann in jeder geeigneten Bauart realisiert werden. Alternativ zu der in FIG.5 gezeigten Bauweise ist dies bspw. auch in Art eines Stromwandlers bzw. Einwicklungs-Trafos (Engl, single-winding-transformer) realisierbar. Hierbei kann in jedem Modul 500A, 500B um den
Endbereich des Leitungsabschnitts 130 jeweils ein magnetisierbarer Ringkern, z.B. Ferritkern bestehend aus zwei Kernteilen, z.B. Ringhälften, angeordnet werden (nicht gezeigt). Mit dem Ringkern kann die Induktionsspule 520 in Art eines induktiven Stromwandlers bzw. Durchsteckwandlers als Sekundärspule Zusammenwirken, wobei der Leitungsabschnitt 130 im Idealschaltbild die (einzige) Primärwicklung darstellt. Auch auf diese Art kann eine Übertragung des Prüfsignals zwischen den Induktionsspulen 520 erzielt werden, die eine Überwachung des Zustands des Leitungsabschnitts 130 ermöglicht.
Eine induktive Kopplung, etwa gemäß FIG.5, ist grundsätzlich zu bevorzugen. Ein wesentlicher Vorteil der induktiven Kopplung besteht darin, dass die Module 500A, 500B ohne jegliche Veränderung bzw. ohne
Eingriff an der zu überwachenden Leitung angebracht werden können, durch einfaches umwickeln bzw. umgeben an den gewünschten Stellen beidseitig der Energieführungskette 1. Die induktive Kopplung, z.B. gemäß FIG.5, eignet sich insbesondere auch für spannungsführende Versorgungsleitungen, an denen aus Sicherheitsgründen Eingriffe eher unerwünscht sind.
Bei geeigneter Auswahl des Funk-IC 210 erlaubt die Erfindung eine preiswerte Lösung ohne komplexe Technik, die im Betrieb nutzbar ist, ohne die bestimmungsgemäße Nutzung der Leitung 13, z.B. übertragener Daten, zu stören. Das Prüfsignal 20 kann ggf. nur zur Prüfung von dessen Übertragungsqualität genutzt werden, d.h. muss insbesondere nicht zur eigentlichen Nachrichten- bzw. Informationsübertragung genutzt werden.
Insbesondere werden andererseits für die eigentliche Anwendung bestimmungsgemäße Signale der überwachten Leitung 13 selbst nicht eingesetzt zu Überwachungszecken. Weiterhin wird mit vergleichsweise geringer Leistung eine laufende ggf. kontinuierliche Überprüfung/Überwachung des Leitungszustands ermöglicht.
Es können zur Prüfung der Empfangsqualität im Empfänger-Modul verschiedene Metriken verwendet werden, sofern diese zum aktuellen Zustand des Leitungsabschnitts eine Aussagekraft haben.
Das erfindungsgemäße System bzw. Verfahren ermittelt Datenübertragungseigenschaften der Leitungen im laufenden Betrieb mittels HF-Technik. Damit besteht nicht mehr die Notwendigkeit zusätzlicher Leiter bzw. Messadern oder Opferadern. Die Module 200A, 200B bzw. 500A, 500B bilden Durchgangsadapter am Anfang und Ende des zu überwachenden Bereichs, insbesondere durch die Leitungsführungseinrichtung 1, 42. Eine kompakte Bauform der Module 200A, 200B bzw. 500A, 500B ermöglicht eine leichte nachträgliche Installation. Anschließend werden die erfassten Werte im laufenden Betrieb weiterverarbeitet. Bei beginnender Verschlechterung der Übertragungseigenschaften kann dies unmittelbar als Indikator für einen rechtzeitigen Leitungsaustausch gelten. Auch können Anlagenstillstände durch diese intelligente Zustandsüberwachung der gesamten, bewegten Leitung inklusive Steckverbinder verhindert werden.
PE/mb-tb April 2022
Anmelder: igus GmbH 51147 Köln
System zur Zustandsüberwachung einer Leitung in einer
Energieführungskette
Bezugszeichenliste
FIG.1
1 Leitungsführungseinrichtung (Energieführungskette)
2 bewegtes Trum
2A erstes Anschlussende
3 ruhendes Trum
3A zweites Anschlussende
4 Umlenkbogen
10 Überwachungsvorrichtung
100 Überwachungseinheit
13 Busleitung/Versorgungsleitung
15 erster Bereich (Kunden-Netz/-Bus)
16 zweiter Bereich (Kunden-Netz/-Bus)
200A erstes Modul
200B zweites Modul
FIG.2 und FIG.3A-3B
13 Leitung
13A, 13B Einzeladern (z.B. Twisted Pair)
20 Funksignal 23 Nutzsignal
130 überwachter Leitungsabschnitt 200A erstes Modul 200B zweites Modul
201, 202, 203 Anschlüsse (Buchsen, z.B. RJ-45).
204 Gehäuse (mit Abschirmung)
210 Funk-IC (z.B. LoRaWAN) 212 Antennen-Anschluss 220 Kopplungsschaltung 230 Durchlass-Schaltung 232 Filter 240 Steuereinheit (Mikroprozessor)
FIG.4
1 erste Energieführungskette (linear verfahrbar)
2 erstes Trum
3 zweites Trum
4 Umlenkbogen
40 Gelenkarmroboter
40A Basis
41 zweite Energieführungskette (räumlich auslenkbar)
42 Endeffektor
FIG.5
13 Leitung 130 überwachter Leitungsabschnitt
500A erstes Modul 500B zweites Modul 504A erste Halbschale 504B zweite Halbschale 520 Induktionsspule / Antenne

Claims

ANSPRÜCHE
1. Überwachungssystem zur Zustandsüberwachung einer Leitung, die durch eine Leitungsführungseinrichtung, insbesondere eine Energieführungskette, geführt ist, umfassend:
- eine verfahrbare Leitungsführungseinrichtung (1; 41) zum Führen einer Leitung zwischen einer ersten Anschlussstelle und einer dazu relativbeweglichen zweiten Anschlussstelle, wobei die Leitungsführungseinrichtung (1; 41) mindestens einen beweglichen Abschnitt aufweist und mindestens eine Leitung (13), welche mit einem zu überwachenden Leitungsabschnitt (130) durch die Leitungsführungseinrichtung (1; 41) geführt ist; und
- eine Überwachungsvorrichtung (10), die ein erstes Modul (200A) und ein zweites Modul (200B) aufweist, welche jeweils beiderseits des zu überwachenden Leitungsabschnitts vorgesehen sind; dadurch gekennzeichnet, dass
- die Module (200A, 200B) zusammenwirkend ausgeführt sind, um im laufenden Betrieb zumindest eine elektrische Übertragungseigenschaft des Leitungsabschnitts (13A; 13B) in Bezug auf ein vorbestimmtes Hochfrequenz(HF)-Signal zu ermitteln, und
- das erste Modul (200A) einen HF-Generator umfasst, der mit der zu überwachenden Leitung (13) gekoppelt ist, um ein vorbestimmtes HF-Signal als Prüfsignal, welches Signal vorzugsweise von der bestimmungsgemäßen Nutzung der zu überwachenden Leitung unabhängig ist, auf den Leitungsabschnitt (130) zu koppeln bzw. bringen; und
- das zweite Modul (200B) einen HF-Empfänger aufweist, welcher mit der zu überwachenden Leitung gekoppelt ist, um vom Leitungsabschnitt (130) das HF-Signal auszukoppeln bzw. zu empfangen, und eingerichtet ist, Eigenschaften des empfangenen HF-Signals auszuwerten, um mindestens einen die Übertragungsqualität über den Leitungsabschnitt (130) betreffenden Wert, insbesondere hinsichtlich der empfangenen Signalstärke bzw. Signaldämpfung, zu ermitteln.
2. Adapter-System zur Zustandsüberwachung einer Leitung im Betrieb, umfassend ein erstes Modul (200A) und ein zweites Modul (200B), welche jeweils adapterartig an einem ersten Ende bzw. an einem zweiten Ende eines zu überwachenden Leitungsabschnitts (130) anschließbar bzw. koppelbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass
- die Module (200A, 200B)zusammenwirkend ausgeführt sind, um im laufenden Betrieb mindestens eine elektrische
HF-(Hochfrequenz)-Übertragungseigenschaft des Leitungsabschnitts (130) in Bezug auf ein vorbestimmtes HF-Signal zu ermitteln, welches Signal vorzugsweise von der bestimmungsgemäßen Nutzung der zu überwachenden Leitung (13) unabhängig ist, und
- das erste Modul (200A) einen HF-Generator (210) umfasst, der mit der zu überwachenden Leitung (13) koppelbar ist, um ein vorbestimmtes HF-Signal, als Prüfsignal aufzubringen; und
- das zweite Modul (200B) einen HF-Empfänger (210) aufweist, welcher mit der zu überwachenden Leitung gekoppelt ist, um vom Leitungsabschnitt (130) das aufgebrachte HF-Signal zu empfangen, und eingerichtet ist, Eigenschaften des empfangenen HF-Signals auszuwerten, um mindestens einen die Übertragungsqualität über den Leitungsabschnitt betreffenden Wert, insbesondere hinsichtlich der empfangenen Signalstärke bzw. Signaldämpfung, zu ermitteln.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- dass das vorbestimmte HF-Signal (20) ein Funk- Datenübertragungssignal ist, und/oder
- dass HF-Generator und HF-Empfänger jeweils als Bestandteile eines jeweiligen Funk-Transceivers (210) ausgeführt sind.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass HF- Generator und HF-Empfänger jeweils als Bestandteile einer integrierten Schaltung, insbesondere eines Funk-ICs (210), ausgeführt sind, vorzugsweise als Bestandteile von in beiden Modulen (200A, 200B) baugleichen Funk-ICs (210).
5. System nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das zweite Modul (206B) eingerichtet, insbesondere der HF-Empfänger bzw. die Funk-IC(s) (210) vorkonfiguriert ist/sind, für eine Messung der Stärke des empfangenen HF- Signals (20), insbesondere für eine RSSI-Messung.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass HF-Generator und HF-Empfänger, insbesondere beide Funk-ICs (210), mittels einem bestimmungsgemäßen Antennen-Anschluss (212) mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt gekoppelt bzw. koppelbar sind.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Module (500A, 500B) eine Kopplungsschaltung umfassen zur induktiven Kopplung mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt, wobei die Kopplungsschaltung jeweils insbesondere eine Kopplungsspule (520) aufweist, welche
- um einen Endbereich des zu überwachenden Leitungsabschnitts (130) wickelbar bzw. gewickelt ist; oder
- um einen um einen Endbereich des zu überwachenden Leitungsabschnitts angeordneten bzw. anordenbaren magnetisierbaren Ringkern gewunden ist, um das Prüfsignal induktiv in den überwachenden Leitungsabschnitt einzukoppeln bzw. auszukoppeln und mit dem HF-Generator bzw. HF-Empfänger leitend verbunden ist.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Module (200A, 200B) eine Kopplungsschaltung (220) umfassen zur galvanischen Kopplung von HF-Generator bzw. HF-Empfänger mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt, wobei die Kopplungsschaltung insbesondere:
- ein erstes Filterglied, insbesondere mit auf das HF-Signal abgestimmter FilterCharakteristik;
- ein Umschaltglied zur wählbaren Kopplung mit unterschiedlichen Leitern der Leitung umfasst; und/oder
- ein Impedanz-Anpassungsglied umfasst.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere nach Anspruch 7 oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (200A, 200B) jeweils mindestens ein Filterglied (232) umfasst, welches die Übertragung des HF-Signals im Wesentlichen auf den zu überwachenden Leitungsabschnitt beschränkt.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine separate Auswerteeinheit (100) aufweist, welche Information zum Zustand der zu überwachenden Leitung (13) auf Grundlage des die Übertragungsqualität betreffenden Werts ermittelt, insbesondere den Wert mit vorgespeicherter Referenzinformation, vorzugsweise einem Toleranzbereich vergleicht; und/oder zumindest das zweite Modul (200B) über eine weitere Verbindung, insbesondere eine drahtgebundene Verbindung, mit einer übergeordneten Einheit bzw. der Auswerteeinheit (100) verbindbar bzw. verbunden sind.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (200A, 200B) eine Abschirmung (204) zur Reduzierung, vorzugsweise Vermeidung, von Funk-Abstrahlung aufweist, wobei die Abschirmung insbesondere durch zwei um einen Endbereich des zu überwachenden Leitungsabschnitts verschließbaren Halbschalen ausgeführt ist.
12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (200A, 200B; 500A, 500B) eine Einrichtung (520) zum Koppeln mit der zu überwachenden Leitung und/oder eine und eine Einrichtung (230) zum Durchschleifen der Leitung bzw. deren Einzelleiter (13A, 13B...) zwecks bestimmungsgemäßer Nutzung der zu überwachenden Leitung (13) während der Überwachung aufweist .
13. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung (220) des Moduls mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt als leitende Kopplung oder als berührungslose Kopplung, insbesondere induktive Kopplung, ausgeführt ist.
14. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul eine Steuereinheit (240), insbesondere eine programmierbare integrierte Schaltung, zur Steuerung des HF-Generators bzw. HF-Empfängers (210) aufweist.
15. Verwendung eines Systems zur Zustandsüberwachung einer Leitung im laufenden Betrieb, umfassend ein erstes Modul und ein zweites Modul, welche jeweils adapterartig an einem ersten Ende bzw. an einem zweiten Ende eines zu überwachenden Leitungsabschnitts vorgesehen sind, und, wobei
- die Module Zusammenwirken, um im laufenden Betrieb mindestens eine elektrische Übertragungseigenschaft des Leitungsabschnitts in Bezug auf ein vorbestimmtes HF-Signal zu ermitteln, welches von der bestimmungsgemäßen Nutzung der zu überwachenden Leitung unabhängig ist, und
- das erste Modul ein vorbestimmtes Funk-Signal als Prüfsignal auf den Leitungsabschnitt bringt bzw. einkoppelt; und
- das zweite Modul vom Leitungsabschnitt das Funk-Signal empfängt, und Eigenschaften des empfangenen Funk-Signals auswertet, um einen Indikatorwert betreffend die Übertragungsqualität, insbesondere die Signaldämpfung, des empfangenen Funksignals zu ermitteln, wobei dieser Indikatorwert, vorzugsweise an eine separate Überwachungseinheit weitergegeben, zur Auswertung des überwachten Leitungszustands genutzt wird.
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