EP1812718B1

EP1812718B1 - Diagnosevorrichtung für wenigstens eine pneumatische ventil-aktuator-anordnung

Info

Publication number: EP1812718B1
Application number: EP04803190A
Authority: EP
Inventors: Jan Bredau; Reinhard Keller
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: WO2006056214A1; DK1812718T3; US7620522B2; US20080065355A1; JP2008520919A; CN101061320A; JP4707717B2; EP1812718A1; DE502004007932D1; ATE405748T1; CN101061320B

Description

Die Erfindung betrifft eine Diagnosevorrichtung für wenigstens eine pneumatische Ventil-Aktuator-Anordnung, mit einem Drucksensor, einem Volumenstromsensor, einer Steuereinrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen für die Ventil-Aktuator-Anordnung und mit Positionssensoren zur Positionserfassung wenigstens eines bewegbaren Aktuatorglieds.
Derartige Diagnosevorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 19628221 C2 oder der DE 10052664 A1 bekannt und dienen insbesondere auch zur Prozessüberwachung. Bei den bekannten Einrichtungen werden gespeicherte Referenzkurven für den Druck, beispielsweise an einem Aktuator, und/oder für den Volumenstrom des Pneumatikmediüms mit aktuell gemessenen Druckverläufen und Volumenstromverläufen verglichen, wobei Überschreitungen von vorgegebenen Toleranzen zu Diagnosemeldungen führen. Die bekannten Vorrichtungen eignen sich lediglich zur Bestimmung des Fehlerorts, also welches Ventil oder welcher Aktuator oder welche Ventil-Aktuator-Anordung eine Fehlfunktion aufweist. Die genaue Art der Fehlfunktion kann jedoch bei den bekannten Vorrichtungen nicht festgestellt werden. Weiterhin ist eine Diagnosevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus US 2004/39488 A1 bekannt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Diagnosevorrichtung für solche Ventil-Aktuator-Anördungen zu schaffen, durch die die Art des aufgetretenen Fehlers detektiert und gemeldet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Diagnosevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung bestehen insbesondere darin, dass auftretende Fehler exakt unter Vermeidung aufwendiger mathematischer Modelle und bei relativ geringer erforderlicher Sensorik bestimmt werden können. Die generierten Diagnosemeldungen liefern eindeutige Informationen zu Art und Ort des Fehlers in der Ventil-Aktuator-Anordung. Durch das Zusammenwirken verschiedener Diagnosemodule und insbesondere durch die Reihenfolge der Abarbeitung können eindeutige Fehleraussagen erfolgen und Fehlerkennungen vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Diagnosevorrichtung möglich.
In vorteilhafter Weise dient das dritte Diagnosemodul zur Detektion von Last- und Reibungsänderungen bei bewegbarem Aktuatorglied, wobei ein viertes Diagnosemodul zur Detektion von Ventilschaltfehlern vorgesehen ist, das bei einer Fehlererkennung durch das dritte Diagnosemodul deaktiviert ist. Dies dient zur sicheren Unterscheidung dieser beiden Fehlerarten.
Das erste Diagnosemodul ist zur Überwachung des Druckmittels des Drucksensors in einer abgeschlossenen, unter Druck stehenden Kammer des Aktuators während vorzugsweise durch Positionssensoren detektierten Pausenphasen ausgebildet. Diese können dadurch in vorteilhafter Weise zur Diagnose verwendet werden. Hierzu besitzt das erste Diagnosemodul Mittel zur Ermittlung des Druckgradienten und/oder des Leckagevolumenstroms und/oder des Strömungsleitwerts für die Leckagestelle sowie Vergleichsmittel zum Vergleich mit Referenzwerten, deren Überschreitung eine Leckagemeldung erzeugt. Hieraus können sogar noch quantitative Daten ermittelt werden. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bei einem internen Leck (zum Beispiel defekte Kolbendichtung) der Leckageleitweg immer kleiner wird, während er bei einem externen Leck über die meßzeit nahezu konstant bleibt, kann zudem noch durch entsprechende Auswertemittel interne und externe Leckage unterschieden werden.
Die Erkennung einer Drosselung in der Ventil-Aktuator-Anordung erfolgt in vorteilhafter Weise durch das zweite Diagnosemodul, das jeweils den Strömungsleitwert während durch die Positionssensoren detektierten Bewegungsphasen des bewegbaren Aktuatorglieds ausgebildet ist. Das zweite Diagnosemodul arbeitet somit abwechselnd zum ersten Diagnosemodul, das in den Pausenphasen arbeitet.
Das zweite Diagnosemodul besitzt zweckmäßigerweise Mittel zur Berechnung des Mittelwerts des Strömungsleitwerts während der Bewegung des Aktuatorglieds, wobei Vergleichsmittel zur Überprüfung dieses Mittelwerts auf Abweichungen von wenigstens einem Referenzwert vorgesehen sind, die ab einer vorgebbaren Grenzwertabweichung eine Meldung über eine irreguläre Drosselung erzeugen. Da die Temperatur nicht unwesentlich den Strömungsleitwert beeinflusst, sind Schaltmittel vorgesehen, die das zweite Diagnosemodul bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur oder bei extremen Temperaturänderungen deak-tivieren.
Das dritte, zur Detektion von Last- und Reibungsänderungen beim bewegbaren Aktuatorglied dienende Diagnosemodul ist vorzugsweise zur Überwachung eines der folgenden Druckwerte auf Abweichungen von vorgebbaren Normdruckwerten ausgebildet: Maximaler Druck zwischen Betätigungssignal und entsprechendem Beginn der Bewegungsphase aus einer Endlage heraus, mittlerer Druck während der Bewegungsphase bei Befüllung einer Aktuatorkammer, mittlerer Druck während der Bewegungsphase bei Entleerung dieser Aktuatorkammer. Werden alle diese Druckwerte erfasst, so kann eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten hinsichtlich Last- und Reibungsänderungen unterschieden werden. Dabei wird lediglich das Signal des Drucksensors und Positionssensoren zur Bewegungserkennung benötigt.
Eine bevorzugte Art der Auswertung erfolgt durch Mittel zur Berechnung der äquivalenten Kraftwerte und zur Ermittlung und Bewertung von Differenzwerten in Bezug auf entsprechende Normwerte.
Das zur Detektion von Ventilschaltfehlern dienende vierte Diagnosemodul tritt nur in Tätigkeit, wenn alle anderen Diagnosemodule keine Diagnosemeldungen erzeugen. Nur dann kann nämlich sicher auf Ventilschaltfehler geschlossen werden. Hierzu wird in vorteilhafter Weise die Zeit des Druckanstiegs ab einem entsprechenden Ventilschaltsignal bis zu einem vorgebbaren Prozentwert seines Druckendwertes und/oder die Zeit des Druckabbaus ab einem entsprechenden Ventilschaltsignal bis zu einem vorgebbaren abgesunkenen Prozentwert seines Druckendwerts überwacht. Hierzu besitzt das vierte Diagnosemodul Mittel zur Erfassung des Druckendwertes bei befüllter Aktuatorkammer und Stillstand des Aktuatorglieds.
In einer bevorzugten Ausführung besitzt das vierte Diagnosemodul Mittel zur Zeiterfassung der Druckanstiegs- und/oder Druckabbauzeiten und zur Bestimmung des Differenzwertes zu Normzeiten, die ab einer Überschreitung vorgebbarer Differenzwerte eine Diagnosemeldung erzeugen.
Eine weitere Verbesserung und Vervollständigung der Diagnose kann noch durch ein permanent arbeitendes fünftes Diagnosemodul erreicht werden, das zur Überwachung des Luftverbrauchs und/oder des Druckniveaus und/oder von Positionierzeiten und Zykluszeiten ausgebildet ist, wobei Schaltmittel zur Deaktivierung des wenigstens einen dritten Diagnosemoduls bei einer Fehlererkennung durch das fünfte Diagnosemodul dienen. Hierdurch können Fehler als Störungen erfasst werden, die nicht eindeutig den Fehlern in den übrigen Modulen zuordenbar sind und unabhängig von der Fehlerart entsprechende Störungen im Luftverbrauch, im Druckniveau oder in den Positionierzeiten und Zykluszeiten detektieren.
Das fünfte Diagnosemodul besitzt zweckmäßigerweise Vergleichsmittel zum Vergleich mit entsprechenden Referenzwerten, zur Erfassung von Abweichungen von den Referenzwerten und zur Prüfung der Abweichungen auf Überschreitung von vorgebbaren Grenzwerten, die zu einer Diagnosemeldung führen.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine als Pneumatikzylinder und Steuerventil für diesen ausgebildete Ventil-Aktuator-Anordung, die mit einer Diagnosevorrichtung als Ausführungsbeispiel der Erfindung verbunden ist, und
Figur 2 eine detailliertere Darstellung und Unterteilung der Diagnosevorrichtung in Diagnosemodule.

Die in Figur 1 dargestellte Ventil-Aktuator-Anordung besteht aus einem schematisch dargestellten Pneumatikzylinder 10, in dem ein mit einer Kolbenstange 11 versehener Kolben 12 verschiebbar und pneumatisch antreibbar ist. Dieser Pneumatikzylinder 10 stellt eine mögliche Ausführung eines Aktuators dar, wobei auch andere Ausführungen von Aktuatoren, wie unterschiedliche Arten von Linearantrieben, Stellantrieben, Drehantrieben und dergleichen, möglich sind.
Zur Betätigung des Kolbens 12 dient ein Ventil 13, das beispielsweise als 5/2- oder 5/3-Schaltventil ausgebildet sein kann. Dieses Ventil 13 ist an eine Druckzuführungsleitung 14 zur Zuführung eines Arbeitsdrucks p angeschlossen. Über Leitungen 15 kann der Kolben 12 je nach Ventilstellung auf der einen oder der anderen Seite mit dem Druck beaufschlagt werden, damit er sich in den beiden Bewegungsrichtungen gesteuert bewegen kann. Anstelle eines Schaltventils kann prinzipiell auch ein Proportionalventil vorgesehen sein, wobei das jeweilige Ventil auch im oder am Pneumatikzylinder integriert sein kann.
In den beiden Leitungen 15 zwischen dem Ventil 13 einerseits und den beiden Endbereichen des Pneumatikzylinders 10 andererseits sind in üblicher Weise Drossel-Rückschlagventile 16 geschaltet. In der die Kolbenstangenseite des Kolbens 12 mit Druck beaufschlagenden Leitung 15 sind noch ein Volumenstromsensor 17 und ein Drucksensor 18 zur Erfassung des Pneumatikdrucks in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 19 angeordnet. Prinzipiell kann der Volumenstromsensor 17 und der Drucksensor 18 auch mit der entgegengesetzten Zylinderkammer 20 verbunden sein.
Eine elektronische Steuereinrichtung 21 dient zur Steuerung des Ventils 13 und damit der Bewegung und Position des Kolbens 12 im Pneumatikzylinder 10. Diese elektronische Steuereinrichtung 21 ist mit einer Diagnoseelektronik 22 versehen, wobei die Diagnoseelektronik 22 in der elektronischen Steuereinrichtung 21 integriert oder als separates Gerät äusgebildet sein kann. Der Drucksensor 18 und der Volumenstromsensor 17 sowie Positionssensoren 23, 24 zur Erfassung der Endposition bzw. Endlagen des Kolbens 12 sind mit Eingängen der Diagnoseelektronik 22 verbunden. Die Steuersignale der elektronischen Steuereinrichtung 21 für das Ventil 13 sind ebenfalls der Diagnoseelektronik 22 zugeführt, in der dargestellten integrierten Form durch interne Zuführung.
Mittels der Diagnoseelektronik 22 im Rahmen der Diagnose erkannte Fehler, Fehlfunktionen oder Defekte können angezeigt und/oder registriert werden. Hierzu kann die Diagnoseelektronik 22 oder die elektronische Steuereinrichtung 21 einen entsprechenden Fehlerspeicher besitzen. Weiterhin ist die Diagnoseelektronik 22 ausgangsseitig mit einem Display 25 und einem Drucker 26 verbunden, um Diagnosemeldungen anzeigen bzw. ausdrucken zu können. Diese als Anzeigevorrichtungen für Diagnosemeldung dienenden Geräte können selbstverständlich auch durch andere und einfachere Geräte ersetzt werden, beispielsweise eine LED-Fehleranzeige, durch die die verschiedenen Fehlerarten zur Anzeige gelangen können.
In Figur 2 ist die Diagnosevorrichtung hinsichtlich des Diagnoseablaufs und der Diagnosefunktionen schematisch dargestellt. Wesentlich ist dabei das Zusammenwirken der einzelnen Diagnosemodule M1 bis M5 bzw. die Reihenfolge deren Abarbeitung, um eindeutige Fehleraussagen treffen zu können. Wesentlich ist dabei die gezielte Auswertung der Diagnöseinformationen aus den einzelnen Diagnosemodulen M1 bis M5 für ein pneumatisches Subsystem, das im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 durch eine Ventil-Aktuator-Anordung 10, 13 realisiert ist. Dabei überwachen die Diagnosemodule M1 bis M5 die Ventil-Aktuator-Anordung auf häufig vorkommende qualitative und quantitative Fehler.
Die Diagnosemodule gemäß Figur 2 werden grundsätzlich nur aktiviert, wenn der Betriebsdruck p nicht mehr als durch vorgegebene Toleranzen von einem Referenzdruck abweicht. In einem ersten Schritt werden die Diagnosemodule M1 und M2 gestartet, um das Subsystem auf Leckagen oder Drosselungen in der Arbeitsleitung zu prüfen. Diese beiden Module sind mit der obigen Einschränkung permanent aktiv, da sie stets eindeutige Aussagen liefern. Wenn keine Leckagen oder Drosselungen auftreten, wird das Modul M3 zur Überwachung veränderter Lasten oder Reibung aktiviert. Liefert auch dieses Modul keine Abweichungen von vorgegebenen Referenznormen, kann das Modul M4 zur Detektion von Ventilfehlern aktiviert werden. Sofern ein Fehler in dieser Kette auftritt, wird das nachfolgende Modul stets deaktiviert. Dies ist durch Schalter 27, 28 schematisch dargestellt. Diese Reihenfolge stellt sicher, dass die Diagnosemodule stets eindeutige Fehleraussagen treffen.
Das Diagnosemodul M5 arbeitet ständig. Durch dieses Modul M5 werden die Zyklen- und Verfahrzeiten, der Druck und der Luftverbrauch auf Abweichungen überwacht. Dabei werden unabhängig von der Fehlerart Störungen im Subsystem detektiert, die sich in den Verfahrzeiten oder dem Druck oder dem Volumenstrom bemerkbar machen. Somit werden auch Fehler als Störungen erfasst, die nicht eindeutig den Fehlern in den Diagnosemodulen M1 bis M4 zuordenbar sind. Die NOR-Verknüpfung 29 bewirkt, dass die Diagnosemodule M3 und M4 nur aktiviert werden, wenn die Diagnosemodule M1, M2 und M5 keine Fehler oder Störungen melden. Wie bereits ausgeführt, besteht beim Diagnosemodul M4 noch die zusätzliche Bedingung, dass auch das Diagnosemodul M3 keine Fehler oder Störungen detektiert.
Beim zur Detektion einer Leckage dienenden ersten Diagnosemodul M1 wird während Pausenphasen, in denen der Kolben 12 in einer seiner beiden Endlagen steht, die unter dem Druck p1 stehende Seite abgesperrt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um die Zylinderkammer 19, da diese mit dem Drucksensor 18 verbunden ist. Während dieser Messzeit, die der Länge der Pausenphase entspricht, wird der Druckgradient Δp/Δt bestimmt. Die Druckdifferenz wird dann aus der Differenz zwischen Anfangswert und Endwert ermittelt. Der berechnete Leckagestrom ändert sich über der Zeit, da sich die unter Druck stehende Zylinderkammer 19 entleert. Der Leckagestrom Q_I ergibt sich zu: $Q_{t} = \frac{V * Δ p /}{p_{N}}$
Dabei ist V das Kammervolumen und PN der Bezugsdruck, die beide Konstanten sind. Um eine Vergleichsgröße über die Größe der Leckagestelle zu gewinnen, wird der Leitwert C berechnet. Der C-Wert ist proportional zur Öffnungsfläche der Leckagestelle und wird wie folgt berechnet: $C = \frac{Q_{l}}{p}$
Der Leitwert C wird wie der Druckgradient während des gesamten Messvorgangs ständig aktualisiert, ist also eine Funktion der Zeit C = C (t). Wenn keine Leckage auftritt, nimmt der Leitwert C Werte von nahezu 0 an. Aufgrund von Messrauschen wird jedoch als Leitwertreferenz C_ref ein Wert > 0 angesetzt. Der gemessene C-Wert überschreitet im Falle einer Leckage den Referenzleitwert und ist dann näherungsweise konstant. Um einen aussagekräftigen Vergleichswert zu besitzen, wird aus den während des Messvorgangs ermittelten C-Werten ein Maximalwert C_max bestimmt. Dieser wird dann mit dem Referenzleitwert verglichen.
Die Pausenphasen bzw. Messzeit werden durch Endschaltersignale und durch Kenntnis der Ablaufsequenz detektiert. Falls der Versorgungsdrück p unter einen vorgebbaren Minimalwert von beispielsweise 2 bar sinkt, dann ist die Formel zur Berechnung des Leitwerts nicht mehr gültig, und der Messvorgang wird abgebrochen.
Zur Detektion unterschiedlicher Leckagen kann die Größe der Leitwertreferenz individuell angepasst werden. Eine zusätzliche Auswertung gestattet die Unterscheidung zwischen einer internen Leckage am Kolben, zum Beispiel bei undichter oder defekter Kolbendichtung, und einer externen Leckage, bei-spielsweise durch undichte oder defekte Kolbenstangendichtung oder defekte Schläuche bzw. Leitungen. Bei interner Leckage erfolgt die Entlüftung in die andere Zylinderkammer. Dadurch ist der Druckabfall zu Beginn relativ groß, und mit zunehmendem Druckanstieg in der befüllenden Kammer wird der Leckagestrom und der C-Wert immer kleiner, bis bei Druckausgeglichenheit der Volumenstrom und C-Wert gegen null gehen. Dies ist ein eindeutiges Indiz für interne Leckage. Ein zusätzliches Indiz für eine interne Leckage besteht darin, dass beim überströmen der Kolbendichtung und abgesperrter Kammer eine Bewegung des Aktuators möglich ist, wenn es sich um einen Aktor mit unterschiedlichen Wirkflächen handelt, wie dies zum Beispiel beim Differentialzylinder der Fall ist. Beim Überströmen erfolgt ein Druckausgleich zwischen beiden Aktuatorkammern. Durch die unterschiedlichen Kolbenflächen resultiert eine Kraftwirkung, durch die der Aktuator aus der Endlage fährt. Mittels des Endlagenschaltersignals des Positionssensors 24 bzw. 23 ist dies detektierbar.
Bei externer Leckage erfolgt eine Entlüftung nach außen. Bei vollkommener Leerung der Zylinderkammer kann definitiv auf externe Leckage geschlossen werden. Der C-Wert ist hier über der Messzeit nahezu konstant, und als Kriterium über die Höhe der Leckage wird der C-Wert am Ende der Messung verwendet. Ist die Messzeit nicht ausreichend lang genug, wird keine vollständige Entleerung erreicht, und es kann nicht mehr eindeutig zwischen externer und interner Leckage unterschieden werden. Für die meisten Anwendungen kann aber bei stetig sinkendem Druck über der Messzeit auf eine externe Leckage geschlossen werden. Die Messzeit sollte daher möglichst lang gewählt werden, das heißt, die Pausenzeiten sollten effektiv ausgenutzt werden.
Interessiert die quantitative Größe des Leckagestroms, so muss der Bezugsdruck p_n gemäß folgender Gleichung bestimmt werden: $p_{n} = κ * ρ_{N} * T * R$
ρ_N ist die Normdichte, wobei je nach gewählter Normierung des Volumenstroms ρ_N = 1,293 kg/m³. T ist die Bezugstemperatur, wobei die Betriebstemperatur zur Abschätzung verwendet werden kann. Der Entlüftungsvorgang wird als isotherm angenommen, daher gilt κ = 1,0. R beträgt für trockene Luft 287 J/(kg K), und für Luft bei 65 % relativer Luftfeuchtigkeit ist R = 288 J/(kg • K). Damit ergibt sich für Normalbedingungen ein Bezugsdruck, der dem Normdruck von Pn von 1,0135 bar entspricht. Dieser Wert kann in die erste Gleichung eingesetzt werden, woraus sich der Leckagestrom mit Hilfe der übrigen Parameter errechnen lässt.
Die Erfassung einer zunehmenden oder auch abnehmenden Drosselung (z.B. Verstellungen der Drossel oder Verstopfungen oder geknickte Schläuche) basiert auf der Nutzung des Drucksignals p1 und des Volumenstroms q in der betreffenden Arbeitsleitung. Die Sensorik wird dabei gemäß Figur 1 auf der Kolbenstangenseite angeordnet, also mit der Zylinderkammer 19 verbunden. Das Diagnosemodul M2 ermittelt, ob eine Drosselung in der gesamten Leitung beginnend vom Ventil 13 bis zum Anschluss an die Zylinderkammer 19 vorliegt. Ursachen für eine zu- bzw. abnehmende Drosselung sind zum Beispiel eine geöffnete oder geschlossene Ablaufdrossel, ein geknickter Schlauch, Verstopfungen im Schlauch, Vereisungen, Drosselungen in der Anschlussleitung des Pneumatikzylinders 10, nicht ganz öffnendes Ventil.
Zunächst wird ein Leitwert C als Diagnosewert aus dem Druck p1 und dem Volumenstrom q ermittelt. Dieser C-Wert ist ein Maß für die durchströmte Fläche und wird für die Fehlerdiagnose mit einem Referenzwert verglichen. Zur Kalkulation für den Leitwert C kann die Ausfahr- und/oder die Einfahrrichtung des Aktuators verwendet werden. Ausreichend ist eine Bewegungsphase. Vorzugsweise wird die Bewegungsrichtung X gemäß Figur 1 genutzt, bei welcher eine Entlüftung aus der Zylinderkammer 19 erfolgt. Der Leitwert C für diese Ausfahrrichtung wird gemäß folgender Gleichung berechnet: $q = C * p 1 \sqrt{\frac{T_{N}}{T_{B}}} * \sqrt{1 - {[\frac{p_{n} / p_{1} - b}{1 - b}]}^{2}}$

p_u ist dabei der Umgebungsdruck, gegen den entlüftet wird. Die Gleichung beschreibt dabei die Verhältnisse bei unterkritischen Betriebsbedingungen, bei denen gilt pu_/p1 > b. Der Kennwert b kann für die Diagnose als Konstante b = 0,528 frei gewählt werden. T_N ist die Normtemperatur und T_B ist die Temperatur in der Druckkammer, welche näherungsweise der Betriebstemperatur gleichgesetzt werden kann. Wenn keine extremen Temperaturveränderungen vorliegen, so wird die Temperatur für die Diagnose nicht berücksichtigt. Bei großen Änderungen der Temperatur wird das Diagnosemodul M2 deaktiviert.
Für überkritische Betriebsbedingungen (p_u/p1 <= b) gilt folgende Gleichung: $q = C * p 1 \sqrt{\frac{T_{N}}{T_{B}}}$
Der berechnete Leitwert C wird während des gesamten Messvorgangs ständig aktualisiert, ist also eine Funktion der Zeit C = C (t). Bei konstanter Durchströmungsfläche ist jedoch der dynamisch kalkulierte Leitwert nahezu konstant. Im Falle des Entlüftungs- oder Befüllungsbeginns können jedoch Druckspitzen und damit auch kurze Spitzen im Leitwert auftreten. Während des Messvorgangs wird aus den berechneten Leitwerten C ein Mittelwert gebildet und mit einem Referenzleitwert verglichen. Die Differenz aus Messwert und Referenzleitwert wird mit einem maximal zulässigen Toleranzwert verglichen, dessen Überschreitung zu einer Diagnosemeldung führt, dass eine zu große oder zu kleine Drosselung vorliegt. Der Leitwert wird dabei während der Bewegung des Kolbens 21 bestimmt, wozu die beiden Endschaltersignale der Positionssensoren 23, 24 dienen.
Das Diagnosemodul M3 dient zur Erkennung von Last- und Reibungsänderungen am Aktuator, also am Pneumatikzylinder 10 bzw. an der angebauten Mechanik. Wie bereits ausgeführt, wird dieses Modul nur aktiviert, wenn zuvor sichergestellt wurde, dass keine Drosselungen oder Leckagen aufgetreten sind, dass also die Diagnosemodule M1 und M2 keine Fehler festgestellt haben, was auch für das Diagnosemodul M5 gilt, das noch beschrieben wird. Für diese Diagnose wird nur der Drucksensor 18 benötigt. Für die Berechnung können die Druckaufbauphase (Befüllung der Zylinderkammer 19) sowie die Bewegungsphasen (Ausfahren und Einfahren) genutzt werden. Diese Phasen werden im Folgenden beschrieben.
Während der Druckaufbauphase (Phase 1) steht der Kolben 21. Definiert ist diese Phase ab dem Schaltsignal am Ventil 13, bis zum Zeitpunkt, zu welchem sich der Kolben-12 aus seiner Endlage bewegt. Die Phase 2 ist die Verfahrphase, in der die Zylinderkammer 19 befüllt wird. Phase 3 ist die Verfahrphase in die Gegenrichtung, also in die Richtung X, in der die Zylinderkammer 19 wieder entleert wird.
In der Phase 1 wird der auftretende maximale Druck bestimmt. Mit der bekannten Kolbenwirkfläche wird die äquivalente Kraft F_max berechnet. Dabei wird angenommen, dass die zweite Zylinderkammer 20 bei Stillstand des Kolbens entlüftet ist oder dort ein konstanter Druck vorherrscht. Aus dem gemessenen Druck während der Verfahrzeit in der Phase 2 wird ein mittlerer Druck berechnet, aus dem wiederum eine mittlere äquivalente Kraft Fmed1 berechnet wird. Dasselbe gilt für die Phase 3, in der wiederum eine mittlere äquivalente Kraft Fmed2 berechnet wird. Zur Bildung der mittleren Druckwerte werden diese aufsummiert und durch die Anzahl der Messwerte dividiert. Zur Bildung aussagekräftiger Werte empfiehlt sich eine Aufnahme der Kennwerte über mehrere Zyklen, die Zwischenspeicherung und anschließende Generierung von Mittelwerten.
Für alle gemessenen Kraftwerte sind gespeicherte Referenzwerte vorhanden, die bei ordnungsgemäßer Funktion auftreten. Aus diesen und den gemessenen Kraftwerten werden nun jeweils Differenzwerte ΔFmax, ΔF_med1 und Δf_med2 gebildet. Bei der Auswertung wird nun überprüft, ob diese Differenzwerte außerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen. Aus den Kombinationen der so erhaltenen Ergebnisse können verschiedene Diagnoseaussagen gemacht werden:

a) Überschreitet einer der Differenzwerte signifikant den vorgegebenen Toleranzwert, so liegt ein Fehler in den Reibungs- oder Lastverhältnissen vor.
b) Sind alle drei Differenzwerte positiv und überschreiten einen vorgegebenen Toleranzwert, so liegt eine ziehende Last vor, also eine gegen die jeweilige Kraftrichtung gerichtete Last.
c) Sind alle drei Differenzwerte negativ und überschreiten einen vorgegebenen Toleranzwert, so liegt eine drückende Last vor, also eine Last, die in Kraftrichtung wirkt.
d) Übersteigt ΔF_max seine zulässige Toleranzgrenze, bleiben die übrigen Werte jedoch innerhalb ihrer Toleranzgrenzen, so liegt eine Haftreibungserhöhuag vor.
e) Steigt der Differenzwert ΔF_medi und sinkt der Wert ΔF_med2 über die jeweilige Toleranzgrenze, so hat sich die Gleitreibung erhöht.

Weitere Kombinationen ermöglichen zusätzliche Aussagen. Die jeweiligen Kombinationen können auch aktuatorspezifisch verfeinert werden. Die Ergebnisse können gespeichert und am Display 25 bzw. über den Drucker 26 wiedergegeben werden.
Die Referenzwerte können manuell eingegeben werden oder lassen sich automatisch ermitteln. Dabei ist zu beachten, dass diese Referenzwerte im "Gutzustand" des Zylinders (oder eines anderen Aktuators bzw. einer Anlage) bzw. beim Einfahrvorgang aufgenommen werden.
Das Diagnosemodul 4, das zur Erkennung von Ventilschaltfehlern dient, wird nur aktiviert, wenn die übrigen Diagnosemodule keine Fehler, Störungen oder Defekte melden. Wenn alle diese Diagnosemodule M1 bis M3 sowie M5 keinen Fehler aufgezeigt haben und trotzdem Änderungen im Druckaufbau auftreten, so ist dies auf ein verzögertes oder beschleunigtes Öffnungsverhalten des Ventils 13 zurückzuführen. Zur Detektion wird nur der Drucksensor 18 in der jeweiligen Arbeitsleitung benötigt. Es wird, ähnlich wie im Diagnosemodul 3 beschrieben, die Druckaufbauphase genutzt, um die Zeit des Druckanstiegs zu messen. Dann wird ein Diagnosekennwert gebildet, der die Schaltzeit charakterisiert. Aus dem Vergleich dieser Schaltzeit mit einer Referenzschaltzeit kann dann auf das korrekte oder nicht korrekte Schalten des Ventils 13 geschlossen werden. Eine Messphase 1 beginnt beim Einschalten des Ventils 13, also mit seinem Einschaltsignal, und endet mit dem Bewegungsstart des Kolbens aus seiner Endlage. Zusätzlich wird als Messphase 2 die Druckabbau- bzw. Entlüftungsphase verwendet. Damit kann auch die Zeit für das Zurückschalten des Ventils bewertet werden. Die Messphase 2 beginnt beim Ein- bzw. Umschalten des Ventils 13, während der Kolben in seiner Endlage steht.
In der eine Druckaufbauphase darstellenden Messphase 1 wird die Zeit gemessen, bis der Druck auf einen vorgegebenen Prozentwert seines Endwertes bzw. Maximalwertes angestiegen ist. Ähnliches gilt für die als Druckabbauphase ausgebildete Messphase 2, in der die Zeit gemessen wird, bis der Druck auf einen vorgegebenen Prozentwert seines Maximalwerts abgesunken ist. Die gemessenen Zeitwerte werden mit Referenzzeitwerten verglichen und wiederum die gebildeten Differenzwerte auf Überschreitung vorgegebener Toleranzwerte geprüft.
Zur Diagnose wird der Endwert bzw. maximale Druckwert der befüllten Kammer im Stillstand benötigt. Dieser Wert kann einmalig gemessen und abgespeichert werden, kann jedoch auch mit jeder Messung aktualisiert werden.
Das Diagnosemodul 5 arbeitet permanent. Es benötigt die Endschaltersignale der Positionssensoren 23, 24 und die Signale des Drucksensors 18 sowie des Volumenstromsensors 17. In diesem Modul werden die Zyklen- und Verfahrzeiten, der Druck und der Luftverbrauch gebildet und auf Abweichungen überwacht. Dieses Diagnosemodul detektiert daher unabhängig von der Fehlerart Störungen im überwachten Subsystem, die sich in den Verfahrzeiten oder den Positionierzeiten oder dem Druck oder dem Verbrauch bemerkbar machen. Somit können auch Fehler als Störungen erfasst werden, die nicht eindeutig den Fehlern zu-. ordenbar sind, die durch die übrigen Module erfassbar sind. Die jeweiligen Messwerte, also Positionierzeit, Verfahrzeit, Luftverbrauch, maximaler Druckwert und mittlerer Druckwert, werden mit entsprechenden Referenzwerten verglichen. Daraus werden Differenzwerte gebildet und auf Unter- oder Überschreitung zulässiger Toleranzwerte überprüft. Diese Fehlergroberkennung kann im Einzelfall dann durch die exaktere Fehlerbestimmung der Diagnosemodule M1 bis M4 spezifiziert werden.
Die Diagnosemodul M1 bis M3 stellen die wichtigsten Diagnosemodule dar. Bei einfacheren Ausführungen kann auch auf das Diagnosemodul M4 und/oder M5 verzichtet werden. Es ist dabei selbstverständlich auch möglich, zusätzliche Diagnosemodule anzufügen.
Die Diagnosemodule können prinzipiell als separate Diagnoseschaltungen ausgeführt werden, sie werden jedoch bevorzugt als Funktionsgruppen eines Diagnoseprogramms ausgebildet sein, das entweder in der Diagnoseelektronik 22 oder in der elektronischen Steuereinrichtung 21 bzw. einer zentralen Steuerelektronik abläuft.

Claims

Diagnosevorrichtung für wenigstens eine pneumatische Ventil-Aktuator-Anordnung, mit einem Drucksensor (18), einem Volumenstromsensor (17), einer Steuereinrichtung (21) zur Erzeugung von Steuersignalen für die Ventil-Aktuator-Anordnung und mit Positionssensoren (23, 24) zur Positionserfassung wenigstens eines bewegbaren Aktuatorglieds (12), mit einem ersten Diagnosemodul (M1) zur Leckagedetektion, mit einem zweiten Diagnosemodul (M2) zur Detektion einer Drosselung in pneumatischen Zu- oder Abführleitungen und mit wenigstens einem dritten Diagnosemodul (M3, M4) zur Detektion von Lastund Reibungsänderungen beim bewegbaren Aktuatorglied (12) und/oder von Ventilschaltfehlern, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (29, 27) zur Deaktivierung des wenigstens einen dritten Diagnosemoduls bei einer Fehlererkennung durch das erste (M1) und/oder zweite Diagnosemodul (M2) vorgesehen sind.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Diagnosemodul (M3) zur Detektion von Last- und Reibungsänderungen beim bewegbaren Aktuatorglied (12) ausgebildet ist, und dass ein viertes Diagnosemodul (M4) zur Detektion von Ventilschaltfehlern vorgesehen ist, das bei einer Fehlererkennung durch das dritte Diagnosemodul (M3) deaktiviert ist.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Diagnosemodul (M1) zur Überwachung des Drucks (p1) mittels des Drucksensors (18) in einer abgeschlossenen, unter Druck stehenden Kammer (19) des Aktuators (10) während vorzugsweise durch Positionssensoren (23, 24) detektierten Pausenphasen ausgebildet ist.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Diagnosemodul (M1) Mittel zur Ermittlung des Druckgradienten (Δp/Δt) und/oder des Leckagevolumenstroms (Q1) und/oder des Strömungsleitwerts (C) für die Leckagestelle sowie Vergleichsmittel zum Vergleich mit Referenzwerten besitzt, deren Überschreitung um vorgebbare Toleranzwerte eine Leckagemeldung erzeugt.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Diagnosemodul (M1) Auswertemittel zur Unterscheidung einer internen oder externen Leckage besitzt.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Diagnosemodul (M2) zur Überwachung des Strömungsleitwerts (C) während durch die Positionssensoren (23, 24) detektierten Bewegungsphasen des bewegbaren Aktuatorglieds (12) ausgebildet ist.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Diagnosemodul (M2) Mittel zur Berechnung des Mittelwerts des Strömungsleitwerts (C) während der Bewegung des Aktuatorglieds (12) besitzt, und dass Vergleichsmitel zur Überprüfung dieses Mittelwerts auf Abweichungen von wenigstens einem Referenzwert vorgesehen sind, die ab einer vorgebbaren Toleranzwertabweichung eine Meldung über eine irreguläre Drosselung erzeugen.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel zur Deaktivierung des zweiten Diagnosemoduls (M2) bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur vorgesehen sind.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Diagnosemodul (M3) zur Überwachung wenigstens eines der folgenden Druckwerte auf Abweichungen von vorgebbaren Normdruckwerten ausgebildet ist:
Maximaler Druck zwischen Betätigungssignal und entsprechendem Beginn der Bewegungsphase aus einer Endlage, mittlerer Druck während der Bewegungsphase bei Befüllung einer Aktuatorkammer (19), mittlerer Druck während der Bewegungsphase bei Entleerung dieser Aktuatorkammer (19).
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Berechnung der äquivalenten Kraftwerte (F_max F_med1 und F_med2) und zur Ermittlung und Bewertung von Differenzwerten (ΔF_max, ΔF_medi und ΔF_med2) von entsprechenden Normwerten vorgesehen sind, wobei eine Überschreitung von vorgebbaren Toleranzwerten zu einer entsprechenden Diagnosemeldung führt.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Diagnosemodul (M4) zur Überwachung der Zeit des Druckanstiegs ab einem entsprechenden Ventilschaltsignal (V) bis zu einem vorgebbaren Prozentwert seines Druckendwerts und/oder der Zeit des Druckabbaus ab einem entsprechenden Ventilschaltsignal (V) bis zu einem vorgebbaren Prozentwert seines Druckendwerts ausgebildet ist.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Diagnosemodul (M4) Mittel zur Erfassung des Druckendwerts bei befüllter Aktuatorkammer (19) und Stillstand des Aktuatorglieds (12) besitzt.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Diagnosemodul (M4) Mittel zur Zeiterfassung der Druckanstiegs- und/oder Druckabbauzeiten und zur Bestimmung von Differenzwerten zu Referenzzeiten besitzt, die ab einer Überschreitung von vorgebbaren Toleranzwerten eine entsprechende Diagnosemeldung erzeugen.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünftes Diagnosemodul (M5) zur Überwachung des Luftverbrauchs und/oder des Druckniveaus und/oder von Positionierzeiten und Zykluszeiten vorgesehen ist, wobei Schaltmittel (27, 29) zur Deaktivierung des wenigstens einen dritten Diagnosemoduls (M3, M4) bei einer Fehlererkennung durch das fünfte Diagnosemodul (M5) vorgesehen sind.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das fünfte Diagnosemodul (M5) Vergleichsmittel zum Vergleich mit entsprechenden Referenzwerten, zur Erfassung von Abweichungen von den Referenzwerten und zur Prüfung der Abweichungen auf Überschreitung von vorgebbaren Toleranzwerten besitzt, die eine entsprechende Diagnosemeldung erzeugen.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung des Luftverbrauchs zwischen einem eine Bewegung auslösenden Ventilsteuersignal (V) und dem Erreichen einer Endposition vorgesehen sind, wobei der Luftverbrauch vorzugsweise das Integral des Volumenstromsignals über der Positionierzeit ist.
Diagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung des maximalen Druckwerts und/oder des mittleren Druckwerts während einer Bewegungsphase des Aktuatorglieds (12) vorgesehen sind.