DE602004012500T2

DE602004012500T2 - Verfahren zur Diagnose eines zyklischen Systems

Info

Publication number: DE602004012500T2
Application number: DE602004012500T
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Förster; Josef Binder
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: ATE389841T1; US20050043923A1; US7124057B2; EP1508736B1; JP2005063443A; EP1508736A1; DE602004012500D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines zyklischen Systems und insbesondere zum Diagnostizieren des Betriebszustandes eines Fluidkraft-Systems.
Hintergrund der Erfindung
In der Produktionsumgebung werden verschiedene Systeme verwendet, um Maschinen zu betreiben und Waren zu befördern. Um eine gleich bleibende Ausgabe und Kontinuität in den verschiedenen Systemen zu erzielen, sind oftmals eine häufige Wartung und Fehlerbehebung erforderlich. Eine Art der Wartung von Maschinen besteht darin, zu warten, bis ein Ausfall in einer speziellen Komponente aufgetreten ist, und daraufhin diese Komponente je nach Bedarf zu ersetzen. Eine derartige Wartung erfordert jedoch oftmals ungelegene Unterbrechungen des Produktionsvorgangs, was zu kostspieligen Stillstandzeiten führt.
Es gibt daher in der Maschinenwartung einen zunehmenden Trend zur Verwendung vorbeugender Wartungsprozeduren, so dass eine Maschine durch einen ungelegenen Ausfall nicht zum Stillstand gebracht wird. Statt dessen kann die Wartung während geplanter Stillstandszeiten durchgeführt werden, wobei verschiedene Komponenten in einem effizienten Prozess gewartet werden. Da jedoch eine vor beugende Wartung oftmals den Austausch von Komponenten erfordert, bevor sie tatsächlich ausfallen, muss bestimmt werden, welches Teil ersetzt oder repariert werden muss, und wann dies zu erfolgen hat. Eine Art der Bestimmung des Austausch-Zeitplans von Komponenten bestünde darin, einer Komponente einen speziellen Lebenszyklus zuzuweisen und diese Komponente einfach dann auszutauschen, wenn sie ihren vorbestimmten Lebenszyklus erreicht hat. Wie lange eine Komponente betriebsmäßig wirksam bleibt, hängt jedoch von einer Vielzahl von Faktoren ab. So sind z.B. in einem pneumatischen System der Verunreinigungsgrad der Druckluft, die verwendete Schmierung, der Betriebsdruck, die Umgebung sowie Zyklusgeschwindigkeiten nur einige wenige der Faktoren, welche den Lebenszyklus beeinflussen. Daher kann dieses Verfahren der vorbeugenden Wartung dazu führen, dass Teile ersetzt werden, die ordnungsgemäß funktionieren, wodurch eine verschwenderische und relativ kostspielige Prozedur erzeugt wird.
Es wurde versucht, ausgeklügeltere Mittel zu verwenden, um vorherzusagen, wann eine Komponente in einem speziellen System ausfallen wird. Ein derartiges Verfahren zum Vorhersagen eines Komponenten-Ausfalls wird in der EP 0740805 A1 dargelegt. Das in der Patentveröffentlichung dargelegte System beinhaltet die Verwendung eines Messwandlers, eines Lern-Modus, einer Daten-Sammlung bei vorbestimmten mehrfachen Punkten innerhalb eines Zyklus, sowie eines während eines Lern-Modus betätigbaren Speichers. Während eines Zyklus können digitale Abtastsignale bei 100 bis 1000 Punkten des Zyklus aufgenommen werden. Es enthält auch ein Mittel zum Bereitstellen zulässiger Bereiche von Werten bei den vorbestimmten Punkten im Vergleich zwischen tatsächlichen Daten und Daten eines Lern-Modus sowie ein Mittel zum Bereitstellen eines Ausgabesignals, wenn die tatsächlichen Daten die zulässigen Daten an vorbestimmten Punkten überschreiten. Dieses Verfahren erfor dert jedoch beachtlichen Speicherplatz, um die zahlreichen Datenpunkte in dem Zyklus zu speichern. Außerdem wird eine hohe Rechengeschwindigkeit benötigt, um die Daten bei jedem Punkt in dem Zyklus mit dem vorbestimmten Bereich von Datenwerten zu vergleichen. Es wird auch eine komplizierte mathematisch-statistische Auswertung benötigt.
Das US-Patent Nr. 5329465 bezieht sich auf ein diagnostisches On-line-Ventil-Überwachungssystem. Das System erfasst Betriebskenngrößen eines Ventils und stellt eine Diagnose der Abweichungen in den System-Kenngrößen bereit. Es werden mehrere Sensoren verwendet, die dann einem Daten-Erfassungssystem Signale liefern, die an entfernte Orte übertragen werden können. Bei einem pneumatisch gesteuerten Ventil können ein Drucksensor oder ein Strömungsmesser verwendet werden, um den zum Betätigen des Ventils benötigten Luftdruck zu erfassen. Ein Schaftfestigkeit-Erfassungsmittel zum unmittelbaren Erfassen des Zuges und der Kompression des Ventilschafts wird ebenfalls benötigt, um die Position des Ventils und den zurückgelegten Weg des Ventilschafts zu erfassen. Daher werden verschiedene Sensoren verwendet und eine beachtliche Menge an Daten gesammelt. Das US-Patent Nr. 6542853 offenbart eine Abschätzungsvorrichtung zum Bestimmen der Lebenserwartung eines Motors, wie z.B. der einer Baumaschine. Die Motordrehzahl sowie die Position des Kraftstoff-Fliehkraftreglers werden als Parameter zum Bestimmen der an dem Motor angelegten Last ausgewählt. Diese Werte werden dann integriert und gewichtet, woraufhin eine Schaden-Größe für den Motor berechnet wird. Es können auch andere Betriebsparameter, wie z.B. Motor-Drehzahl und -Drehmoment, zur Vorhersage der Motor-Nutzungsdauer verwendet werden. Die Parameter ändern sich jedoch fortwährend, und es gibt keine Wiederholbarkeit.
Die EP 0587902 offenbart ein hydraulisches Antriebssystem, das die Förderleistung einer hydraulischen Pumpe in Übereinstimmung mit einer gewünschten Strömungsgeschwindigkeit steuert. Das System verwendet Strömungssensoren zum Erzeugen einer Rückkopplung für eine Servo-Steuerung. Es gibt jedoch keine Lehre für die Verwendung der Strömungsgeschwindigkeit zum Bestimmen des Nutzungsdauer-Status eines zyklischen Systems.
Außerdem hat sich die Verwendung individueller System-Kenngrößen zur Erzeugung eines verlässlichen Abbilds der System-Leistungsfähigkeit zum Bestimmen periodischer Wartungs-Zeitpläne bisher als inakzeptabel erwiesen. In einem pneumatischen System liefern z.B. Druckmessungen in der Zufuhr- und Ausstoß-Leitung eines Ventils oder eines Zylinders nur Information über die Zylinder-Funktionen, die in den meisten Fällen von den Ventil-Funktionen unabhängig sind. Druckmessungen liefern zwar diagnostische Information bezüglich der Zylinder-Funktion, doch liefert es keine ausreichenden diagnostischen Daten für Ventil-Funktionen.
Strömungsmessungen in einer Zufuhrleitung in einem Pneumatik-Kreis liefern Information über die Funktionen des gesamten Pneumatik-Kreises. Die Information über Zylinder-Funktionen wäre auf eine zeitabhängige Funktion beschränkt, wodurch eine Unterscheidung zwischen Zylinder-Ausfällen und anderen möglichen Ausfällen, wie z.B. Ventil-Fehlfunktion, verstopfter Schalldämpfer, etc., nicht ermöglicht wird. Die Strömungsmessung verbessert die Diagnose für eine Pneumatik-Kreis, liefert jedoch nicht ausreichend viel Diagnose-Daten für sämtliche Funktionen.
Eine weitere Messung, die durchgeführt werden kann, ist die Zykluszeit für einen vollständigen Zyklus des Kreises. Die Zykluszeit-Messung liefert Information über die Funktionen des gesamten Pneumatik-Kreises, einschließlich Information über Zylinder- und Ventil-Funktionen. Diese Zykluszeit liefert jedoch nicht ausreichend viele diagnostische Daten, um zu bestimmen, ob eine spezielle Komponente bald ausfällt.
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zum Bewerten eines zyklischen Systems bereitzustellen, um zu bestimmen, wann eine vorbeugende Wartung durchgeführt werden sollte. Es ist außerdem wünschenswert, ein derartiges Verfahren bereitzustellen, das eine minimale Sammlung von Daten erfordert sowie leicht und kostengünstig verwendet werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose an einem zyklischen System bereitstellt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie ein Verfahren zur Diagnose des Betriebszustandes eines Fluidkraft-Systems unter Verwendung (nur) einer System-Kenngrösse bereitstellt.
Um diese sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll zu erzielen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Nutzungsdauer bzw. Lebensdauer eines zyklischen Systems gemäß Anspruch 1 bereit.
Die Vorrichtung enthält einen Sensor zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit sowie eine mit dem Sensor funktionell verbundene Berechnungseinheit. Die Berechnungseinheit enthält eine Schaltung zum Durchführen einer mathematischen Integration über der Strömungsgeschwindigkeit, um einen diagnostischen Wert zu bestimmen, und vergleicht den diagnostischen Wert mit einem vorbestimmten Wert, um den Leistungsfähigkeit-Zustand des Systems zu bestimmen. Eine Benachrichtigungs-Vorrichtung ist mit der Berechnungseinheit funktionell verbunden, um den Nutzungsdauer-Zustand des Systems anzuzeigen.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Algorithmus zum Bestimmen des System-Zustands:
wobei Q die Strömungsgeschwindigkeit ist, T die Zykluszeit und K der diagnostische Wert ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende ausführliche Beschreibung anhand der begleitenden Zeichnung Bezug genommen, wobei der Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein schematisches Schaltbild eines zyklischen Systems, das die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält.
2 ist eine grafische Darstellung der System-Parameter Ventil-Stellspannung u, Druck p, Strömungsgeschwindigkeit Q und Kolbenbewegung s über der Zeit t.
3 ist eine grafische Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit Q gegenüber der Zeit t und zeigt einen Normal-Zustand und einen Leck-Zustand.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Bereitstellen von Diagnose-Information zum Bestimmen des Betriebs- oder Leistungsfähigkeits-Zustands eines Systems für vorbeugende Wartungszwecke. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Vorhersage von Ausfällen in einem Fluidkraft-Kreis einschließlich der Bestimmung möglicherweise ausfallender Komponenten sowie der Auffallgründe. Eine Vorhersage des Lebenszyklus des Systems oder seiner Komponenten unter den Bedingungen einer speziellen Anwendung kann ebenfalls erzielt werden. Die vorliegende Erfindung verwendet eine minimale Anzahl von Sensoren in dem System, um die notwendige Information bereitzustellen.
Wie man in 1 sieht, enthält ein Fluidkraft-System, wie z.B. ein pneumatisches System 10, im allgemeinen ein Ventil 12, das mit einem Stellglied bzw. Aktor 14 funktionell verbunden ist. Der Aktor 14 kann eine Antriebskomponente 14a enthalten, wie z.B. einen Kolben, der an einer Kolbenstange 14b angebracht ist. Das Ventil 12 empfängt ein Signal von einer Steuerungsvorrichtung 16, die ein Schalten bzw. Verschieben des Ventils 12 bei einer vorbestimmten Zeit bewirkt, wenn die Bewegung des Aktors 14 gewünscht wird. Ein System kann eine Vielzahl von Ventilen und Aktoren enthalten, wobei die Steuerungsvorrichtung die Betätigung der verschiedenen Ventile koordiniert, um die gewünschte Aktor-Antwort zu erzielen. In einem zyklischen System ist das System so ausgelegt, dass es durch einen speziellen wiederholbaren Zyklus hindurch funktioniert. Daher wird die Betätigung des Ventils und die entsprechende Aktor-Bewegung vielmals wiederholt. Die vorliegende Erfindung verwendet Schwankungen der System-Kenngrößen über die Zeit hinweg, um die funktionelle Tauglichkeit des Systems und seiner Komponenten zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Strömungsgeschwindigkeit des Systems, um Ausfälle vorherzusagen. Das Integrieren der Strömungsgeschwindigkeit Q über die Zykluszeit T liefert einen diagnostischen Wert K (auch als Strömungsintegral bezeichnet), der verwendet werden kann, um vorbeugende Wartungs-Erfordernisse vorherzusagen. Insbesondere wird der diagnostische Wert K unter Verwendung des folgenden Algorithmus berechnet:
wobei Q = Strömungsgeschwindigkeit, und T = Zykluszeit.
Die Strömungsgeschwindigkeit kann mittels eines Messwandlers oder eines Sensors einer im Stand der Technik bekannten Bauart gemessen werden. Durch Integrieren der Strömungsgeschwindigkeit Q über eine gewisse Zeitdauer hinweg, wird das Volumen des während dieser Zeitdauer verbrauchten Fluids bestimmt. Eine Änderung der Menge an verbrauchtem Fluid deutet auf Veränderungen in dem Betriebszustand des Systems hin. So verbraucht z.B. ein System, das ein Luftleck aufweist, mehr Luft als wenn es kein Leck aufweisen würde, was zu einer Zunahme des K-Wertes führt. Diese Veränderung des diagnostischen Werts wird verwendet, um anzuzeigen, dass eine Wartung erforderlich ist.
Die Integration kann in der in 1 schematisch gezeigten Berechnungseinheit 20 durchgeführt werden. Die Berechnungseinheit 20 kann einen Prozessor 20a enthalten, der in Form eines Mikroprozessors oder in Form diskreter Komponenten, wie z.B. Operationsverstärker und Widerstände, vorliegen kann. Wenn ein digitaler Mikroprozessor verwendet wird, kann ein Analog/Digital-Wandler 20c verwendet werden, um ein durch den Sensor erzeugtes analoges Signal in ein digitales Signal umzuwandeln, das durch den Mikro prozessor verarbeitet werden kann. Die Berechnungseinheit 20 kann auch eine Speichervorrichtung 20b enthalten, um in dem Berechnungsvorgang verwendete Information vorübergehend zu speichern.
Die Integration von Q erfolgt über die Zykluszeit T hinweg. Die Zykluszeit T kann die Zeit für einen vollständigen Zyklus eines zyklischen Systems sein. In einem zyklischen pneumatischen System, das ein Ventil und einen durch einen Kolben angetriebenen Zylinder enthält, enthält z.B. die volle Zykluszeit T, wie in 2 gezeigt, die Zeit von der Ventil-Betätigung t₁ bis der Zylinder-Kolben in seine anfängliche Stellung t₅ zurückgekehrt ist. Die Zykluszeit T kann durch eine Steuerungsvorrichtung mit programmierbarer Logik (PLC) gemessen und berechnet werden, die auch zum Steuern des gesamten Fluidkraft-Systems verwendet werden kann. Die Zykluszeit T wäre die zum Vervollständigen eines Zyklus benötigte Zeit. Alternativ kann die Zykluszeit T berechnet werden, indem man Grenzschalter an einem Fluidkraft-Aktor wie einem Linearantrieb verwendet, wobei die Grenzschalter die beiden Endstellungen des Zylinders anzeigen und wobei die Bewegung des Kolbens von einem Ende zu dem anderen und wieder zurück einen Zyklus darstellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Zykluszeit T gleich groß sein wie die gesamte Zeit für einen vollständigen Zyklus, wie in 2 gezeigt. Dabei ist ein vollständiger Zyklus die Zeitdauer, die durch eine Betätigung des Ventils t₁ und eine Rückkehr des Kolbens in eine anfängliche Stellung t₅ definiert ist. Durch Integrieren über die gesamte Zykluszeit kann jegliche Abweichung von normalen Betriebsparametern diagnostiziert werden, und zwar unabhängig davon, wo das Problem in dem Zyklus auftritt. Derartige Abweichungen sind unter anderem ein Leck, übermäßige Reibung, etc.
Es ist auch gemäß der Erfindung denkbar, dass die Integrations zeitdauer so gewählt wird, dass sie nur einen Teil eines vollen Zyklus enthält. So kann z.B. die Integration über die Zeit der Kolbenbewegung s durchgeführt werden, bei der es sich um die in 2 gezeigte Zeitdauer t₂ bis t₃ handelt. In diesem Fall würde der Algorithmus eine Integration von Q über die Zeit t₂ bis t₃ enthalten:
Alternativ kann T gleich groß wie die Zeit der Ventilbetätigung u sein, die in 2 als Zeitdauer t₁ bis t₄ gezeigt ist:
Durch Begrenzen der Zeitdauer auf eine gewisse Zeitdauer kann eine spezielle Komponente des Systems, wie z.B. der Zylinder, spezifischer überwacht werden. So liefert z.B. das Integrieren der Strömungsgeschwindigkeit Q über die Zeitdauer t₂ bis t₃ den diagnostischen Wert K, der in diesem Fall das Volumen des Fluids für die Zeitdauer der Kolben-Vorwärtsbewegung ist. Wenn dieser Wert über einen akzeptablen Parameter hinaus abweicht, kann ein Problem mit dem Zylinder, wie z.B. ein Leck, diagnostiziert werden. Es ist weiterhin gemäß der Erfindung denkbar, dass die Überwachung sowohl des ganzen Zyklus als auch von Abschnitten des Zyklus durchgeführt werden kann, um Information über den Status des Systems zu liefern.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die zum Integrieren der Strömung verwendete Zykluszeit von der Strömung Q selbst hergeleitet werden. Die durch den Strömungssensor 18 erzeugte Strömungsgeschwindigkeit Q kann folgendermaßen mathematisch differenziert werden: L = dQ/dt
L ist daher die Geschwindigkeit der Änderung der Strömung mit der Zeit. In einem System, das einen Aktor wie z.B. einen Zylinder hat, kann dieser Wert verwendet werden, um den Anfang und das Ende der Zylinderbewegung zu bestimmen. Es ist wünschenswert, die Strömung Q über diese Dauer in dem Zyklus zu integrieren. Die Fähigkeit, zu bestimmen, wann die Zylinderbewegung beginnt oder endet, ist nützlich beim Bestimmen der Dauer, über welche die Strömung integriert werden soll, um den diagnostischen Wert K zu bestimmen. Das Verhalten eines pneumatischen Systems ist in 2 grafisch dargestellt. Dieses Schaubild schildert die Antwort der Ventil-Stellspannung oder Signalspannung u, des Drucks p, der Strömung Q und der Zylinderkolben-Bewegung s über der Zeit.
Bei t₁ wird die Ventil-Stellspannung u eingeschaltet, und das Ventil öffnet. Ein geringfügiger Strömungszustand erfolgt, da die zu dem Zylinder führenden Rohr- oder Schlauch-Leitungen mit Luft gefüllt werden. Der Druck p baut sich in dem System auf, bis die pneumatische Kraft größer als die Reibungskraft und die äußeren Kräfte auf den Kolben sind. Bei t₂ beginnt der Zylinderkolben, sich zu bewegen (s > 0). Der Druck p ändert sich nur um einen kleinen Betrag je nach der Luftzufuhr und seiner Fähigkeit, eine passende Menge Luft zuzuführen. Die Strömung Q steigt stark an, wenn die Luft den Zylinder füllt. Der Zylinder erreicht seine Endstellung bei t₃, und die Strömung ändert sich erneut stark, wobei sie diesmal zwischen t₃ und t₄ beachtlich abnimmt. Für die Zeitdauer t₃ bis t₄ bleibt der Zylinder bei seiner Endstellung (s = voll ausgefahren), und der volle Druck p wird an den Zylinderkolben angelegt. Die Strömung Q nimmt je nach Kompressibilität, Leckzustand und anderen Faktoren auf null ab. Nach t₄ ist die Magnetschalter-Spannung u auf null. Der Druck p nimmt auf null ab, und der Kolben kann ggf. zu seiner Ausgangsstellung (s = 0) zurückkehren, wobei die Strömung vernachlässigbar ist. Bei t₅ ist der Kolben in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt.
Wie in dem Schaubild von 2 nachgewiesen wird, hat die Strömung Q wohl-definierte Änderungen ihrer Steigung oder der Geschwindigkeit der Änderung bei t₂ und t₃, wobei dies die Zeitdauer der Kolbenbewegung ist. Wenn ein Fluidkraft-Zylinderkolben sich zu bewegen beginnt, ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit rasch, weil das Fluid das durch den bewegten Kolben erzeugte, stets zunehmende Volumen auffüllt. Diese starke Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, die bei der Kolbenbewegung auftritt, kann erfasst werden, indem man die Strömung differenziert, was zu einem Änderungsgeschwindigkeit-Wert führt. Wenn der Zylinderkolben in eine Endstellung gelangt, nimmt die Strömung in ähnlicher Weise ab, weil das Zylindervolumen fixiert wird. Die signifikante Änderungsgeschwindigkeit der Strömung bei t₃ kann leicht berechnet werden, indem man die Strömung differenziert. Die Berechnungs-Vorrichtung kann z.B. mittels Software derart konfiguriert werden, dass sie eine vorbestimmte Änderungsgeschwindigkeit dQ/dt der Strömung Q bei oder oberhalb eines gewissen Wertes anstrebt. So würde z.B. eine positive vorbestimmte Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit die Zeit t₂ für Integrationszwecke aufzeigen, und eine vorbestimmte Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit würde die Zeit t₃ für Integrationszwecke in dem Algorithmus
aufzeigen. In diesem Fall ist T gleich t₃-t₂. Somit kann die Start- und Stoppzeit eines Fluidkraft-Zylinders bestimmt werden, indem man die Strömungsgeschwindigkeit Q differenziert. Die Kolbenbewegung könnte zwar durch Verwendung positionierter Sensoren bestimmt werden, doch erübrigen sich durch Verwendung des Wertes L diese Notwendigkeit sowie die damit verbundenen Kosten und der Aufwand für zusätzliche Komponenten. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Strömung ja schon erfasst, um den diagnostischen Wert K zu bestimmen. Deshalb sind keine zusätzlichen Sensoren erforderlich. Die Berechnungseinheit, die zum Integrieren der Strömung konfigu riert ist, kann auch konfiguriert werden, um das Differential L der Strömung zu verarbeiten.
Es hat sich gezeigt, dass der diagnostische Wert K (auch als Strömungsintegral bezeichnet) sich mit dem Betriebszustand des Systems ändert. Deshalb kann er zur Diagnose verwendet werden und gestattet eine leichte statistische Analyse und/oder Mustererkennung mit Fehler-Diagnose des pneumatischen Systems oder Kreises. Die Integration der Systemströmung über die Zykluszeit liefert das in einem gegebenen Zyklus verwendete Fluidvolumen. Wenn sich in einem Fluidkraft-System die Komponenten abnutzen und das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen, beginnen die Dichtungen sich zu verschlechtern. Eine solche Verschlechterung ermöglicht es der Luft, an den Dichtungen vorbeizuströmen, wodurch ein Leck-Zustand verursacht wird. 3 zeigt grafisch einen Leck-Zustand, bei dem das Volumen des Fluids gegenüber dem normalen Volumen eines Systems ohne Leck zunimmt. Diese Zunahme des Volumens spiegelt sich in dem diagnostischen Wert K wider, der ein Integral der Strömungsgeschwindigkeit Q ist. Wenn in einem Pneumatik-Zylinder die Dichtungen abgenutzt sind und das Auftreten eines Lecks ermöglichen, wird die Strömung zum Bewegen dieses speziellen Zylinders erhöht. Wenn die Lager an einem Pneumatik-Zylinder sich abzunutzen beginnen und eine erhöhte Last auf das System verursachen, ist mehr Druck erforderlich, um den Zylinder zu bewegen. Um diesen erhöhten Druck zu bekommen, ist ein größeres Luftvolumen erforderlich. Deshalb würde auch die Strömung eine Zunahme aufweisen. Eine Änderung des Fluidvolumens pro Zyklus deutet daher auf ein System, dessen Komponenten auszufallen beginnen. Durch die Integration der Strömung über die Zykluszeit werden durch vorübergehende Ereignisse verursachte Spitzen und Täler gemittelt bzw. ausgeglichen, wodurch ungewollte Einflüsse auf die Messung eliminiert werden. Daher zeigen Änderungen des diagnostischen Wertes K eine Änderung des Betriebszustandes des Systems auf und werden verwendet, um Bediener auf die Notwendigkeit zur Durchführung einer Wartung aufmerksam zu machen.
Die berechneten K-Werte können einer statistischen Analyse unterzogen werden, um einen Trend bei sich ändernden K-Werten zu entwickeln. Die erzeugten K-Werte können z.B. über eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen abgetastet und gemittelt werden, um einen Mittelwert zu bestimmen, der dann mit einem akzeptablen Abweichungsbereich verglichen wird. In diesem Beispiel könnte der K-Wert nach allen 100 Zyklen aufgenommen und über 1000 Zyklen gemittelt werden. Der gemittelte K-Wert würde dann bewertet werden, um den System-Zustand zu bestimmen. Es ist gemäß der vorliegenden Erfindung denkbar, dass irgendeines von mehreren im Stand der Technik geläufigen statistischen Verfahren verwendet werden könnte, um einen durchschnittlichen oder mittleren K-Wert K_ave zu bestimmen.
Um die akzeptable Grenze der K-Werte für ein spezielles System zu bestimmen, kann ein System, das neue Komponenten hat, anfänglich betrieben werden, um einen speziellen diagnostischen Wert K für dieses System zu bestimmen. Dies könnte für jedes einzelne System getan werden. Wenn hingegen mehrere Systeme derselben Bauart hergestellt werden, könnte ein diagnostischer Wert für ein solches System bestimmt und für die anderen ähnlichen Systeme verwendet werden. Je nach System würde eine akzeptable Änderung des K-Wertes erstellt werden. Dies könnte als Bereich oder als prozentuale Änderung des Wertes eingerichtet werden. Wenn sich der diagnostische Wert K um einen gewissen Prozentsatz ändert oder außerhalb eines speziellen Bereichs liegt, könnte zu einem Bediener ein Signal gesendet werden, das aufzeigt, dass der Kreis einer Wartung bedarf.
Die vorliegende Erfindung kann bei einer großen Vielfalt zyklischer Systeme verwendet werden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es in dem schematischen Schaltbild der 1 gezeigt ist, wird die vorliegende Erfindung in einem Fluidkraft-System verwendet. Das Fluidkraft-System 10 kann eine Vielzahl von Ventilen 12 enthalten, die mit Aktoren 14 durch Fluid-Zufuhrleitungen 15 funktionell verbunden sind. Ein solches Ventil und ein solcher Aktor sind in 1 schematisch dargestellt. Das System 10 kann durch eine Steuerungsvorrichtung 16 angetrieben werden, wie z.B. eine programmierbare Logikschaltung (PLC) oder eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Steuerungsvorrichtung. Die Steuerungsvorrichtung 16 kann mit den das System bildenden verschiedenen Ventilen und Aktoren funktionell verbunden werden und erzeugt ein Steuerungssignal 17, welches das Ventil 12 betätigt. Der Ort des Strömungssensors 18 kann je nach der speziellen Komponente in dem zu überwachenden System gewählt werden. Würde in einem Pneumatik-System mit einem Ventil und einem Zylinder der Sensor positioniert, um die Strömung in der Fluid-Zufuhrleitung zu dem Ventil zu erfassen, so würde der Zustand des Ventils und Zylinders in dem K-Wert widergespiegelt. Würde hingegen der Sensor in dem System positioniert, um die Strömung zwischen dem Ventil und dem Zylinder zu erfassen, so würde der Zustand des Zylinders in dem K-Wert widergespiegelt. Die vorliegende Erfindung erwägt, dass ein oder mehrere Strömungssensoren an verschiedenen Orten innerhalb des Systems angebracht werden könnte(n), um die Bestimmung des Zustands des Systems und seiner Komponenten zu unterstützen.
Im Betrieb kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Strömungssensor 18 enthalten, um die Strömung in dem System zu überwachen und ein Strömungssignal 19 zu erzeugen. Bei dem Strömungssensor 18 kann es sich um einen im Handel erhältlichen und im Stand der Technik geläufigen Sensor handeln, wie z.B. eine Inline-Paddelrad-Vorrichtung, die eine zu der erfassten Strömungsgeschwindigkeit proportionale Spannung ausgibt. Der Strömungssensor 18 kann in der zu dem Ventil 12 führenden Luft-Zufuhrleitung 15 angeordnet sein. Das Strömungssignal 19 wird der Berechnungseinheit 20 zugeführt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Berechnungseinheit 20 einen digitalen Mikroprozessor 20a, eine Speichervorrichtung 20b und einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 20c. Bei dem Strömungssignal 19 kann es sich um ein analoges Signal handeln, das durch den A/D-Wandler 20c in ein digitales Signal umgewandelt wird. Die Berechnungseinheit kann auch mit der Steuerungsvorrichtung 16 funktionell verbunden werden. Die Steuerungsvorrichtung 16 kann der Berechnungseinheit 20 ein Zykluszeit-Signal 22 zuführen. Die Berechnungseinheit 20 könnte alternativ eine Integrations-Schaltung enthalten, die aus Operatiortsverstärkern und Widerständen besteht, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Auf der Grundlage von Information, die durch das Strömungssignal 19 und das Zykluszeit-Signal 22 hergestellt wird, integriert die Berechnungseinheit 20 den Strömungsgeschwindigkeit-Wert Q über die Zykluszeit 0 bis T, um den K-Wert zu erzeugen. Die Berechnung des K-Wertes kann bei einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen durchgeführt und über eine andere vorbestimmte Anzahl von Zyklen gemittelt werden. Ein durchschnittlicher K-Wert K_ave kann dann durch die Berechnungseinheit 20 berechnet werden. Der K_ave-Wert wird dann mit gespeicherter Information verglichen, die einen akzeptablen Bereich von Werten enthalten kann, um zu bestimmen, ob der berechnete K_ave-Wert innerhalb eines speziellen akzeptablen Bereichs liegt. Das Ergebnis des Vergleichs kann diagnostische System-Information erzeugen, die an der Benachrichtigungs-Vorrichtung 24 angezeigt werden kann, die mit der Berechnungsein heit funktionell verbunden ist. Wenn der berechnete K_ave-Wert innerhalb der Grenzen liegt, kann ein normaler Betriebszustand erzeugt und angezeigt werden. Der K_ave-Wert kann ebenfalls angezeigt werden. Wenn der berechnete K_ave-Wert außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt, kann ein Alarm an der Benachrichtigungs-Vorrichtung 24 erzeugt werden, um einen Benutzer zu warnen, dass das System eine Wartung benötigt. Die Benachrichtigungen und Anzeigen können in Form eines Signal-Lichtes oder eines hörbaren Signals oder in Form einer Nachricht auf einer Sichtanzeige vorliegen. Diese Benachrichtigung kann an der Maschine angezeigt werden und/oder an einen zentralen Ort übertragen werden, wie z.B. an ein Rechner-Terminal eines Anlagen-Bedieners.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Berechnungseinheit 20 den Strömungswert Q auch differenzieren, um den Anfang und das Ende eines Zyklus zu bestimmen, wie dies weiter oben anhand von 2 dargelegt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel würde sich das Eingeben des Zykluszeit-Signals 22 in die Berechnungseinheit 20 erübrigen.
Da nur eine Kenngröße bzw. Eigenschaft des Systems verfolgt werden muss, braucht nur eine begrenzte Menge an Daten gesammelt und gespeichert werden, um die verbleibende Nutzungsdauer bzw. den verbleibenden Lebenszyklus des Systems vorherzusagen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden eine Änderung des diagnostischen Wertes und eine Änderung der Zykluszeiten berechnet, um Information bezüglich der Nutzungsdauer eines Systems zu liefern. Der diagnostische Wert wird über eine Vielzahl von System-Zyklen bewertet, um eine Änderung des diagnostischen Wertes zu bestimmen. Die Zeit zum Durchlaufen der Zykluszeit wird ebenfalls über die Vielzahl von System-Zyklen bewertet, um eine Änderung der Zykluszeit zu bestimmen. Zu vorbestimmten Zeiten kann die Änderung des diagnostischen Wertes mit der Änderung der Zykluszeit verglichen werden, um den Leistungsfähigkeit-Status des Systems zu bestimmen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der diagnostische Wert K das Integral der Strömung Q, wie weiter oben beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass, wenn dieser Wert zunimmt und die Zykluszeit gleich bleibt, Leck-Probleme in dem System auftreten. Es hat sich auch gezeigt, dass, wenn der diagnostische Wert K des Zyklus zunimmt und die Zykluszeit zunimmt, eine Zunahme der mechanischen Last oder Reibung in dem Zylinder wahrscheinlich ist.
Um diesen Prozess zu implementieren, werden mittels der Berechnungseinheit 20 die K-Werte und Zykluszeiten T berechnet und in der Speichervorrichtung 20b gespeichert, wobei T die Zeit ist, die für den Durchlauf durch einen vollständigen Zyklus benötigt wird. Bei einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen wird die Änderung der Zykluszeiten ΔT sowie die Änderung des diagnostischen Wertes ΔK berechnet. Das ΔT und ΔK werden dann mit den Ergebnissen dieses Vergleichs verglichen und können an eine Anzeige oder eine andere Signalvorrichtung ausgegeben werden, um einen Benutzer vor dem speziellen Problem, d.h. vor einem Leck oder einer Zunahme der mechanischen Last zu warnen. Z.B. wird der diagnostische Wert K₁ bei einer ersten Zeitdauer T₁ berechnet. Dieser diagnostische Wert bei T₁ wird mit dem diagnostischen Wert K₂ verglichen, der bei einer zweiten Zeitdauer T₂ berechnet wird, um den diagnostischen Wert ΔK zu bestimmen, bei dem es sich um K₂-K₁ handelt. Die Zykluszeit bei einer ersten Zeitdauer T₁ wird mit der Zykluszeit bei einer zweiten Zeitdauer T₂ verglichen, um ein Zykluszeit-Delta ΔT zu erhalten, bei dem es sich um T₂-T₁ handelt. Das Delta des diagnostischen Wertes ΔK wird dann mit dem Zykluszeit-Delta ΔT verglichen, um einen Betriebszustand des Systems zu erhalten. Dieses Verfahren stützt sich nur auf einen Strömungssensor und auf ein mittels einer Steuerungsvorrichtung erzeugtes Zeitsignal, so dass keine weiteren Sensoren oder Komponenten benötigt werden.
Es wurde zwar beschrieben, was gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erachtet wird, doch erkennt der Fachmann, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen der Erfindung möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung gemäß der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Nutzungsdauer bzw. Lebensdauer eines zyklischen Fluidkraft-Systems (10), welches die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen mindestens einer Kenngröße des zyklischen Systems (10), um einen Kennwert zu bestimmen, wobei der Kennwert eine Strömungsgeschwindigkeit (Q) des Systems ist; Bestimmen einer Zykluszeit (T) des zyklischen Systems (10); Verwenden der Strömungsgeschwindigkeit (Q) bei einem Algorithmus, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit (Q) über die Zykluszeit (T) integriert wird, um einen diagnostischen Wert (K) zu bestimmen; und Vergleichen des diagnostischen Werts (K) mit einem vorbestimmten Wert, um den Nutzungsdauer-Zustand bzw. den Lebensdauer-Zustand des zyklischen Systems (10) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zum Bestimmen des Status des Systems der folgende ist:
wobei Q eine Strömungsgeschwindigkeit ist, T die Zykluszeit ist und K der diagnostische Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt zum Bereitstellen eines Strömungssensors (18) zum Bestimmen des Strömungswerts enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt zum Bereitstellen eines PLC (16) zum Bestimmen der Zykluszeit (T) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt zum Anzeigen diagnostischer Information für einen Benutzer enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte enthält: Bewerten des diagnostischen Werts (K) über eine Vielzahl von Systemzyklen hinweg, um eine Veränderung des diagnostischen Werts (K) zu bestimmen; Bewerten der Zykluszeit (T) über eine Vielzahl von Systemzyklen, um eine Veränderung der Zykluszeit (T) zu bestimmen; Vergleichen der Veränderung des diagnostischen Werts (K) mit der Veränderung der Zykluszeit (T), um den Betriebszustand des Systems zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt zum Differenzieren der Strömungsgeschwindigkeit (Q) bezüglich der Zeit, dQ/dT, aufweist, um eine Start- und Stopp-Zeit einer Bewegung eines Stellglieds bzw. Aktors (14) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt aufweist zum Bestimmen einer Zeitdauer für die Integration durch Differenzieren der Strömung.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit (Q) über eine Zeitdauer hinweg integriert wird, die durch eine Start- und Stopp-Zeit einer. Bewegung eines Stellglieds bzw. Aktors (14) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Fluidkraft-Ventil (12) enthält, das mit einem durch einen Kolben (14a) angetriebenen Zylinder als Stellglied bzw. Aktor (14) funktionell verbunden ist, und außerdem einen Schritt aufweist zum Integrieren der Strömungsgeschwindigkeit (Q) über die Zeitdauer hinweg, die durch eine Betätigung des Ventils (12) und eine Rückkehr des Kolbens (14a) in eine Anfangsstellung definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt aufweist zum Bestimmen der Zeitdauer aus einer Bewegung der Vorrichtung in dem System und Integrieren der Strömung über die Zeitdauer hinweg.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt aufweist zum Integrieren der Strömungsgeschwindigkeit (Q) über die Zeitdauer der Zykluszeit (T) hinweg, was der Zeit für einen vollständigen Zyklus des Systems entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt aufweist zum Integrieren der Strömungsgeschwindigkeit (Q) über die Zykluszeit (T) hinweg, um den diagnostischen Wert (K) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte aufweist: Speichern des diagnostischen Werts (K), der bei einer ersten Zeitdauer (T₁) berechnet wird; und Vergleichen des diagnostischen Werts bei dieser Zeitdauer (T₁) mit dem diagnostischen Wert (K), der bei einer zweiten Zeitdauer (T₂) berechnet wird, um ein Diagnostik-Wert-Delta (ΔK) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt aufweist zum Berechnen der Veränderung der Zykluszeit zwischen der ersten Zeitdauer (T₁) und der zweiten Zeitdauer (T₂), um ein Zykluszeit-Delta (ΔT) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt aufweist zum Vergleichen des Diagnostik-Werts-Deltas (ΔK) mit dem Zykluszeit-Delta (ΔT), um einen System-Betriebszustand zu bestimmen.