WO2024099728A1 - Überwachungsgerät und verfahren zur überwachung des verschleisszustands einer elektrischen leitung - Google Patents

Überwachungsgerät und verfahren zur überwachung des verschleisszustands einer elektrischen leitung Download PDF

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WO2024099728A1
WO2024099728A1 PCT/EP2023/079077 EP2023079077W WO2024099728A1 WO 2024099728 A1 WO2024099728 A1 WO 2024099728A1 EP 2023079077 W EP2023079077 W EP 2023079077W WO 2024099728 A1 WO2024099728 A1 WO 2024099728A1
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WO
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line
display
monitoring
monitoring device
monitored
Prior art date
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PCT/EP2023/079077
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English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Habering
Original Assignee
Igus Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/58—Testing of lines, cables or conductors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/11—Locating faults in cables, transmission lines, or networks using pulse reflection methods

Definitions

  • the invention generally relates to a solution for condition monitoring of one or more electrical lines that are used to transmit data and/or electrical energy.
  • the invention particularly relates to wear condition monitoring of an electrical line that is guided within or through a dynamic or movable line guide device.
  • Dynamic cable routing devices such as energy guiding chains are used to guide at least one cable, e.g. a data cable or power cable, between two connection points, of which at least one is movable relative to the other, and are known per se.
  • the cables routed through them are subjected to heavy strain, among other things due to the typically high number of movement cycles.
  • the cables are subjected to dynamic stress during operation.
  • the cables are subject to unavoidable wear and are therefore at risk of failure as the number of movement cycles increases. This is why there is a need, particularly in the case of cables that are moved, to monitor the aging of the electrical cable caused by unavoidable wear.
  • the present generic surveillance systems or Monitoring devices are not actual measuring devices, as they are not primarily designed or intended for the precise quantitative determination of physical quantities. Rather, they are monitoring devices that are intended and set up to enable predictive maintenance in industrial applications, e.g. to prevent unavoidable failures and in this respect should in particular enable qualitative knowledge about a deteriorating line condition or state of wear.
  • Line failures can lead to operational interruptions due to failure of the supplied machine or system and the associated high costs.
  • Generic monitoring solutions are used to prevent such failures.
  • line quality monitoring is carried out indirectly via a representative, special measuring line or via measuring wires specially integrated into the line to be monitored, which are used exclusively for monitoring.
  • the solution from WO 2020/104491 Al does not require any separate measuring wires and is specifically designed for data transmission lines, e.g. ETHERNET lines.
  • This solution proposes using an informational quality feature of the data transmission, e.g. a protocol-inherent feature.
  • Another solution for determining the condition of an electrical line was proposed, for example, in EP 3 715 880 A1.
  • it is proposed to determine the condition of an electrical line by sending special measuring pulses to the line during operation, for which reflected signal components are then evaluated in order to identify an associated reflection point on the basis of which a conclusion about the condition of the electrical line can be drawn.
  • the measuring pulses are intended to are transmitted at time intervals between data packets of the useful signal.
  • EP 3 715 880 A1 proposes connecting the device to a centralized computer in which parts of the processes run or recorded data is stored.
  • WO 2012/061979 Al Another solution for line monitoring for monitoring the condition of an electrical line that is subject to movement loads was proposed in WO 2012/061979 Al.
  • the monitoring device proposed in WO 2012/061979 Al is based on a similar but simpler principle than in EP 3 715 880 Al. It comprises a test signal generator and a filter that extracts a test signal generated by the test signal, as well as an evaluation unit with at least one comparator that compares the test signal with a reference value in order to generate a warning signal when a threshold value is exceeded.
  • one object of the present invention is to propose a solution for monitoring the condition of at least one electrical line, which noticeably improves user-friendliness, especially for maintenance personnel.
  • the solution is intended to support maintenance that is as quick and effective as possible, especially predictive maintenance.
  • a device or apparatus for monitoring the wear condition of an electrical cable, in particular a cable that is guided through a dynamic or movable cable guide such as a cable chain.
  • the device or equipment for monitoring includes in particular:
  • - a signal unit which is designed and set up for the transmission, processing and/or evaluation of signals, whereby the signals are transmitted by an electrical line to be monitored, whereby the signals can in particular also be intended useful signals;
  • an evaluation unit which interacts with the signal unit and is designed and configured to determine at least one piece of information on the state of wear of the line to be monitored, in particular on the basis of transmission, processing and/or evaluation by the signal unit.
  • At least one interface for connection to the line, at least one interface, in particular a physical connection, is provided by means of which the signal unit can be connected to the line to be monitored.
  • the monitoring device is designed in a modular manner and has at least the evaluation unit, the signal unit and the interface combined in a module housing and that the monitoring device or module housing further has a display for the particularly graphic and/or alphanumeric representation of information.
  • the display can be used to show maintenance personnel on site or in the monitored system or machine information about the state of wear. For example, a maintenance note based on at least one item of status information can be displayed directly on the monitoring module or monitoring device without the need for a connection to another device, e.g. a portable computer or similar.
  • the monitoring device forms a self-sufficient module, at least after installation, possibly via a server, with regard to the necessary information for maintenance purposes, which operates independently, without a higher-level computer or the like. can display relevant maintenance information to the user. This increases user-friendliness, avoids delays in determining relevant information and provides redundancy if necessary, e.g. in the event of a failure of the connection to the higher-level computer.
  • the display is designed for pixel-formatted information representation, in particular as a TFT display, LC display and/or OLED display or the like, in order to be able to display more complex information of various types and in selectable formats or languages.
  • the display is controlled by the evaluation unit.
  • the evaluation unit can control the display in particular to display pixel-formatted image data and/or via a preferably serial IC interface, e.g. via I2C or the like.
  • a programmable integrated circuit is provided as the evaluation unit, in particular a microcontroller or microprocessor or the like, such as a DSP, FPGA, etc.
  • a microcontroller or microprocessor or the like such as a DSP, FPGA, etc.
  • the programmable, integrated circuit particularly preferably comprises a non-volatile memory, in particular for storing firmware and the like.
  • the signal unit can in turn comprise a data transmission transceiver, in particular an Ethernet transceiver, preferably with a TDR-based line diagnostic function, particularly if a data line is to be monitored.
  • Transceivers are commercially available which have TDR test functions for detecting errors during system installation, for example to check correct line terminations, lengths and other parameters.
  • TDR-based line diagnostic functions can be used advantageously to enable and/or support ongoing status monitoring.
  • the module is particularly the
  • the evaluation unit is preferably set up to detect a damaged area on the monitored line and to determine a distance to the detected damaged area and to display the determined distance on the display.
  • a TDR-based line diagnostic function as described in the introduction to EP 3 715 880 A1 can be used.
  • the module in particular the evaluation unit, is preferably set up to determine a transmission quality based on transmission, processing and/or evaluation by the signal unit and to display the determined transmission quality by means of the display.
  • an information quality feature of the data transmission can be used, preferably based on at least one protocol-inherent function, such as on the data link layer of the OSI model, as proposed in WO 2020/104491 Al.
  • the module in particular the evaluation unit, can preferably be set up to determine a cause of failure based on transmission, processing and/or evaluation by the signal unit and to use the display to show the impending or detected cause of failure. In this case, it can be determined, for example, whether the deterioration in the line quality is due to damage to the line, which line properties have changed or are due, for example, to end-side plug connectors that have deteriorated.
  • the monitoring device in particular the evaluation unit, comprises a web server and has an interface, preferably a wireless interface, in particular a radio interface, for communication with the web server.
  • the evaluation unit can preferably be set up for parameterization and/or for data exchange via the web server.
  • the firmware can also be updated or initialized with reference values from a database with line-specific parameters.
  • the type of representation on the display can also be selected, e.g. with regard to the content to be displayed. and/or its format, language, etc.
  • the monitoring device preferably has at least two physical line connections, in particular two control line or data line connections, such as RJ45 connections, DriveClique connections, M23 round plug connections or the like.
  • the signal unit can communicate or be connected to the connections via suitable interfaces, in particular ETHERNET interfaces, for the purpose of signal transmission, in particular data transmission.
  • the module or monitoring device can have a number of signal lights in addition to the display to indicate the condition or status, e.g. in the form of a traffic light display with regard to a good ("green”), a line status requiring maintenance ("orange” or “yellow”) and a critical or failed (“red”) line status, with the signal lights additionally arranged next to the display on or in the module housing.
  • signal lights then offer a control option to ensure that the module or monitoring device is functional and in operation.
  • the module housing has a front side, in particular a front side designed as a narrow side, on which the display is arranged, and a rear side with a fastening device, wherein the display preferably has a width:height ratio h 2:1 and is arranged, for example, with its longitudinal axis parallel to the length of the narrow side.
  • the module preferably has the fastening device on the back of the module housing in the form of a snap-on fastening for mounting on a DIN/top hat rail. It is also advantageous if the module housing is compact, e.g. essentially cuboid-shaped, and is particularly dimensioned for control cabinet installation, with the front preferably having dimensions of H x W 180mm x 60mm. so that a comparatively small width is taken up in the control cabinet.
  • the proposed solution is suitable for monitoring moving cables, in particular data cables, on or in industrial machines and systems during operation, i.e. during the intended use of the cable.
  • the proposed monitoring module is particularly suitable for use in an industrial system, in particular a system with an industrial robot, comprising an electrical cable to be monitored, a movable cable guide device, in particular a power chain, for guiding the cable between a first connection point and a second connection point that is movable relative to it, in particular on an industrial robot, and a module according to the invention or a monitoring device that can be connected to the electrical cable to be monitored.
  • the electrical cable to be monitored can in particular supply a device on the end effector or on the robot hand of the industrial robot. Due to the constantly increasing level of automation and the vulnerability of cables on robots, the proposed solution allows a noticeable acceleration and simplification of maintenance and/or targeted preventive maintenance, particularly in this application.
  • a method for monitoring the state of wear of an electrical line that is guided through a movable line guide device, in particular through an energy guide chain.
  • the proposed method uses a modular monitoring device that is connected to the line to be monitored and has at least one evaluation unit and one signal unit.
  • the modular monitoring device itself has a display and uses this display to show information on the wear condition of the line to be monitored.
  • the method and module can preferably be designed in such a way that the monitoring of the wear condition is carried out as real-time monitoring during the ongoing operation of the line to be monitored. is, in particular, by continuous monitoring of at least one data transmission property of the line to be monitored, wherein information on the wear condition of the line to be monitored is preferably displayed on the one hand by means of the display and on the other hand, in particular by the evaluation unit, is transmitted to a higher-level system via an interface, in particular for the purpose of initiating predictive maintenance.
  • a display of information on the wear status, in particular with maintenance instructions on the module and on a higher-level device, e.g. a central computer, allows for easier maintenance on site and, if necessary, an improvement in the planning or deployment of maintenance personnel.
  • the method and module can preferably be designed such that the monitoring of the wear state is carried out based on an informational quality feature of the data transmission, preferably based on at least one protocol-inherent function, e.g. at the level of the OSI data link layer as in WO 2020/104491 Al, and/or based on a TDR line diagnosis of the line to be monitored.
  • an informational quality feature of the data transmission preferably based on at least one protocol-inherent function, e.g. at the level of the OSI data link layer as in WO 2020/104491 Al, and/or based on a TDR line diagnosis of the line to be monitored.
  • the signal unit uses the TDR line diagnostic function to determine a distance to a detected or previously identified damage point and the determined distance is shown to the user on the module's display. This allows maintenance personnel to specifically replace the section of the line in which the impending defect was identified earlier and, if necessary, also specifically use a more robust line for further operation.
  • the modular monitoring device carries out an initial initialization, in which at least one reference value is stored for nominal data transmission properties or data transmission properties related to the new condition of the line to be monitored.
  • This at least one reference value can then be used by the modular monitoring device when monitoring the state of wear, in particular during operation, for the early detection of possible damage.
  • This enables an application-specific Monitoring, tailored to the type of cable used and intended cable position, etc., is simplified and time-consuming manual parameterization of the modular monitoring device is largely avoided.
  • the display can simplify initialization for the user by showing options for the type of line to be monitored and other parameters to be selected for setup purposes and displaying confirmation of the selection or parameterization after initialization.
  • the display can be used to show maintenance personnel in a monitoring device for monitoring several lines which of the several lines is at risk of a defect or has been detected.
  • FIG.l a schematic diagram in side view of a
  • FIG.2A-2B schematic views of a monitoring module according to the invention in front view and perspective view;
  • FIG.3 a schematic block diagram of a monitoring module according to the invention.
  • FIG.4 a side view of an industrial robot with a spatially deflectable energy chain, which can be equipped with a monitoring module according to FIG.2-3.
  • FIG.l shows a schematic energy guiding chain 1 as an example of a dynamic cable guiding device.
  • the energy guiding chain 1 serves for the protected guidance of Cables, hoses or similar lines, which are not shown in detail.
  • a moving strand 2 here the upper strand
  • a stationary strand 3 here the lower strand
  • the energy chain 1 forms a moving deflection bend 4 with a predetermined curvature.
  • the deflection bend 4 has a predetermined, minimum radius of curvature in particular and thus ensures that the permissible radii of curvature of the guided lines are not undercut.
  • the energy chain 1 typically forms an inner guide channel in which a number and type of lines are guided depending on the application.
  • FIG.1 shows, purely by way of example, a linearly and horizontally movable energy guiding chain 1.
  • the moving strand 2 ends at a first connection end 2A, e.g. in an end link that is attached to a driver of a moving machine part (not shown).
  • the stationary strand 3 ends at a second connection end 3A, e.g. in an end link that is attached to a fixed point on the machine or system.
  • the deflection bend 4 follows the movement of the moving connection end 2A at half the speed.
  • the design of the energy guiding chain 1 is not, however, crucial for the invention; for example, all energy guiding chains 1 known per se, made up of individual chain links that are pivotably connected to one another, are also possible, including, for example, spatially deflectable energy guiding chains as shown in FIG.4.
  • FIG.l schematically shows, as an essential aspect of the system generally designated 10, a modular monitoring device 11 as the first device, subsequently monitoring module 11 with an interface for data communication.
  • the monitoring module 11 communicates in particular with a further, second device 12 via its interface for data communication.
  • the devices 11, 12 are set up for data communication, in FIG.l for example according to the ETHERNET protocol or a protocol similar to or compatible with IEEE 802.3, such as PROFINET, and can thus exchange digital data with one another.
  • the interfaces of both devices 11, 12 are connected to one another via an ETHERNET data line 13, e.g. a standard CAT5 data cable with a twisted data line pair (twisted pair).
  • a longitudinal section of the data line 13 is guided and protected in the cable routing device or energy guiding chain 1, as illustrated in FIG. 1.
  • the monitoring module 11 comprises at least one signal unit and an evaluation unit, as explained below in FIG.3, which work together to determine information on the state of the line to be monitored, here e.g. the data line 13 itself, based on an information quality feature of the data connection between the devices 11, 12, in particular using the OSI data link layer.
  • a commercially available solution can be used which is suitable for packet-switched data transmission in accordance with the IP protocol and which, inherent in the protocol, e.g. using the OSI data link layer, provides a function for availability requests, such as an ICMP echo request or a PING message in accordance with the TCP/IP protocol or comparable protocol families.
  • the monitoring module 11 continuously checks the quality of the data connection, e.g. at regular intervals, based on the absence of corresponding responses, e.g. ECHO responses or PONG messages from the second device 12, or based on changes in the properties of these responses compared to a reference response.
  • the monitoring module 11 is equipped with a suitable functionality in terms of software and also has a software diagnostic function that continuously checks the quality feature in question.
  • the determined number of packet losses can be used as a quality feature in particular, which typically represents an output value of an ICMP echo request or the PING function. If the number of packet losses rises above a predetermined number, this indicates in particular wear or interruption of the data line 13 caused by wear or malfunction.
  • any protocol-compatible network device or network component can be used as the second device 12, which supports the selected protocol function, such as availability requests, e.g. according to the TCP/IP protocol, or is at least suitable for sending confirmations of receipt to the first device if, for example, a field bus protocol such as CAN bus, EIA-485 or the like is used instead of an ETHERNET data connection.
  • the monitoring module 11 can, for example, monitor whether an confirmation of receipt is received from the second device 12 for each request and also issues a warning or error message when a predetermined error threshold is reached.
  • the devices 11, 12 of the monitoring device 10 do not cause any significant impairment of the communication between a first area 15 of the data network or the data bus and a second area 16 of the data network or the data bus.
  • An application-specific device 12 that is already provided in the second area 16 as part of the machine or system can be used as the second device 12 that interacts with the monitoring module 11.
  • the additional device 12 can, for example, be inherently configured to respond to an ECHO request or to confirm receipt of addressed bus data. This means that no special second device is required.
  • FIG.2A-2B and FIG.3 an embodiment of the monitoring module 11 according to the invention is described in more detail below.
  • FIG.2A-2B show schematic views of the housing of the monitoring module 11.
  • the monitoring module comprises as an essential feature an integrated display 20, e.g. an OLED display, for displaying graphic information, which is provided on the narrow front side of the module housing 21 of the monitoring module.
  • the module housing 21 has compact dimensions, e.g. HxWxD ⁇ 180mm x 60mm x 240mm, and is roughly cuboid-shaped for switchboard installation (FIG.2B).
  • the module housing 21 On the front of the module housing 21, further status displays in the form of signal lights 23A, 23B, 23C are provided for the user, which, for example, show the status of the monitored line(s) according to a traffic light principle, so that when several monitoring modules 11 are used, it can be immediately recognized where an early detection or error is indicated.
  • the module housing 21 For connection to the line, e.g. the ETHERNET data line 13, the module housing 21 has suitable control line or data line connections 24, e.g. RJ45 sockets.
  • An essential functionality of the monitoring module 11 is the direct display of information via the display 20 directly on the monitoring module 11 or module housing 21.
  • FIG.3 illustrates an example of a suitable circuit layout for implementing the monitoring module 11.
  • the display 20 is controlled by a programmable microprocessor 30 via a suitable IC bus, e.g. an I2C bus, for displaying pixel-formatted image data.
  • the microprocessor 30 serves as an evaluation unit and is connected to and interacts with a signal unit 32, e.g. a COTS dual-port ETHERNET transceiver.
  • the signal unit 32 is set up, here e.g. as an ETHERNET transceiver, for data transmission according to IEEE 802.3 (or according to a similar protocol) and has an integrated line diagnostic function, e.g. a TDR line diagnostic function.
  • the microprocessor 30 can thus determine information on the state of wear of the line 12 to be monitored on the basis of the line diagnostic function of the signal unit 32.
  • the signal unit 32 is connected to the line 13 to be monitored via the connections 24A, 24B. Furthermore, a diagnostic connection 24C is provided, which enables communication with the microprocessor 30 or its application-specific
  • the microprocessor 30 also has a
  • Input 33 for one or more manual input devices e.g. control buttons on the module housing 21 (not shown) and a
  • Output 34 is used to control the signal lights 23A, 23B, 23C, among others.
  • the microprocessor 30 in FIG.3 has an integrated web server 35 and a radio interface, e.g. a WLAN interface 36, for communication with the web server 35.
  • the microprocessor 30 is programmed for the purpose of parameterization and/or for the purpose of data exchange via the web server 35 by or with a higher-level system.
  • the microprocessor 30 can be programmed to
  • the modular monitoring device 11 can display on-site information on the wear status of the line(s) to be monitored in a user-friendly manner.
  • the monitoring of the wear condition is carried out as real-time monitoring during the ongoing operation of the line 13 to be monitored. This can be done in particular by continuously monitoring at least one data transmission property. Determined information on the wear condition of the line 13 to be monitored can be displayed on the one hand by means of the display 20 and also transmitted in parallel or on the other hand, e.g. via the web server 35 and the radio interface 36 to a higher-level system. which, for example, triggers predictive maintenance.
  • the architecture in FIG.3 further enables the modular monitoring device 11 to perform an initial initialization in which at least one reference value corresponds to nominal signal or voltage values.
  • Data transmission properties of the line to be monitored are stored in a memory of the microprocessor 30.
  • the microprocessor 30 can then use this reference value when monitoring the state of wear, particularly during operation, for the early detection of possible damage. For example, if the transmission properties begin to deteriorate, this can be used immediately as an indicator for timely line replacement in order to avoid unplanned system or machine downtimes.
  • Detailed information on the detected deterioration in the transmission properties and, for example, the distance to the affected line section can be shown directly on the monitoring module 20 using the display 20. In this way, maintenance work can be carried out quickly and in a targeted manner on the affected line segment.
  • the aforementioned information can also be transmitted to a higher-level system in the sense of an IoT solution, e.g. via the radio interface 36.
  • FIG.4 shows an articulated arm robot 40 as an example application for a monitoring system 10 with the monitoring module 11 from FIGS.2-3, e.g. for the fully automatic handling of workpieces in a production process.
  • a first linearly movable energy guide chain 1 leads to a rotary joint from which a spatially deflectable second energy guide chain 41 (e.g. according to WO 2004/093279 A1) leads 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 designed for a common fieldbus protocol, the ETHERNET protocol or e.g. the PROFINET protocol are suitable and which can include the communicating second device 12.
  • the address of these field devices or network devices is known in advance or can be predetermined or programmed.
  • at least one or more data lines that are guided through the energy guide chains 1, 41 can be monitored for their state of wear. All that is required for this is an inexpensive module 11, as shown in FIG.2-3.
  • the proposed monitoring system for monitoring the state of the line thus offers an inexpensive solution to support predictive maintenance and/or to reduce or avoid downtime.
  • the invention allows, among other things, more vulnerable and possibly also costly data lines, special lines or the like to be used to the maximum in terms of their possible service life, i.e. to avoid an unnecessarily early replacement.
  • FIG.1 A first figure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät (11) und ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustands einer elektrischen Leitung (13), die durch eine bewegliche Leitungsführungseinrichtung, insbesondere durch eine Energieführungskette (1), geführt ist. Erfindungsgemäß ist das Überwachungsgerät (11) modular ausgeführt, wobei zumindest eine Auswerteeinheit (30), eine Signaleinheit (32) und eine Schnittstelle (24A, 24B) in einem Modulgehäuse (21) integriert sind und das Modulgehäuse (21) ein Display (20) zur grafischen und/oder alphanumerischen Informationsdarstellung aufweist, welche am bzw. im Modulgehäuse (21) angeordnet ist zum Anzeigen von Information zum Verschleißzustand.

Description

Überwachungsgerät und Verfahren zur Überwachung des
Verschleißzustands einer elektrischen Leitung
Die Erfindung betrifft allgemein eine Lösung zur Zustandsüberwachung (Engl. : condition monitoring) einer oder mehrerer elektrischer Leitungen, die zur Übertragung von Daten und/oder elektrischer Energie dienen. Die Erfindung betrifft insbesondere die Überwachung des Verschleiß zustands (Engl. : wear condition monitoring) einer elektrischen Leitung, die innerhalb einer bzw. durch eine dynamische bzw. bewegliche Leitungsführungseinrichtung geführt wird.
Dynamische Leitungsführungseinrichtungen wie z.B. Energieführungsketten dienen zum Führen mindestens einer Leitung z.B. eines Datenkabels oder Energiekabels zwischen zwei Anschlussstellen, von denen mindestens eine zur anderen relativ beweglich ist und sind an sich bekannt.
Die darin geführten Leitungen werden u.a. bedingt durch die typisch hohe Anzahl an Bewegungszyklen stark beansprucht.
Ungeachtet der Bauart der Leitungsführungseinrichtung bzw. Energieführungskette, werden die geführten Leitungen im Betrieb dynamisch beansprucht. Die Leitungen unterliegen unvermeidbarem Verschleiß und werden daher mit steigender Anzahl gefahrener Bewegungs zyklen ausfallgefährdet. Deshalb besteht gerade bei beweglich geführten Leitungen ein Bedarf, den durch unvermeidbaren Verschleiß bedingten Alterungszustands der elektrischen Leitung zu überwachen .
Die vorliegend gattungsgemäßen Überwachungssysteme bzw. Überwachungsgeräte sind keine eigentlichen Messgeräte, da sie nicht primär auf eine messtechnisch genaue quantitative Ermittlung von physikalischen Größen ausgelegt sind bzw. hierfür nicht bestimmt sind. Vielmehr handelt es sich um Überwachungseinrichtungen, welche dazu bestimmt und eingerichtet sind, in industriellen Anwendungen vorausschauende Wartung (Englisch: predictive maintenance) zu ermöglichen, z.B. um unvermeidbare Ausfälle vorzubeugen und insoweit insbesondere eine qualitative Erkenntnis zu einem sich verschlechternden Leitungszustand bzw. Verschleiß zustand ermöglichen sollen.
Ausfälle von Leitungen können zu Betriebsunterbrechungen durch Ausfall der versorgten Maschine bzw. Anlage und damit verbundenen hohen Kosten führen. Zur Vorbeugung solcher Ausfälle dienen gattungsgemäße Überwachungslösungen .
Lösungen zur Zustandsüberwachung einer oder mehrerer elektrischer Leitungen hat die Anmelderin selbst bereits in WO 2018/196949 Al und in WO 2020/104491 Al vorgeschlagen.
Bei der Lösung nach WO 2018/196949 Al erfolgt eine Leitungsqualitätsüberwachung indirekt über eine repräsentative, spezielle Messleitung bzw. über eigens in die zu überwachende Leitung integrierte Messadern, welche ausschließlich der Überwachung dienen. Dadurch kann besonders einfache Technik z.B. eine Widerstands- oder Leitwertüberwachung genutzt werden.
Die Lösung aus WO 2020/104491 Al erfordert keine gesonderte Messadern und ist speziell für Leitungen zur Datenübertragung z.B. ETHERNET-Leitungen bestimmt. Bei dieser Lösung wird vorgeschlagen, ein inf ormatisches Qualitätsmerkmal der Datenübertragung, z.B. ein protokollinhärentes Merkmal, zu nutzen.
Eine weitere Lösung zur Ermittlung des Zustands einer elektrischen Leitung wurde beispielsweise in EP 3 715 880 Al vorgeschlagen. Hierin wird zur Ermittlung des Zustands einer elektrischen Leitung vorgeschlagen, während des Nutzbetriebs besondere Messimpulse auf die Leitung zu geben, zu denen dann reflektierte Signalanteile ausgewertet werden, um eine zugehörige Reflexionsstelle zu erkennen aufgrund welcher ein Rückschluss über den Zustand der elektrischen Leitung bestimmt werden soll. Die Messimpulse sollen dabei in zeitlichen Intervallen zwischen Datenpaketen des Nutzsignals aufgegeben werden.
Alle vorgenannten Lösungen erlauben grundsätzlich eine Überwachung im laufenden Betrieb der Leitung. Typischerweise - z.B. bedingt durch die industrielle Anwendungsumgebung - erfolgt die Auswertung, zumindest jedoch die Informationsübermittlung an den Systemnutzer, an einer von der zu überwachenden Leitung bzw. Anwendung entfernten Stelle, z.B. an einem Anlagensteuerpult, einem Prozessleitstand oder einer ähnlichen zentralen Stelle. So schlägt z.B. EP 3 715 880 Al vor, die Vorrichtung mit einem zentralisierten Rechner zu verbinden, in dem Teile der Prozesse ablaufen bzw. erfasste Daten abgespeichert werden.
Eine weitere Lösung zur Leitungsüberwachung zur Zustandsüberwachung einer elektrischen Leitung, die Bewegungsbelastungen ausgesetzt ist, wurde in WO 2012/061979 Al vorgeschlagen. Das in WO 2012/061979 Al vorgeschlagene Überwachungsgerät beruht auf einem ähnlichen, aber einfacheren Prinzip als in EP 3 715 880 Al. Es umfasst einen Testsignalgenerator und einen Filter, welches ein vom Testsignal erzeugtes Prüfsignal extrahiert sowie eine Auswerteeinheit mit mindestens einem Vergleicher, welcher das Prüfsignal mit einem Referenzwert vergleicht, um bei Überschreiten eines Schwellwerts ein Warnsignal zu erzeugen.
Ausgehend vom vorbekannten Stand der Technik liegt mithin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Lösung zur Zustandsüberwachung mindestens einer elektrischen Leitung vorzuschlagen, welche die Nutzerfreundlichkeit insbesondere für das Wartungspersonal spürbar verbessert. Die Lösung soll dabei insbesondere eine möglichst schnelle und zielführende Wartung insbesondere vorausschauende Wartung unterstützen.
Dies wird erreicht durch ein Überwachungsgerät nach Anspruch 1, ein Überwachungssystem nach Anspruch 10 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 11. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung bzw. ein Gerät zur Überwachung des Verschleißzustands einer elektrischen Leitung insbesondere einer Leitung, die durch eine dynamische bzw. bewegliche Leitungsführung wie z.B. durch eine Energieführungskette geführt ist. Die Vorrichtung bzw. das Gerät zur Überwachung umfasst dabei insbesondere :
- eine Signaleinheit, die zur Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung von Signalen bestimmt und eingerichtet ist, wobei die Signale von einer zu überwachenden elektrischen Leitung übertragen werden, wobei die Signale insbesondere auch bestimmungsgemäße Nutzsignale sein können; und
- eine Auswerteeinheit, welche mit der Signaleinheit zusammenwirkt und bestimmt und eingerichtet ist um insbesondere auf Grundlage von Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung durch die Signaleinheit mindestens eine Information zum Verschleißzustand der zu überwachenden Leitung zu ermitteln.
Zur Verbindung mit der Leitung ist insbesondere mindestens eine Schnittstelle, insbesondere ein physischer Anschluss vorgesehen, mittels welcher die Signaleinheit mit der zu überwachenden Leitung verbindbar ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Überwachungsgerät modular ausgeführt ist und zumindest die Auswerteeinheit, die Signaleinheit und die Schnittstelle in einem Modulgehäuse vereint aufweist und dass das Überwachungsgerät bzw. Modulgehäuse weiterhin ein Display zur insbesondere grafischen und/oder alphanumerischen Informationsdarstellung aufweist.
Anhand des Displays können dem Wartungspersonal vor Ort an oder in der überwachten Anlage bzw. Maschine Informationen zum Verschleißzustand angezeigt werden. Hierbei kann z.B. ein auf der mindestens einen Zustandsinformation beruhender Wartungshinweises unmittelbar am Überwachungsmodul bzw. Überwachungsgerät angezeigt werden, ohne dass eine Verbindung mit einem weiteren Gerät z.B. einem tragbaren Rechner oder dgl . erforderlich ist.
Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass das Überwachungsgerät ein, zumindest nach Einrichtung ggf . über Server, bzgl. der notwendigen Informationen für Wartungszwecke autarkes Modul bildet, das eigenständig, ohne übergeordneten Rechner oder dgl. , dem Nutzer relevante Wartungsinformation anzeigen kann. Dies erhöht die Nutzerf reundlichkeit , vermeidet Verzögerung zur Ermittlung relevanter Information und bietet ggf. eine Redundanz, z.B. im Falle eines Ausfalls der Verbindung zum übergeordneten Rechner .
Besonders bevorzugt ist das Display zur pixelformatierten Informationsdarstellung ausgeführt, insbesondere als TFT-Display, LC-Display und/oder OLED-Display oder dgl . , um komplexere Informationen unterschiedlichster Art und in wählbaren Formaten oder Sprachen anzeigen zu können.
In bevorzugter Ausführungsform wird das Display von der Auswerteeinheit gesteuert. Dabei kann die Auswerteeinheit das Display insbesondere zur Darstellung pixelformatierter Bilddaten und/oder über eine vorzugsweise serielle IC-Schnittstelle, z.B. über I2C oder dgl. ansteuern.
In besonders bevorzugter Kombination mit dem Display wird als Auswerteeinheit eine programmierbare integrierte Schaltung vorgesehen, insbesondere ein Mikrocontroller bzw. Mikroprozessor oder dgl, wie z.B. ein DSP, FPGA usw. Dies erlaubt hohe Flexibilität hinsichtlich der Grundeinstellungen bzw. das Aufspielen wahlweiser Firmware zur Überwachung unterschiedlicher Leitungsarten und entsprechend angepasster bzw. wählbarer Informationsanzeige am Display. Besonders bevorzugt umfasst die programmierbare, integrierte Schaltung einen nichtflüchtigen Speicher insbesondere zur Speicherung von Firmware und dgl.
Die Signaleinheit wiederum kann, insbesondere falls eine Datenleitung zu überwachen ist, einen Datenübertragungs- Transceiver insbesondere einen Ethernet-Transceiver vorzugsweise mit einer TDR-basierten Leitungsdiagnosefunktion, umfassen. Im Handel sind Transceiver erhältlich, welche zur Erkennung von Fehlern bei der Systeminstallation TDR-Prüf funktionen aufweisen, etwa um korrekte Leitungsabschlüsse, -längen und sonstige Parameter zu prüfen. Solche TDR-basierten Leitungsdiagnosefunktion können vorteilhaft ausgenutzt werden, um eine laufende Zustandsüberwachung zu ermöglichen und/oder zu unterstützen.
In einer Weiterbildung ist das Modul insbesondere die Auswerteeinheit vorzugsweise eingerichtet, um eine Schadstelle der überwachten Leitung zu erkennen und einen Abstand zur erkannten Schadstelle zu ermitteln und mittels des Displays den ermittelten Abstand anzuzeigen. Hierzu kann z.B. eine TDR-basierte Leitungsdiagnosefunktion wie einleitend in EP 3 715 880 Al beschrieben genutzt werden.
Ergänzend oder alternativ ist das Modul insbesondere die Auswerteeinheit vorzugsweise eingerichtet, um eine Übertragungsgüte auf Grundlage von Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung durch die Signaleinheit zu ermitteln und mittels des Displays die ermittelten Übertragungsgüte anzuzeigen. Hierzu kann beispielsweise ein inf ormatisches Qualitätsmerkmal der Datenübertragung, vorzugsweise anhand mindestens einer protokollinhärenten Funktion, wie z.B. auf der Datensicherungsschicht des OSI-Modells genutzt werden wie in WO 2020/104491 Al vorgeschlagen.
Weiterhin kann das Modulinsbesondere die Auswerteeinheit, vorzugsweise eingerichtet sein, um eine Ausfallursache auf Grundlage von Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung durch die Signaleinheit zu ermitteln und mittels des Displays die drohende oder erkannte Ausfallursache anzuzeigen. Dabei kann z.B. erkannt werden, ob die Verschlechterung der Leitungsqualität sich aus Beschädigung der Leitung ergibt, welche Leitungseigenschaften an sich verändert sind oder z.B. in endseitigen Steckerverbindern bedingt liegt, die sich verschlechtert haben.
In bevorzugter Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Überwachungsgerät, insbesondere die Auswerteeinheit, einen Webserver umfasst und eine Schnittstelle, vorzugsweise eine Drahtlos-Schnittstelle, insbesondere Funk-Schnittstelle, zur Kommunikation mit dem Webserver aufweist. Dabei kann die Auswerteeinheit vorzugsweise eingerichtet sein zur Parametrierung und/oder zwecks Datenaustausch über den Webserver. So kann z.B. auch eine Aktualisierung der Firmware erfolgen oder eine Initialisierung mit Referenzwerten aus einer Datenbank mit leitungsspezifischen Parametern erfolgen. Hierbei kann insbesondere auch die Art der Darstellung am Display wählbar eingestellt werden z.B. hinsichtlich des anzuzeigenden Inhalts und/oder dessen Format, dessen Sprache usw.
Für die Überwachung einer oder mehrerer Datenleitungen hat das Überwachungsgerät bevorzugt mindestens zwei physische Leitungsanschlüsse, insbesondere zwei Steuerleitungs- bzw. Datenleitungsanschlüsse, wie z.B. RJ45-Anschlüsse , DriveClique- Anschlüsse, M23-Rundstecker-Anschlüsse oder dgl . Hierbei kann die Signaleinheit über geeignete Schnittstellen, insbesondere ETHERNET-Schnittstellen, mit den Anschlüssen zwecks Signalübertragung, insbesondere Datenübertragung, kommunizieren bzw. verbunden sein.
Zur gesteigerten Nutzerf reundlichkeit kann das Modul bzw. Überwachungsgerät zusätzlich zum Display eine Anzahl Signalleuchten zur Zustands- bzw. Statusanzeige aufweisen, z.B. in Art einer Ampelanzeige hinsichtlich eines guten („grün") , eines wartungsreifen („orange" bzw. „gelb") und kritischen bzw. ausgefallenen („rot") Leitungszustands, wobei die Signalleuchten ergänzend neben dem Display am bzw. im Modulgehäuse angeordnet sind. Derartige Signalleuchten bieten dann ggf. eine Kontrollmöglichkeit, dahingehend dass das Modul bzw. Überwachungsgerät funktionsfähig in Betrieb ist.
In einer praktischen Ausführungsform hat das Modulgehäuse eine Frontseite, insbesondere eine als Schmalseite ausgeführte Frontseite, an welcher das Display angeordnet ist, und eine Rückseite mit einer Befestigungsvorrichtung aufweist, wobei das Display vorzugsweise ein Verhältnis Breite :Höhe h 2:1 aufweist und z.B. mit seiner Längsachse parallel zur Länge der Schmalseite angeordnet ist. Dies erlaubt u.a. eine kompakte Bauweise.
Für industrielle Anwendungen besonders vorteilhaft ist eine Montage des Moduls in einem Schaltschrank oder dgl. , wie bei Industrieanlagen bzw. -maschinen üblich. Dazu hat das Modul bevorzugt die Befestigungsvorrichtung an der Rückseite des Modulgehäuses in Form einer Rastbefestigung zur Montage an einer DIN-/Hutschiene . Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn das Modulgehäuse kompakt, z.B. im wesentlichen quaderförmig, ausgeführt und insbesondere zur Schaltschrankmontage dimensioniert ist, wobei die Frontseite vorzugsweise Abmessungen mit H x B 180mm x 60mm aufweist sodass eine vergleichsweise geringer Breite im Schaltschrank eingenommen wird.
Die vorgeschlagene Lösung ist zur Überwachung im laufenden Betrieb von bewegten Leitungen, insbesondere Datenleitungen, an oder in industriellen Maschinen und Anlagen geeignet, d.h. während der bestimmungsgemäßen Nutzung der Leitung. Das vorgeschlagene Überwachungsmodul eignet sich insbesondere zur Anwendung in einem industriellen System, insbesondere System mit einem Industrieroboter, umfassend eine zu überwachende elektrische Leitung, eine bewegliche Leitungsführungseinrichtung, insbesondere Energieführungskette, zum Führen der Leitung zwischen einer ersten Anschlussstelle und einer dazu relativbeweglichen zweiten Anschlussstelle, insbesondere an einem Industrieroboter, sowie ein erfindungsgemäßes Modul bzw. mit der zu überwachenden elektrischen Leitung verbindbares Überwachungsgerät. Hierbei kann die zu überwachende elektrische Leitung insbesondere eine Vorrichtung am Endeffektor bzw. an der Roboterhand des Industrieroboters versorgen. Aufgrund des stetig zunehmenden Automatisierungsgrades und der Anfälligkeit von Leitungen an Robotern erlaubt die vorgeschlagene Lösung insbesondere in dieser Anwendung eine spürbare Beschleunigung und Vereinfachung der Wartung und/oder gezielte präventive Wartung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustands einer elektrischen Leitung die durch eine bewegliche Leitungsführungseinrichtung, insbesondere durch eine Energieführungskette, geführt ist, vorgeschlagen. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird ein modulares Überwachungsgeräts genutzt, das mit der zu überwachenden Leitung verbunden ist und zumindest eine Auswerteeinheit und eine Signaleinheit aufweist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagenen, dass das modulare Überwachungsgerät selbst ein Display aufweist und mit diesem Display Information zum Verschleißzustand der zu überwachenden Leitung anzeigt.
Verfahren und Modul können bevorzugt so ausgeführt sein, dass die Überwachung des Verschleißzustands als Echtzeitüberwachung während des laufenden Betriebs der zu überwachenden Leitung ausgeführt wird, insbesondere durch fortwährende Überwachung von mindestens einer Datenübertragungseigenschaft der zu überwachenden Leitung, wobei eine Information zum Verschleiß zustand der zu überwachenden Leitung vorzugsweise einerseits mittels des Displays anzeigt wird und andererseits, insbesondere von der Auswerteeinheit, über eine Schnittstelle an ein übergeordnetes System übermittelt wird, insbesondere zwecks Veranlassung prädiktiver Wartung.
Eine Anzeige der Information zum Verschleiß zustand, insbesondere mit Wartungshinweisen am Modul und an einer übergeordneten Einrichtung z.B. einem Zentralrechner erlaubt eine Wartungserleichterung vor Ort und ggf . eine Verbesserung bei Planung bzw. Einsatz des Wartungspersonal.
Verfahren und Modul können bevorzugt so ausgeführt sein, dass die Überwachung des Verschleißzustands durchgeführt wird basierend auf einem inf ormatischen Qualitätsmerkmal der Datenübertragung, vorzugsweise anhand mindestens einer protokollinhärenten Funktion, z.B. auf Ebene der OSI-Datensicherungsschicht wie in WO 2020/104491 Al, und/oder basierend auf einer TDR- Leitungsdiagnose der zu überwachenden Leitung.
Besonders bevorzugt wird insbesondere durch die Signaleinheit mittels TDR-Leitungsdiagnosef unktion, ein Abstand zu einer ermittelten bzw. f rüherkannten Schadstelle bestimmt und dem Nutzer am Display des Moduls der ermittelte Abstand mittels des Displays angezeigt. So kann das Wartungspersonal zielgerichtet denjenigen Abschnitt der Leitung austauschen, in welchem der drohende Defekt früherkannt wurde und ggf. hier auch gezielt eine robustere Leitung für den weiteren Betrieb einsetzen.
Vorzugsweise führt das modulare Überwachungsgerät eine anfängliche Initialisierung durch, bei welcher mindestens ein Referenzwert zu nominalen bzw. auf den neuwertigen Zustand bezogenen Datenübertragungseigenschaften der zu überwachenden Leitung eingespeichert werden. Dieser mindestens eine Referenzwert kann durch das modulare Überwachungsgerät anschließend bei der Überwachung des Verschleißzustands, insbesondere während des laufenden Betriebs, zur Früherkennung möglicher Schadstellen herangezogen werden. Hierdurch wird eine anwendungsspezifische Überwachung, abgestimmt auf genutzten Leitungstyp und vorgesehene Leitungsläge usw. vereinfacht und eine aufwendige manuelle Parametrierung des modularen Überwachungsgerät weitgehend vermieden .
Die vorgeschlagene Lösung bietet diverse weitere Vorteile. So kann das Display z.B. dem Nutzer die Initialisierung vereinfachen indem es zwecks Einrichtung Auswahlmöglichkeiten zum Typ der zu überwachenden Leitung und andere auszuwählende Parameter anzeigt und eine Bestätigung der Auswahl bzw. Parametrierung nach Initialisierung anzeigt. Weiterhin kann das Display genutzt werden um bei einem Überwachungsgerät zur Überwachung mehrerer Leitungen dem Wartungspersonal anzuzeigen an welcher der mehreren Leitungen ein Defekt droht bzw. erkannt wurde.
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 Prinzipskizze in Seitenansicht einer
Energieführungskette mit einem Überwachungssystem wie allgemein in WO 2020/104491 Al beschrieben, in welchem ein erfindungsgemäßes Überwachungsmodul eingesetzt werden kann;
FIG.2A-2B: schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Überwachungsmoduls in Frontansicht und perspektivischer Ansicht;
FIG.3: ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Überwachungsmoduls; und
FIG.4: eine Seitenansicht eines Industrieroboters mit einer räumlich auslenkbaren Energieführungskette, die mit einem Überwachungsmodul gemäß FIG.2-3 ausgerüstet werden kann.
In FIG.l zeigt als Beispiel einer dynamischen Leitungsführungseinrichtung schematisch eine Energieführungskette 1. Die Energieführungskette 1 dient zur geschützten Führung von Kabeln, Schläuchen oder ähnlichen Leitungen, die nicht näher gezeigt sind. 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 insbesondere einen vorgegebenen, minimalen Krümmungsradius und 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.
FIG.l zeigt rein beispielhaft eine linear und horizontal verfahrbare Energieführungskette 1. 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. Der Umlenkbogen 4 folgt mit halber Geschwindigkeit der Bewegung des fahrenden Anschlussendes 2A. Die Bauweise der Energieführungskette 1 ist jedoch nicht entscheidend für die Erfindung, es kommen z.B. alle an sich bekannten Energieführungsketten 1, aus einzelnen schwenkbar miteinander verbundenen Kettengliedern in Betracht, auch z.B. räumlich auslenkbare Energieführungsketten wie in FIG.4 gezeigt .
FIG.l zeigt schematisch als einen wesentlichen Aspekt des allgemein mit 10 bezeichneten Systems, als erstes Gerät ein modulares Überwachungsgerät 11, nachfolgend Überwachungsmodul 11 mit einer Schnittstelle zur Datenkommunikation. Das Überwachungsmodul 11 kommuniziert insbesondere mit einem weiteren, zweiten Gerät 12 über dessen einer Schnittstelle zur Datenkommunikation. Die Geräte 11, 12 sind im gezeigten Beispiel zur Datenkommunikation, in FIG.l bspw. gemäß ETHERNET-Protokoll bzw. einem zu IEEE 802.3 ähnlichen oder kompatiblen Protokoll, wie z.B. PROFINET, eingerichtet und können somit digitale Daten miteinander austauschen. Die Schnittstellen beider Geräte 11, 12 sind dazu über eine ETHERNET-Datenleitung 13, z.B. ein gängiges CAT5-Datenkabel mit einem verdrillten Datenleitungspaar (twisted pair) , verbunden. Ein Längsabschnitt der Datenleitung 13 ist dabei, wie FIG.l veranschaulicht, in der Leitungsführungseinrichtung bzw. Energieführungskette 1 geführt und geschützt.
Das Überwachungsmodul 11 umfasst neben der ETHERNET-Schnittstelle zur Datenleitung 13 zumindest eine Signaleinheit und eine Auswerteeinheit, wie weiter unten zu FIG.3 erläutert, die Zusammenwirken um Information zum Zustand der zu überwachenden Leitung, hier z.B. der Datenleitung 13 selbst, basierend auf einem inf ormatischen Qualitätsmerkmal der Datenverbindung zwischen den Geräten 11, 12 zu ermitteln, insbesondere unter Nutzung der OSI- Datensicherungsschicht.
Zur inf ormatischen Prüfung des Qualitätsmerkmals der Datenverbindung zwischen den Geräten 11, 12 kann dabei eine handelsübliche Lösung genutzt werden die zur paketvermittelten Datenübertragung gemäß IP-Protokoll geeignet ist und protokollinhärent, z.B. unter Nutzung der OSI- Datensicherungsschicht, etwas eine Funktion für Erreichbarkeitsanfragen, wie etwa ein ICMP-Echo-Request bzw. eine PING-Nachricht gemäß TCP/IP-Protokoll oder vergleichbaren Protokollfamilien bereitstellt.
Das Überwachungsmodul 11 prüft laufend, z.B. in regelmäßigen Zeitabständen, die Qualität der Datenverbindung anhand des Ausbleibens entsprechender Antworten, z.B. ECHO-Antworten bzw. PONG-Nachricht vom zweiten Gerät 12, oder aber anhand von Veränderungen in den Eigenschaften dieser Antworten gegenüber einer Referenzantwort. Hierzu ist das Überwachungsmodul 11 softwaremäßig mit einer geeigneten Funktionalität ausgestattet und hat weiterhin eine softwaremäßige Diagnosefunktion, welche das betrachtete Qualitätsmerkmal laufend überprüft. Als Qualitätsmerkmal kann insbesondere die ermittelte Anzahl von Paketverlusten (Engi, „packet loss") eingesetzt werden, die typisch ein Ausgabewert eines ICMP-Echo-Request bzw. der PING- Funktion darstellt. Wenn die Anzahl von Paketverlusten über eine vorbestimmte Anzahl steigt, zeigt dies insbesondere eine durch Verschleiß oder Fehlverhalten bedingte Abnutzung oder Unterbrechung der Datenleitung 13 an. Als zweites Gerät 12 kann grundsätzlich jedes protokollkompatible Netzwerkgerät bzw. jede Netzwerk-Komponente eingesetzt werden, welches die gewählte Protokollfunktion, wie etwas Erreichbarkeitsanfragen, z.B. nach dem TCP/IP-Protokoll unterstützt, oder zumindest aber geeignet ist Empfangsbestätigungen an das erste Gerät zu senden, wenn etwa anstelle einer ETHERNET-Datenverbindung ein Feldbus-Protokoll wie CAN-Bus, EIA-485 oder dergleichen, eingesetzt wird. Im letztgenannten Fall kann das Überwachungsmodul 11 z.B. überwachen, ob auf jede Anfrage eine Empfangsbestätigung des zweiten Geräts 12 eingeht und gibt bei Erreichen einer vorbestimmten Fehlerschwelle ebenfalls eine Warn- bzw. Fehlermeldung aus.
Die Geräte 11, 12 der Überwachungsvorrichtung 10 bewirken keine nennenswerte Beeinträchtigung der Kommunikation zwischen einem ersten Bereich 15 des Datennetzes bzw. des Datenbus und einem zweiten Bereich 16 des Datennetzes bzw. des Datenbus dienen.
Als zweites Gerät 12, welches mit dem Überwachungsmodul 11 zusammenwirkt kann ein anwendungsspezifisches Gerät 12, das im zweiten Bereich 16 als Teil der Maschine oder Anlage ohnehin vorgesehen ist, ausgenutzt werden. Das weitere Gerät 12 kann dabei z.B. inhärent für die Beantwortung eines ECHO-Request , oder zur Empfangsbestätigung von adressierten Bus-Daten, konfiguriert sein. Somit ist kein besonderes zweites Gerät erforderlich.
Die weitere Lehre aus WO 2020/104491 Al, insbesondere zur Leitungsqualitätsüberwachung, wird vorliegend zur Verkürzung durch Bezugnahme hierin auf genommen.
Mit Bezug auf FIG.2A-2B und FIG.3 wird nachfolgend ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Überwachungsmoduls 11 näher beschrieben.
FIG.2A-2B zeigen schematische Ansichten des Gehäuses des Überwachungsmoduls 11. Das Überwachungsmodul umfasst als ein wesentliches Merkmal ein integriertes Display 20, z.B. ein OLED- Display, zur Anzeige grafischer Information das an der schmalen Frontseite des Modulgehäuses 21 des Überwachungsmoduls vorgesehen ist. An der abgewandten Rückseite des Modulgehäuses 21 ist eine Rastbefestigung 22 zur Montage an einer DIN-/Hutschiene vorgesehen, wobei das Modulgehäuse 21 kompakte Abmessungen z.B. HxBxT < 180mm x 60mm x 240mm aufweist und zur Schaltschankmontage etwa quaderförmig ist (FIG.2B) . An der Frontseite des Modulgehäuses 21 sind für den Nutzer u.a. weitere Statusanzeigen in Form von Signalleuchten 23A, 23B, 23C vorgesehen, welche z.B. den Status der überwachten Leitung (en) nach einem Ampelprinzip anzeigen, sodass bei Nutzung mehrerer Überwachungsmodule 11 unmittelbar erkannt werden kann, an welchem eine Früherkennung bzw. ein Fehler angezeigt wird. Zur Verbindung mit der Leitung, z.B. der ETHERNET-Datenleitung 13, weist das Modulgehäuse 21 geeignete Steuerleitungs- bzw. Datenleitungsanschlüsse 24, z.B. RJ45-Buchsen auf.
Eine wesentliche Funktionalität des Überwachungsmoduls 11 liegt in der unmittelbaren Anzeige von Information durch das Display 20 unmittelbar am Überwachungsmodul 11 bzw. Modulgehäuse 21.
FIG.3 veranschaulicht beispielhaft ein geeignetes Schaltungslayout zur Realisierung des Überwachungsmoduls 11.
Das Display 20 wird über einen geeigneten IC-Bus, z.B. einen I2C Bus, zur Darstellung pixelformatierter Bilddaten gesteuert von einem programmierbaren Mikroprozessor 30. Die Mikroprozessor 30 dient als Auswerteeinheit und ist mit einer Signaleinheit 32, z.B. einem COTS Dual-Port ETHERNET-Transceiver verbunden und wirkt mit diesem zusammen. Die Signaleinheit 32 ist, hier z.B. als ETHERNET- Transceiver, eingerichtet zur Datenübertragung nach IEEE 802.3 (oder aber nach einem ähnlichen Protokoll) und hat eine integrierte Leitungsdiagnosefunktion, z.B. eine TDR- Leitungsdiagnosef unktion . So kann der Mikroprozessor 30 auf Grundlage der Leitungsdiagnosefunktion der Signaleinheit 32 Information zum Verschleißzustand der zu überwachenden Leitung 12 ermitteln .
Die Signaleinheit 32 ist über die Anschlüsse 24A, 24B mit der zu überwachenden Leitung 13 verbunden. Weiterhin ist ein Diagnoseanschluss 24C vorgesehen, welche eine Kommunikation mit dem Mikroprozessor 30 bzw. dessen anwendungsspezifische
Programmierung erlaubt. Der Mikroprozessor 30 hat ferner einen
Eingang 33 für eine oder mehrere manuelle Eingabevorrichtungen, z.B. Bedientasten am Modulgehäuse 21 (nicht gezeigt) und einen
Ausgang 34 u.a. zur Ansteuerung der Signalleuchten 23A, 23B, 23C.
Weiterhin verfügt der Mikroprozessor 30 in FIG.3 über einen integrierten Webserver 35 und eine Funk-Schnittstelle, z.B. eine WLAN-Schnittstelle 36, zur Kommunikation mit dem Webserver 35. Der Mikroprozessor 30 ist programmiert zwecks Parametrierung und/oder zwecks Datenaustausch über den Webserver 35 durch bzw. mit einem übergeordneten System.
Unter Zusammenwirkung mit einer geeigneten Signaleinheit 32 kann der Mikroprozessor 30 programmiert sein um
- eine Schadstelle der überwachten Leitung 13 zu erkennen und einen Abstand zur erkannten Schadstelle zu ermitteln, z.B. mittels einer TDR- Leitungsdiagnosefunktion der Signaleinheit 32, und mittels des Displays 20 den ermittelten Abstand anzuzeigen; und/oder
- eine Übertragungsgüte über die Leitung 13 auf Grundlage von protokollinhärenter Information, z.B. aus der OSI- Datensicherungsschicht aus der Signaleinheit 32 zu ermitteln und mittels des Displays 20 eine Angabe zur ermittelten Übertragungsgüte anzuzeigen; und/oder
- eine Ausfallursache auf Grundlage von Information aus der Signaleinheit 32, insbesondere auf Grundlage der Leitungsdiagnosefunktionalität zu ermitteln und mittels des Displays 20 die Ausfallursache anzuzeigen.
Dank des Displays 20 kann das modulare Überwachungsgerät 11 nutzerfreundlich vor Ort Information zum Verschleiß zustand der zu überwachenden Leitung (en) anzeigen.
Hinsichtlich der Funktion ist anzumerken, dass die Überwachung des Verschleißzustands als Echtzeitüberwachung während des laufenden Betriebs der zu überwachenden Leitung 13 ausgeführt wird. Dies kann insbesondere durch fortwährende Überwachung von mindestens einer Datenübertragungseigenschaft erfolgen. Ermittelte Information zum Verschleißzustand der zu überwachenden Leitung 13 kann einerseits mittels des Displays 20 angezeigt werden und auch parallel bzw. andererseits, z.B. über den Webserver 35 und die Funk-Schnittstelle 36 an ein übergeordnetes System übermittelt werden, welches z.B. eine prädiktive Wartung auslöst.
Es kommen unterschiedliche Techniken zur Überwachung des Verschleißzustands in Betracht, z.B. gemäß der Lehre aus WO 2020/104491 Al, unter Nutzung eines inf ormatischen Qualitätsmerkmal der Datenübertragung oder z.B. nach dem Prinzip einer TDR-Leitungsdiagnose der zu überwachenden Leitung 13.
Die Architektur in FIG.3 ermöglicht weiterhin, dass das modulare Überwachungsgerät 11 eine anfängliche Initialisierung durchführt bei welcher mindestens ein Referenzwert zu nominalen Signal- bzw.
Datenübertragungseigenschaften der zu überwachenden Leitung in einem Speicher des Mikroprozessors 30 eingespeichert wird. Der Mikroprozessor 30 kann diesen Referenzwert anschließend bei der Überwachung des Verschleißzustands, insbesondere während des laufenden Betriebs, zur Früherkennung möglicher Schadstellen heranziehen. So kann z.B. bei beginnender Verschlechterung der Übertragungseigenschaften dies unmittelbar als Indikator für einen rechtzeitigen Leitungsaustausch genutzt werden, um ungeplante Anlagen- bzw. Maschinen Stillstände zu vermeiden.
Detaillierte Informationen zur erkannten Verschlechterung der Übertragungseigenschaft und z.B. die Entfernung zum betroffenen Leitungsabschnitt können mittels des Displays 20 unmittelbar am Überwachungsmodul 20 angezeigt werden. So können Wartungsarbeiten gezielt und zeitsparend schnell am betroffenen Leitungssegment ausgeführt werden. Die vorgenannten Informationen können, z.B. über die Funk-Schnittstelle 36 ebenfalls im Sinne einer loT-Lösung an ein übergeordnetes System übermittelt werden.
FIG.4 zeigt als beispielhaften Anwendungsfall für ein Überwachungssystem 10 mit dem Überwachungsmodul 11 aus FIG.2-3 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 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, das ETHERNET-Protokoll oder z.B. das PROFINET-Protokoll geeignet sind und welche das kommunizierende zweite Gerät 12 umfassen können. Die Adresse dieser Feldgeräte bzw. Netzwerkgeräte ist vorbekannt oder vorbestimmbar bzw. programmierbar. Unter Anwendung des Prinzips aus FIG.1-3 kann mindestens eine oder mehrere Datenleitungen die durch die Energieführungsketten 1, 41 geführt sind auf ihren Verschleiß- Zustand hin überwacht werden. Hierzu ist lediglich ein preiswert realisierbares Modul 11, nach FIG.2-3 erforderlich. Das vorgeschlagene Überwachungssystem 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
Überwachungsgerät und Verfahren zur Überwachung des
Verschleißzustands einer elektrischen Leitung
Bezugszeichenliste
FIG.1
1 Leitungsführungseinrichtung (Energieführungskette)
2 bewegtes Trum
2A erstes Anschlussende
3 ruhendes Trum
3A zweites Anschlussende
4 Umlenkbogen
10 Uberwachungssystem
11 Überwachungsgerät (Modul)
12 zweites Gerät
13; 13A, 13B Datenleitung
14 Vermittlungsgerät
15 erster Bereich (Kunden-Netz/-Bus )
16 zweiter Bereich (Kunden-Netz/-Bus )
FIG.2A-2B
11 Überwachungsmodul
20 Display (OLED-Display)
21 Modulgehäuse
22 Rastbefestigung (für DIN-Schiene)
23A, 23B, 23C Signalleuchten
24A, 24B Steuerleitungs- bzw. Datenleitungsanschlüsse
FIG.3
24A, 24B Steuerleitungs- bzw. Datenleitungsanschlüsse
24C Diagnoseanschluss 30 Mikroprozessor (Auswerteeinheit)
32 Ethernet-Transceiver (Signaleinheit)
33 Eingang
34 Ausgang 35 Webeserver (integriert)
36 Funk-Schnittstelle
FIG.4
1 erste Energieführungs kette (linear verfahrbar) 2, 3 Trume
4 Umlenkbogen
40 Gelenkarmroboter
40A Basis
41 zweite Energieführungskette (räumlich auslenkbar) 42 Endeffektor

Claims

Überwachungsgerät und Verfahren zur Überwachung des
Verschleißzustands einer elektrischen Leitung
Patentansprüche Überwachungsgerät (11) zur Überwachung des Verschleiß zustands einer elektrischen Leitung (13) , die durch eine bewegliche Leitungsführungseinrichtung, insbesondere durch eine Energieführungskette (1) , geführt ist, das Überwachungsgerät umfassend :
- eine Signaleinheit (32) , die zur Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung von Signalen eingerichtet ist, welche von einer zu überwachenden elektrischen Leitung übertragen werden;
- eine Auswerteeinheit (30) , welche mit der Signaleinheit zusammenwirkt und eingerichtet ist, um, insbesondere auf Grundlage von Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung durch die Signaleinheit, mindestens eine Information zum Verschleißzustand der zu überwachenden Leitung zu ermitteln;
- mindestens eine Schnittstelle (24A, 24B) , mittels welcher die Signaleinheit mit der zu überwachenden Leitung verbindbar ist ; dadurch gekennzeichnet,
- dass das Überwachungsgerät modular ausgeführt ist, wobei zumindest die Auswerteeinheit (30) , die Signaleinheit (32) und die Schnittstelle (24A, 24B) in einem Modulgehäuse (21) angeordnet sind und;
- dass das Modulgehäuse (21) ein Display (20) zur grafischen und/oder alphanumerischen Informationsdarstellung aufweist, welche am bzw. im Modulgehäuse (21) angeordnet ist zum Anzeigen von Information zum Verschleiß zustand . Überwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Display (20) zur pixelformatierten Informationsdarstellung ausgeführt ist, insbesondere als TFT- Display, LC-Display und/oder OLED-Display ; und/oder
- das Display (20) von der Auswerteeinheit (30) gesteuert wird, insbesondere zur Darstellung pixelformatierter Bilddaten und/oder über eine vorzugsweise serielle IC-Schnittstelle. Überwachungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
-die Auswerteeinheit (30) eine programmierbare integrierte Schaltung, insbesondere einen Mikrocontroller bzw. Mikroprozessor, umfasst; und/oder
-die Signaleinheit (32) einen Datenübertragungs-Transceiver, insbesondere einen Ethernet-Transceiver, vorzugsweise mit einer TDR-basierten Leitungsdiagnosefunktion, umfasst. Überwachungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (30) eingerichtet ist um:
- eine Schadstelle der überwachten Leitung (13) zu erkennen und einen Abstand zur erkannten Schadstelle zu ermitteln und mittels des Displays (20) den ermittelten Abstand anzuzeigen; und/oder
- eine Übertragungsgüte auf Grundlage von Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung durch die Signaleinheit (32) zu ermitteln und mittels des Displays (20) die ermittelten Übertragungsgüte anzuzeigen; und/oder
- eine Ausfallursache auf Grundlage von Übertragung, Verarbeitung und/oder Auswertung durch die Signaleinheit (32) zu ermitteln und mittels des Displays (20) die Ausfallursache anzuzeigen . Überwachungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsgerät, insbesondere die Auswerteeinheit (30) , einen Webserver (35) umfasst und vorzugsweise eine Drahtlos-Schnittstelle, insbesondere Funk-Schnittstelle (36) , zur Kommunikation mit dem Webserver, wobei die Auswerteeinheit (30) vorzugsweise eingerichtet ist zwecks Parametrierung und/oder zwecks Datenaustausch über den Webserver. Überwachungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei physische Leitungsanschlüsse, insbesondere zwei Steuerleitungs- bzw. Datenleitungsanschlüsse (24A, 24B) , aufweist, wobei die Signaleinheit über Schnittstellen, insbesondere ETHERNET- Schnittstellen, mit den Anschlüssen zwecks Signalübertragung, insbesondere Datenübertragung, verbunden ist. Überwachungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsgerät (11) zusätzlich zum Display (20) eine Anzahl Signalleuchten (23A, 23B, 23C) zur Zustands- bzw. Statusanzeige aufweist, welche neben dem Display am bzw. im Modulgehäuse (21) angeordnet sind . Überwachungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse (21) eine Frontseite, insbesondere an einer Schmalseite ausgeführte Frontseite, aufweist, an welcher das Display (20) angeordnet ist, und eine Rückseite mit einer Befestigungsvorrichtung (22) aufweist, wobei das Display vorzugsweise ein Verhältnis Breite:Höhe h 2:1 aufweist. Überwachungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (22) an der Rückseite des Modulgehäuses (21) eine Rastbefestigung zur Montage an einer DIN-/Hutschiene aufweist; und/oder
- das Modulgehäuse (21) im wesentlichen quaderförmig ausgeführt und insbesondere zur Schaltschrankmontage dimensioniert ist, wobei die Frontseite vorzugsweise Abmessungen mit H x B 180mm x 60mm aufweist. System, insbesondere System mit einem Industrieroboter (40) , umfassend eine zu überwachende elektrische Leitung (13) , eine bewegliche Leitungs führungseinrichtung, insbesondere Energieführungskette (1; 41) , zum Führen der Leitung zwischen einer ersten Anschlussstelle und einer dazu relativbeweglichen zweiten Anschlussstelle, insbesondere an einem Industrieroboter, sowie ein mit der zu überwachenden elektrische Leitung verbindbares Überwachungsgerät (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei die zu überwachende elektrische Leitung (13) vorzugsweise eine Vorrichtung am Endeffektor (42) bzw. der Roboterhand des Industrieroboters versorgt . Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustands einer elektrischen Leitung die durch eine bewegliche Leitungsführungseinrichtung, insbesondere durch eine Energieführungskette, geführt ist, wobei ein modulares Überwachungsgeräts mit der zu überwachenden Leitung verbunden ist und zumindest eine Auswerteeinheit und eine Signaleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das modulare Überwachungsgerät ein Display aufweist und Information zum Verschleißzustand der zu überwachenden Leitung mittels des Displays anzeigt. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Verschleißzustands als Echtzeitüberwachung während des laufenden Betriebs der zu überwachenden Leitung ausgeführt wird, insbesondere durch fortwährende Überwachung von mindestens einer Datenübertragungseigenschaft der zu überwachenden Leitung, wobei eine Information zum Verschleißzustand der zu überwachenden Leitung vorzugsweise einerseits mittels des Displays anzeigt wird und andererseits, insbesondere von der Auswerteeinheit, über eine Schnittstelle an ein übergeordnetes System übermittelt wird, insbesondere zwecks Veranlassung prädiktiver Wartung. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Verschleiß zustands durchgeführt wird basierend auf
- einem inf ormatischen Qualitätsmerkmal der Datenübertragung, vorzugsweise anhand mindestens einer protokollinhärenten Funktion; und/oder
- auf einer TDR-Leitungsdiagnose der zu überwachenden Leitung. Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere durch die Signaleinheit mittels TDR-Leitungsdiagnosef unktion, ein Abstand zu einer ermittelten Schadstelle bestimmt wird und der ermittelte Abstand mittels des Displays anzeigt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das modulare Überwachungsgerät eine anfängliche Initialisierung durchführt bei welcher mindestens ein Referenzwert zu nominalen Datenübertragungseigenschaften der zu überwachenden Leitung eingespeichert werden und der mindestens eine Referenzwert anschließend bei der Überwachung des Verschleißzustands, insbesondere während des laufenden Betriebs, zur Früherkennung möglicher Schadstellen herangezogen wird.
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