DE10007308A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der verbleibenden Betriebsdauer eines Produktes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der verbleibenden Betriebsdauer eines ProduktesInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdauern, insbesondere bis zum technischen Versagen, eines Produktes sowie zur Ermittlung der verbleibenden Betriebsdauer des Produktes. Um eine möglichst genaue, nicht modellgestützte Lebensdauerabschätzung für beliebige Produkte, die einen Betriebsdatenspeicher aufweisen oder auf einen solchen Zugriff haben, ohne die Abspeicherung zeitlicher Signalverläufe zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, das Ermitteln der verbleibenden Betriebsdauer des Produktes, das Erfassen von Betriebsdauern der Produkte und das Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten auf der Basis von in Klassen unterteilten (sog. klassierten) Betriebsgrößen durchzuführen. Dabei werden zunächst Gewichtungsfaktoren (a_ij) ermittelt. Danach werden die Gewichtungsfaktoren (a_ij) eingesetzt, um gewichtete, kumulierte Betriebsdauern und Betriebsdauer-Schwellenwerte zu ermitteln. Damit erfolgt die Überwachung der Zuverlässigkeit von s = 1...S Produkten im Serieneinsatz.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Ermittlung der verbleibenden Betriebsdauer
eines Produktes; dabei betrifft die Erfindung weiterhin
Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von
Betriebsdauern bis zum technischen Versagen des Produktes
sowie Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von
Betriebsdauerschwellenwerten von Produkten in Abhängigkeit
von bestimmten zeitveränderlichen Betriebsgrößen für eine
Überwachung der Zuverlässigkeit von Produkten und
schließlich betrifft die Erfindung auch eine in einem
Produkt, dessen Zuverlässigkeit überwacht werden soll,
angeordnete Vorrichtung zum Vergleich der tatsächlichen
Betriebsdauer des Produkts mit Betriebsdauer-
Schwellenwerten gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüche.
Aus der DE 195 16 481 A1 ist ein Verfahren für eine
Lebensdauerbestimmung bekannt. Es wird ein Steuergerät für
ein Kraftfahrzeug beschrieben, das einen
Betriebsdatenspeicher aufweist, in dem Betriebsgrößen des
Kraftfahrzeugs abgespeichert werden, die Aussagen zur
Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. zur künftigen
Zuverlässigkeit des Steuergeräts geben können. In dem
Betriebsdatenspeicher werden wesentliche Daten der
Lebensgeschichte eines Steuergeräts abgespeichert, um bei
Bedarf eine Aussage bzgl. der Zuverlässigkeit des
Steuergeräts treffen zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst
genaue, nicht modellgestützte Lebensdauerabschätzung für
beliebige Produkte, die einen Betriebsdatenspeicher
aufweisen oder auf einen solchen Zugriff haben, zu
ermöglichen. Eine weitere Aufgabenstellung ist eine
optimale Erfassung von Daten und Speicherung in einem
Betriebsdatenspeicher um den Speicher optimal nutzen zu
können, insbesondere um Speicherplatz einzusparen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend
von einem Verfahren zum Erfassen von Betriebsdauern bis zum
technischen Versagen eines Produkts vor, dass Werte von
bestimmten Betriebsgrößen erfasst werden, der Wertebereich
der einzelnen Betriebsgrößen in Klassen unterteilt wird und
die Betriebsdauern in Abhängigkeit von der Klasse, in die
der erfasste Wert der Betriebsgröße fällt, erfasst werden.
Daneben schlägt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der
verbleibenden Betriebsdauer eines Produktes bis zum
technischen Versagen vor, wobei Werte eines Wertebereichs
wenigstens einer Betriebsgrösse des Produktes erfasst
werden, wobei der Wertebereich der Betriebsgrösse in
Klassen unterteilt ist und für jede Klasse eine
Betriebsdauer des Produktes ermittelt und in einem dem
Produkt zugeordneten Betriebsdatenspeicher abgelegt wird,
wobei den Betriebsdauern vorgebbare Gewichtungsfaktoren
zugewiesen werden und damit wenigstens eine gewichtete,
kumulierte Betriebsdauer für das Produkt ermittelt wird,
wobei die gewichtete, kumulierte Betriebsdauer mit
wenigstens einem vorgebbaren Betriebsdauerschwellenwert
verglichen wird und daraus die verbleibende Betriebsdauer
des Produktes ermittelt wird.
Das Produkt, dessen Betriebsdauer bis zum technischen
Versagen erfasst wird, ist bspw. als ein Steuergerät oder
ein Teilsystem (z. B. Bremse, Motor, Getriebe, Lenkung
u. a.) eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Produkte
weisen einen Betriebsdatenspeicher auf bzw. sind einem
solchen zugeordnet, in dem die erfassten Betriebsgrößen
bzw. die Betriebsdauern abgespeichert und bei Bedarf wieder
aufgerufen werden können. Der Betriebsdatenspeicher verfügt
vorzugsweise über einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. ein
EEPROM oder ein Flash-EEPROM) sowie über Mittel zur
Erfassung der Betriebsgrößen bzw. der Betriebsdauern. Bei
einem Kraftfahrzeug kann der Betriebsdatenspeicher bspw. in
einem oder mehreren Steuergeräten realisiert werden.
Mit den Betriebsdatenspeichern werden diskrete
Systemzustände (z. B. Anzahl von Startvorgängen, Anzahl von
Notstarts, Anzahl von Thermoabschaltungen u. a.) sowie die
zeitveränderlichen Betriebsgrößen erfasst. Als
Betriebsgrößen werden bspw. Sensordaten wie Temperatur,
Strom, Spannung, Druck u. a. erfasst.
In dem unter Betriebsbedingungen zulässigen Wertebereich
der Betriebsgrößen wird jeweils eine lineare oder
nichtlineare Unterteilung des Wertebereichs in mehrere
Klassen vorgenommen. Extremwerte, die zu einer
unmittelbaren Zerstörung des Produkts führen, liegen
außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Die
Klassenzuordnung basiert auf der Einteilung des gesamten
Wertebereiches in relevante Belastungsgruppen. Die
einzelnen Klassen haben einen unterschiedlichen Einfluß auf
Alterung/Verschleiß des Produkts. In dem
Betriebsdatenspeicher wird die Betriebsdauer des Produkts
für jede Betriebsgröße in jeder Klasse erfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bestimmung der
individuellen technischen Betriebsdauer eines Produkts
sowie die Berechnung des Abnutzungsgrades zu jedem
beliebigen Zeitpunkt auf der Basis von in Klassen
unterteilten (sog. klassierten) Betriebsgrößen
durchgeführt. Aufgrund der klassierten Betriebsgrößen ist
eine besonders zuverlässige und genaue Bestimmung der
Betriebsdauer eines Produkts möglich, wobei der
Speicherbedarf für den Betriebsdatenspeicher minimiert
wird, da auf eine Erfassung von zeitlichen Verläufen der
Betriebsgrößen verzichtet werden kann. Dadurch wird eine
besonders zuverlässige präventive Wartung/ Reparatur kurz
vor Erreichen des Endes der technischen Betriebsdauer
ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Werte der
Betriebsgrößen in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfasst
werden und ein Klassenzähler einer bestimmten Klasse erhöht
wird, falls der Wert einer erfassten Betriebsgrösse in
diese Klasse fällt. Jeder Betriebsgröße eines bestimmten
Produkts kann nach dem Erfassen der Betriebsdauern somit
ein Betriebsdauer-Histogramm zugewiesen werden, aus dem
sich die Betriebsdauer des Produkts für die Betriebsgröße
innerhalb einer bestimmten Klasse ergibt. Die für die
Betriebsdatenspeicherung notwendige Größe des
Betriebsdatenspeichers in Bytes ergibt sich aus dem Produkt
- - der Anzahl der Betriebsgrößen,
- - der durchschnittlichen Anzahl der Klassen pro Betriebsgröße und
- - der durchschnittlichen Anzahl Bytes pro Klassenzähler.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen von
Betriebsdauern auf der Basis klassierter Betriebsgrößen hat
insbesondere beim Bestimmen von Betriebsdauer-
Schwellenwerten von Produkten für eine Überwachung der
Zuverlässigkeit von Produkten besondere Vorteile. Deshalb
wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von
Betriebsdauer-Schwellenwerten der eingangs genannten Art
vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - die Betriebsdauern der Produkte für die Klassen der Betriebsgrößen bis zum technischen Versagen des Produkts durch Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 bestimmt werden;
- - den Klassen der Betriebsgrößen Gewichtungsfaktoren zugewiesen werden;
- - die Gewichtungsfaktoren aus der Lösung eines
Optimierungsproblems
min{f(x)}, mit x = {a_ij, t_ijk}
unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen ermittelt werden; - - für die Produkte kritische kumulierte Betriebsdauern
für die einzelnen Betriebsgrößen aus der Gleichung
ermittelt werden; und - - für die einzelnen Produkte die Betriebsdauer-
Schwellenwerte aus der Gleichung
min{P_iz_krit}, mit i = 1. . .N oder
ermittelt werden.
Die einzelnen Klassen haben einen unterschiedlichen
Einfluss auf Alterung/Verschleiß der Produkte. Deshalb
werden den Klassen der Betriebsgrößen Gewichtungsfaktoren
zugewiesen, die den relativen Einfluss einer bestimmten
Klasse einer bestimmten Betriebsgröße auf die Alterung bzw.
den Verschleiß des Produkts ausdrückt. Die Erfindung sieht
vor, die Gewichtungsfaktoren aus einer Teilmenge K der
Produkte zu ermitteln und diese dann auf die Teilmenge Z
der Produkte anzuwenden. Dadurch können für die Produkte
aus der Teilmenge S die kritischen gewichteten kumulierten
Betriebsdauern der Betriebsgrößen für den Serieneinsatz
bestimmt werden, bei deren Erreichen auf ein Ende der
technischen Betriebsdauer geschlossen werden kann.
Die Gewichtungsfaktoren werden aus der Lösung eines
Optimierungsproblems
min{f(x)}, mit x = {a_ij, t_ijk}
unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den
einzelnen Betriebsgrößen ermittelt, wobei a_ij der
Gewichtungsfaktor ist, der der Klasse j der Betriebsgröße i
zugewiesen ist, und t_ijk die Betriebsdauer des Produkts k
für die Klasse j der Betriebsgröße i ist. Die Korrelation
zwischen den Betriebsgrößen kann bspw. dadurch
berücksichtigt werden, dass die Gewichtungsfaktoren aus
einem Gleichungssystem bestimmt werden, in dem die
gewichteten kumulierten Betriebsdauern für jede
Betriebsgröße mittels Operatoren miteinander verknüpft
werden. Die Operatoren können bspw. eine UND-Verknüpfung
(Produktbildung), eine ODER-Verknüpfung (Summenbildung)
oder eine Fuzzy-Verknüpfung (z. B. einen Zwischenzustand
zwischen UND und ODER) darstellen.
Nachdem die Gewichtungsfaktoren durch Lösung eines
Optimierungsproblems mit geeigneten mathematischen
Optimierungsalgorithmen ermittelt wurden, sind die
kritischen kumulierten Betriebsdauern für die einzelnen
Betriebsgrößen festzulegen, bei deren Erreichen auf ein
Ende der technischen Betriebsdauer geschlossen werden kann.
Dazu wird mit Hilfe von K Produkten eine Anzahl von Z
Produkten bis zum technischen Versagen betrieben, wobei die
aus den K Produkten berechneten Gewichtungsfaktoren auf die
klassierten Betriebsgrößen der Z Produkte angewendet
werden. Es wird
für alle Betriebsgrößen und für alle Z Produkte ermittelt,
wobei P_iz_krit die kritische kumulierte Betriebsdauer des
Produkts z der Betriebsgröße i ist und t_ijz die
Betriebsdauer des Produkts z für die Klasse j der
Betriebsgröße i ist. Damit erhält man Z Vektoren der
gewichteten kumulierten Betriebsdauern
Y_z = (P_1z_krit, P_2z_krit, . . ., P_Nz_krit),
mit z = 1. . .Z
Für die einzelnen Produkte werden die Betriebsdauer-
Schwellenwerte, bei deren Erreichen auf ein baldiges
technisches Lebensende des Produkts geschlossen werden
kann, aus den Spaltenminima der Matrix Y_z gemäß der
Gleichung
min{P_iz_krit}, mit i = 1. . .N
oder aus dem Durchschnitt der Spaltenelemente der Matrix
Y_z gemäß der Gleichung
ermittelt. Das funktioniert mit der geforderten
Zuverlässigkeit, wenn die einzelnen Spaltenelemente
hinreichend dicht beieinander liegen, d. h. wenn die
Standardabweichung der Spaltenelemente nicht zu gross ist.
Ausreisser sollen bei der Auswahl der Spaltenminima nicht
berücksichtigt werden.
Nachdem die kritischen kumulierten Betriebsdauern für die
einzelnen Betriebsgrößen ermittelt wurden, kann bei allen
mit Betriebsdatenspeichern ausgestatteten Serienprodukten
kurz vor Erreichen des kritischen Schwellenwertes die
Notwendigkeit einer Reparatur, eines Austausches oder einer
Wartung durch das Produkt signalisiert werden. Alternativ
werden die in dem Produkt gespeicherten Betriebsgrößen im
Rahmen einer regelmäßigen Produktwartung ausgewertet.
Zusammenfassend werden also zunächst k = 1. . .K Produkte bis
zum technischen Versagen betrieben, um die
Gewichtungsfaktoren a_ij ermitteln zu können. Danach werden
die Gewichtungsfaktoren a_ij in die Betriebsdatenspeicher
von z = 1. . .Z Produkten integriert, die wieder bis zum
technischen Versagen betrieben werden, um die kritischen
kumulierten Betriebsdauern P_iz_krit und über eine
Minimalauswahl oder den Durchschnitt der kritischen
kumulierten Betriebsdauern P_iz_krit die Betriebsdauer-
Schwellenwerte zu ermitteln. Danach erfolgt die Überwachung
der Zuverlässigkeit von s = 1. . .S Produkten im
Serieneinsatz, wobei die tatsächliche Betriebsdauer eines
Produkts s mit einem Schwellenwert verglichen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gewichtungsfaktoren
aus der Lösung des Optimierungsproblems
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung
a_ij < 0, wobei a_ij der Gewichtungsfaktor ist, der der
Klasse j der Betriebsgröße i zugewiesen ist, und t_ijk die
Betriebsdauer des Produkts k für die Klasse j der
Betriebsgröße i ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird bei
der Berechnung der Gewichtungsfaktoren keine Korrelation
zwischen den einzelnen Betriebsgrössen berücksichtigt. Es
wird also von der Annahme ausgegangen, dass jede
Betriebsgröße unabhängig von den Werten der anderen
Betriebsgrößen zur technischen Zerstörung des Produktes
führen kann.
Wird keine Korrelation zwischen den einzelnen
Betriebsgrößen zur Bestimmung der Gewichtungsfaktoren
zugrundegelegt, kann das größte Verhältnis einer
gewichteten kumulierten Betriebsdauer für eine
Betriebsgröße zum kritischen Schwellenwert der
Betriebsgröße als Abnutzungsgrad interpretiert werden. Die
verbleibende Restlebensdauer in % wird dann berechnet gemäß
Restlebensdauer [%] = 1 - Abnutzungsgrad [%]
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gewichtungsfaktoren
aus der Lösung des Optimierungsproblems
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung
a_ij < 0. Bei dieser Ausführungsform wird die Korrelation
zwischen den einzelnen Betriebsgrößen berücksichtigt. Es
wird also von der Annahme ausgegangen, dass mehrere
Betriebsgrößen gemeinsam zur technischen Zerstörung des
Produktes führen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die
Betriebsgrößen mittels reiner UND-Verknüpfungen
(Produktbildung) miteinander verknüpft. Die
Gewichtungsfaktoren werden derart bestimmt, dass die durch
den UND-Operator verknüpften gewichteten Klassensummen
eines jeden Produktes einen minimalen "Abstand" zueinander
besitzen.
Gemäß einer dritten alternativen Ausführungsform ist an
eine Verknüpfung mehrerer Betriebsgrößen auf der Ebene von
einzelnen Klassen gedacht. Dabei wird von der Annahme
ausgegangen, dass mehrere Betriebsgrößen innerhalb
bestimmter Klassen zu einer technischen Zerstörung des
Produktes führen.
Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird
ausgehend von einer Vorrichtung zum Erfassen der
Betriebsdauern bis zum technischen Versagen eines Produkts
des weiteren vorgeschlagen, dass die Vorrichtung erste
Mittel zum Erfassen der Werte von bestimmten Betriebsgrößen
in regelmäßigen zeitlichen Abständen aufweist, der
Wertebereich der einzelnen Betriebsgrößen in Klassen
unterteilt ist und die Vorrichtung zweite Mittel zum
Erfassen der Betriebsdauern in Abhängigkeit von der Klasse
aufweist, in die der erfasste Wert der Betriebsgröße fällt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
vorgeschlagen, dass die zweiten Mittel einen Klassenzähler
einer bestimmten Klasse erhöhen, falls der Wert einer
erfassten Betriebsgrösse in diese Klasse fällt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen von
Betriebsdauern auf der Basis klassierter Betriebsgrößen hat
insbesondere beim Bestimmen von Betriebsdauer-
Schwellenwerten von Produkten für eine Überwachung der
Zuverlässigkeit von Produkten besondere Vorteile. Deshalb
wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen von
Betriebsdauer-Schwellenwerten der eingangs genannten Art
vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die
Vorrichtung Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 5 bis 8 aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird
ausgehend von einer in einem zu überwachenden Produkt
angeordneten Vorrichtung der eingangs genannten Art
vorgeschlagen, dass die Betriebsdauer-Schwellenwerte gemäß
dem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ermittelt
sind. Der Betriebsdatenspeicher der Vorrichtung kann
besonders klein ausgebildet werden, da bei einer Ermittlung
der Betriebsdauer-Schwellenwerte gemäß der Erfindung auf
eine speicherintensive Erfassung von zeitlichen Verläufen
der Betriebsgrößen verzichtet werden kann.
Eine Betriebsdatenerfassung in Klassen hat darüber hinaus
insbesondere den Vorteil, dass der Speicher optimal genutzt
werden kann, also insbesondere nur wenig Speicherplatz
benötigt wird, da keine aufwendige Erfassung von
Betriebsgrössen über die gesamte Zeitachse, bzw. mit Bezug
zur Zeitachse durchgeführt werden muss. Dadurch kann die
Erfindung, insbesondere die Betriebsdatenerfassung
zweckmässigerweise als Zusatzfunktionalität in einem
Steuergerät realisiert werden oder in einer eigens dafür
vorgesehenen Vorrichtung.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus der Beschreibung und den Merkmalen der Ansprüche.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Erfassen von Betriebsdauern bis
zum technischen Versagen eines Produkts gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform; und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Bestimmen von Betriebsdauer-
Schwellenwerten von Produkten gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Erfassen von Betriebsdauern t_ijk eines
Produkts k = 1. . .K bis zum technischen Versagen des
Produkts k gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
dargestellt. Das Produkt k, dessen Betriebsdauer t_ijk
erfasst wird, ist bspw. als ein Steuergerät oder ein
Teilsystem (z. B. Bremse, Motor, Getriebe, Lenkung u. a.)
eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Das Produkt k weist einen
Betriebsdatenspeicher auf, in dem erfasste Betriebsgrößen
i = 1. . .N bzw. die Betriebsdauern t_ijk abgespeichert und
bei Bedarf wieder aufgerufen werden können. Der
Betriebsdatenspeicher verfügt vorzugsweise über einen
nichtflüchtigen Speicher (z. B. einen EEPROM oder einen
Flash-EEPROM) sowie über Mittel zur Erfassung der
Betriebsgrößen bzw. Betriebsdauern. Bei einem Kraftfahrzeug
kann der Betriebsdatenspeicher bspw. in einem oder mehreren
Steuergeräten realisiert werden.
Mit den Betriebsdatenspeichern werden diskrete
Systemzustände (z. B. Anzahl von Startvorgängen, Anzahl von
Notstarts, Anzahl von Thermoabschaltungen u. a.) sowie die
zeitveränderlichen Betriebsgrößen i erfasst. Als
Betriebsgrößen i werden bspw. Sensordaten wie Temperatur,
Strom, Spannung, Druck u. a. erfasst.
Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 10. In einem
Funktionsblock 11 wird der unter Betriebsbedingungen
zulässige Wertebereich der einzelnen zu erfassenden
Betriebsgrößen i in Klassen j = 1. . .M_i linear oder
nichtlinear unterteilt. Extremwerte, die zu einer
unmittelbaren Zerstörung des Produkts k führen, liegen
außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Die
Klassenzuordnung basiert auf der Einteilung des gesamten
Wertebereiches in relevante Belastungsgruppen. Die
einzelnen Klassen j haben einen unterschiedlichen Einfluß
auf Alterung/Verschleiß des Produkts k.
In einem nachfolgenden Funktionsblock 12 werden in
regelmäßigen zeitlichen Abständen Werte der Betriebsgrößen
i erfasst. Die Betriebsdauern t_ijk werden in Abhängigkeit
von der Klasse j, in die der erfasste Wert der
Betriebsgröße i fällt, erfasst. Dazu wird in einem
Funktionsblock 13 ein Klassenzähler einer bestimmten Klasse
j erhöht, falls der Wert der erfassten Betriebsgrösse i in
diese Klasse j fällt. Jeder Betriebsgröße i eines
bestimmten Produkts k kann nach dem Erfassen der Betriebs
dauern t_ijk somit ein Betriebsdauer-Histogramm zugewiesen
werden, aus dem sich die Betriebsdauer t_ijk des Produkts k
für die Betriebsgröße i innerhalb einer bestimmten Klasse j
ergibt. Aus dem Produkt aus dem Stand der Klassenzähler und
dem zeitlichen Abstand der erfassten Werte der Betriebs
grössen i ergeben sich die Betriebsdauern t_ijk.
In einem nachfolgenden Abfrageblock 14 wird überprüft, ob
das Erfassen der Betriebsdauern t_ijk beendet ist. Falls
nein, wird wieder zu dem Funktionsblock 12 verzweigt. Falls
das Erfassen der Betriebsdauern t_ijk beendet ist, wird zu
dem Ende des Verfahrens in Funktionsblock 15 verzweigt.
In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Bestimmen von Betriebsdauer-Schwellenwerten
der Produkte z gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt in
einem Funktionsblock 20. Dann werden zunächst die
Betriebsdauern t_ijk der Produkte k für die Klasse j der
Betriebsgrößen i bis zum technischen Versagen des Produkts
k durch Verwendung des Verfahrens gemäß Fig. 1 bestimmt.
Anschließend werden in einem Funktionsblock 21 den Klassen
der Betriebsgrößen i Gewichtungsfaktoren a_ij zugewiesen.
Da die einzelnen Klassen j einen unterschiedlichen Einfluss
auf Alterung/Verschleiß der Produkte k haben, werden den
Klassen j der Betriebsgrößen i Gewichtungsfaktoren a_ij
zugewiesen, die den relativen Einfluss einer bestimmten
Klasse j einer bestimmten Betriebsgröße i auf die Alterung
bzw. den Verschleiß des Produkt k ausdrückt.
In einem nachfolgenden Funktionsblock 22 werden die
Gewichtungsfaktoren a_ij aus der Lösung eines
Optimierungsproblems
min{f(x)}, mit x = {a_ij, t_ijk}
unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den
einzelnen Betriebsgrößen i ermittelt. Die
Gewichtungsfaktoren a_ij können bspw. aus der Lösung des
Optimierungsproblems
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung
a_ij < 0. Dabei wird keine Korrelation zwischen den
einzelnen Betriebsgrößen berücksichtigt und von der Annahme
ausgegangen, dass jede Betriebsgröße i unabhängig von den
Werten der anderen Betriebsgrößen i zur technischen
Zerstörung des Produktes k führen kann.
Alternativ können die Gewichtungsfaktoren a_ij auch aus der
Lösung des Optimierungsproblems
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung
a_ij < 0. Es wird die Korrelation zwischen den einzelnen
Betriebsgrößen i berücksichtigt und von der Annahme
ausgegangen, dass mehrere Betriebsgrößen i gemeinsam zur
technischen Zerstörung des Produktes k führen. Die
Betriebsgrößen i sind in dem Ausführungsbeispiel mittels
reiner UND-Verknüpfungen (Produktbildung) miteinander
verknüpft.
Gemäß einer dritten Alternative ist eine Verknüpfung
mehrerer Betriebsgrößen i auf der Ebene von einzelnen
Klassen j denkbar. Dabei wird von der Annahme ausgegangen,
dass mehrere Betriebsgrößen i innerhalb bestimmter Klassen
j zu einer technischen Zerstörung des Produktes k führen.
Die Erfindung sieht vor, die Gewichtungsfaktoren a_ij aus
einer Teilmenge K der Produkte k zu ermitteln und diese
dann auf die Teilmenge Z der Produkte z anzuwenden. Dadurch
können kritische kumulierte Betriebsdauern P_iz_krit der
Betriebsgrößen i für den Serieneinsatz bestimmt werden, bei
deren Erreichen auf ein Ende der technischen Betriebsdauer
geschlossen werden kann.
In einem Funktionsblock 23 werden dann für die Produkte z
kritische kumulierte Betriebsdauern P_iz_krit für die
einzelnen Betriebsgrößen i aus der Gleichung
ermittelt, indem die Produkte z bis zum technischen
Versagen betrieben werden. Damit erhält man Z Vektoren der
gewichteten kumulierten Betriebsdauern
Y_z = (P_1z_krit, P_2z_krit, . . ., P_Nz_krit),
mit z = 1. . .Z
Für die einzelnen Produkte z werden schließlich in
Funktionsblock 24 die Betriebsdauer-Schwellenwerte, bei
deren Erreichen auf ein baldiges technisches Lebensende des
Produkts geschlossen werden kann, aus den Spaltenminima der
Matrix Y_z gemäß der Gleichung
min{P_iz_krit}, mit i = 1. . .N
oder aus dem Durchschnitt der Spaltenelemente der Matrix
Y_z gemäß der Gleichung
ermittelt. Das funktioniert dann mit der geforderten
Zuverlässigkeit, wenn die einzelnen Spaltenelemente
hinreichend dicht beieinander liegen, d. h. wenn die
Standardabweichung der Spaltenelemente klein ist.
Ausreißer, sofern vorhanden, sollten also bei der Auswahl
der Spaltenminima nicht berücksichtigt werden. In
Funktionsblock 25 ist das Verfahren zum Bestimmen von
Betriebsdauer-Schwellenwerten der Produkte z beendet. Zur
Bestimmung der Betriebsdauerschwellenwerte können neben
absoluter oder relativer Minimalauswahl und einfacher
Mittelwertbildung auch andere Verfahren und Vorgehensweisen
wie gleitende oder empirische oder harmonische
Mittelwertbildung oder Meridianbildung, usw. eingesetzt
werden.
Nachdem die kritischen kumulierten Betriebsdauern P_iz_krit
für die einzelnen Betriebsgrößen i ermittelt wurden, kann
bei allen mit Betriebsdatenspeichern ausgestatteten
Serienprodukten s kurz vor Erreichen des kritischen
Schwellenwertes die Notwendigkeit einer Reparatur, eines
Austausches oder einer Wartung durch das Produkt s
signalisiert werden. Dies kann insbesondere auch in Form
einer Eigendiagnose des Serienprodukts erfolgen. Alternativ
werden die in dem Produkt s gespeicherten Betriebsgrößen im
Rahmen einer regelmäßigen Produktwartung ausgewertet. Diese
Produktwartung kann dann auch z. B. bei einem Teilprodukt
eines Fahrzeugs, oder dem Fahrzeug selbst im Betrieb selbst
in Form einer On-Bord-Diagnose durchgeführt werden.
Fig. 3 zeigt dazu schematisch eine mögliche
erfindungsgemässe Vorrichtung. Mit P ist das Produkt selbst
bezeichnet. Dieses ist durch ein Kommunikationssystem KS,
insbesondere ein Leitungs- oder Bussystem, mit einem
produktexternen Betriebsdatenspeicher BSe verbunden.
Alternativ kann im Produkt selbst ein interner
Betriebsdatenspeicher BSi vorgesehen sein. Es können auch
beide Speicher gleichzeitig vorhanden sein und z. B. ein
virtueller Speicher aus BSe und BSi gebildet werden. In M
sind die Mittel zusammengefasst, z. B. in Form eines
Mikrocomputers oder Mikrocontrollers, die zur Durchführung
der erfindungsgemässen Verfahren wie vorab dargestellt
Verwendung finden. Diese Mittel können, z. B. auch in einem
Steuergerät eines Kfz vorhanden sein oder eingebracht
werden.
Das Produkt P, dessen Betriebsdauer erfasst wird, ist bspw.
als ein Steuergerät oder ein Teilsystem (z. B. Bremse,
Motor, Getriebe, Lenkung u. a.) eines Kraftfahrzeugs
ausgebildet. Die Produkte P weisen einen
Betriebsdatenspeicher BSi auf bzw. sind einem solchen
zugeordnet (BSe), in dem die erfassten Betriebsgrössen bzw.
die Betriebsdauern abgespeichert und bei Bedarf wieder
aufgerufen werden können. Der Betriebsdatenspeicher verfügt
vorzugsweise über einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. ein
EEPROM oder ein Flash-Speicher) sowie über Mittel EM zur
Erfassung der Betriebsgrößen bzw. der Betriebsdauern. Bei
einem Kraftfahrzeug kann der Betriebsdatenspeicher bspw. in
einem oder mehreren Steuergeräten realisiert werden. Die
Erfassungsmittel EM beziehen ihre Informationen z. B. über
das Kommunikationssystem KS oder andere Schnittstellen des
Produktes, z. B. zu übriger Sensorik oder Aktuatorik. Die
Auswertung, Betriebsdauererfassung, Betriebsdauerermittlung
durch Schwellenwertvergleich, usw. wird insbesondere durch
die Mittel M durchgeführt, die auch die Signalisierung oder
das Einleiten weiterer Massnahmen einleiten bzw.
durchführen. Die Erfassungsmittel EM und die Mittel M
können auch in Kombination, also vereint vorliegen und
ebenso den Betriebsdatenspeichern gezielt zugeordnet bzw.
in diese integriert sein.
Mit den Betriebsdatenspeichern werden diskrete
Systemzustände (z. B. Anzahl von Startvorgängen, Anzahl von
Notstarts, Anzahl von Thermoabschaltungen u. a.) sowie die
zeitveränderlichen Betriebsgrößen erfasst. Als
Betriebsgrößen werden bspw. Sensordaten wie Temperatur,
Strom, Spannung, Druck u. a. erfasst. Die dazu nötige
Sensorik ist z. B. über das Kommunikationssystem KS
angebunden oder über weitere Schnittstellen mit dem Produkt
gekoppelt. Je nach Produkt, kann die Sensorik auch teilweise
oder gänzlich im Produkt integriert sein. Gleiches gilt für
insbesondere erfindungsgemässe Informationen liefernde
Aktuatorik.
Somit kann also bei allen mit Betriebsdatenspeichern
ausgestatteten Serienprodukten s kurz vor Erreichen des
kritischen Schwellenwertes die Notwendigkeit einer
Reparatur, eines Austausches oder einer Wartung durch das
Produkt s signalisiert werden. Dies kann insbesondere auch
in Form einer Eigendiagnose des Serienprodukts s, z. B.
durch Betriebsdatenspeicher mit integrierten Mitteln M bzw.
Erfassungsmitteln EM, erfolgen.
Claims (13)
1. Verfahren zur Ermittlung der verbleibenden
Betriebsdauer eines Produktes bis zum technischen
Versagen, dadurch gekennzeichnet, dass Werte eines
Wertebereichs wenigstens einer Betriebsgrösse des
Produktes erfasst werden, wobei der Wertebereich der
Betriebsgrösse in Klassen unterteilt ist und für jede
Klasse eine Betriebsdauer des Produktes ermittelt und
in einem dem Produkt zugeordneten Betriebsdaten
speicher abgelegt wird, wobei den Betriebsdauern
vorgebbare Gewichtungsfaktoren zugewiesen werden und
damit wenigstens eine gewichtete, kumulierte
Betriebsdauer für das Produkt ermittelt wird, wobei die
gewichtete, kumulierte Betriebsdauer mit wenigstens
einem vorgebbaren Betriebsdauerschwellenwert verglichen
wird und daraus die verbleibende Betriebsdauer des
Produktes ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestimmung der verbleibenden Betriebsdauer im
Produkt selbst in Form einer Eigendiagnose des
Produktes erfolgt und vor oder bei Erreichen des
wenigstens einen Betriebsdauerschwellenwertes durch
wenigstens eine Betriebsdauer dieses signalisiert wird
und geeignete Massnahmen eingeleitet werden.
3. Verfahren zum Erfassen von Betriebsdauern (t_ijk) eines
Produkts (k), dadurch gekennzeichnet, dass Werte aus
Wertebereichen von bestimmten Betriebsgrössen (i)
erfasst werden, der Wertebereich der einzelnen
Betriebsgrössen (i) in Klassen (j = 1. . .M_i) unterteilt
wird und die Betriebsdauern in Abhängigkeit von der
Klasse, in die der erfasste Wert der Betriebsgrösse
fällt, erfasst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Werte der Betriebsgrössen (i)
in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfasst werden und
ein Klassenzähler einer bestimmten Klasse (j) erhöht
wird, falls der Wert einer erfassten Betriebsgrösse (i)
in diese Klasse (j) fällt.
5. Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsdauerschwellen
wertes eines Produktes für eine Überwachung der
Zuverlässigkeit des Produktes durch Vergleich einer
Betriebsdauer mit einem Schwellenwert dadurch
gekennzeichnet, dass Werte von Wertebereichen
vorgebbarer Betriebsgrössen des Produktes erfasst
werden, wobei der jeweilige Wertebereich der jewei
ligen Betriebsgrösse in Klassen unterteilt wird und die
Werte und/oder die Betriebsdauern in einem dem Produkt
zugeordneten Betriebsdatenspeicher entsprechend der
Klassen abgelegt werden und dass eine erste Teilmenge
eines Produktes bis zum technischen Versagen betrieben
wird, wodurch die Betriebsdauern der Klassen der
vorgebbaren Betriebsgrössen des Produktes ermittelt
werden, wobei daraus je Klasse und Betriebsgrösse ein
Gewichtungsfaktor ermittelt wird, der den Einfluss zum
technischen Versagen des Produktes der jeweiligen
Klasse und Betriebsgrösse widerspiegelt und eine zweite
Teilmenge des Produktes bis zum technischen Versagen
betrieben wird, wobei die Gewichtungsfaktoren, die aus
der ersten Teilmenge ermittelt wurden auf die zweite
Teilmenge angewendet werden und bei der zweiten
Teilmenge des Produktes je Betriebsgrösse eine
kritische Betriebsdauer über alle Klassen ermittelt
wird und aus den kritischen Betriebsdauern über alle
Klassen aller Betriebsgrössen der
Betriebsdauerschwellenwert ermittelt wird.
6. Verfahren zum Bestimmen von Betriebsdauer-
Schwellenwerten von Produkten (z = 1. . .Z) in
Abhängigkeit von bestimmten zeitveränderlichen
Betriebsgrößen (i = 1. . .N) für eine Überwachung der
Zuverlässigkeit von Produkten (s = 1. . .S), wobei im
Rahmen der Überwachung die tatsächliche Betriebsdauer
eines Produkts (s) mit einem Schwellenwert verglichen
wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Betriebsdauern (t_ijk) der Produkte (k) für die Klassen (j) der Betriebsgrößen (i) bis zum technischen Versagen des Produkts (k) durch Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 4 bestimmt werden;
- - den Klassen (j) der Betriebsgrößen (i) Gewichtungsfaktoren (a_ij) zugewiesen werden;
- - die Gewichtungsfaktoren (a_ij) aus der Lösung eines
Optimierungsproblems
min{f(x)}, mit x = {a_ij, t_ijk}
unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den einzelnen Betriebsgrößen ermittelt werden; - - für die Produkte (z) kritische kumulierte
Betriebsdauern (P_iz_krit) für die einzelnen
Betriebsgrößen (i) aus der Gleichung
ermittelt werden; und - - für die einzelnen Produkte (z) die Betriebsdauer-
Schwellenwerte aus der Gleichung
min{P_iz_krit}, mit i = 1. . .N oder
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren (a_ij) aus
der Lösung des Optimierungsproblems
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij < 0.
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij < 0.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren (a_ij) aus
der Lösung des Optimierungsproblems
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij < 0.
ermittelt werden, mit der Ungleichungsnebenbedingung a_ij < 0.
9. Vorrichtung zur Ermittlung der verbleibenden
Betriebsdauer eines Produktes bis zum technischen
Versagen, dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel
enthalten sind, welche Werte eines Wertebereichs
wenigstens einer Betriebsgrösse des Produktes erfassen,
wobei der Wertebereich der Betriebsgrösse in Klassen
unterteilt ist und zweite Mittel enthalten sind, die
für jede Klasse eine tatsächliche Betriebsdauer des
Produktes ermitteln und in einem dem Produkt
zugeordneten Betriebsdatenspeicher ablegen, wobei
weiterhin dritte Mittel enthalten sind, welche den
Betriebsdauern vorgebbare Gewichtungsfaktoren zuweisen
und damit wenigstens eine gewichtete, kumulierte
Betriebsdauer für das Produkt ermitteln und vierte
Mittel enthalten sind, welche die gewichtete,
kumulierte Betriebsdauer mit wenigstens einem
vorgebbaren Betriebsdauerschwellenwert vergleichen und
daraus die verbleibende Betriebsdauer des Produktes
ermitteln.
10. Vorrichtung zum Erfassen der Betriebsdauern (t_ijk)
eines Produkts (k), dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorrichtung erste Mittel zum Erfassen der Werte von
bestimmten Betriebsgrössen (i) in regelmäßigen
zeitlichen Abständen aufweist, der Wertebereich der
einzelnen Betriebsgrössen (i) in Klassen (j = 1. . .M_i)
unterteilt ist und die Vorrichtung zweite Mittel zum
Erfassen der Betriebsdauern in Abhängigkeit von der
Klasse aufweist, in die der erfasste Wert der
Betriebsgrösse fällt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel einen
Klassenzähler einer bestimmten Klasse (j) erhöhen,
falls der Wert einer erfassten Betriebsgrösse (i) in
diese Klasse (j) fällt.
12. Vorrichtung zum Bestimmen von Betriebsdauer
schwellenwerten von Produkten (z = 1. . .Z) in
Abhängigkeit von bestimmten zeitveränderlichen
Betriebsgrössen (1 = 1. . .N) für eine Überwachung der
Zuverlässigkeit von Produkten (s = 1. . .S), wobei im
Rahmen der Überwachung die Betriebsdauer eines Produkts
(s) mit einem Schwellenwert verglichen wird, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur
Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5
bis 8 aufweist.
13. In einem Produkt (s = 1. . .S), dessen Zuverlässigkeit
überwacht werden soll, angeordnete Vorrichtung mit
Mitteln zum Vergleich der Betriebsdauer des Produkts
(s) mit Schwellenwerten, dadurch gekennzeichnet, dass
als Schwellenwerte Betriebsdauerschwellenwerte gemäß
dem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8
eingesetzt werden.
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