Verfahren zur Funktionsüberwachung von Stufenschaltern

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Stufenschaltern, wobei eine für die Funktion relevante Meßgröße erfaßt, der jeweiligen Position des Stufenschalters während der Umschaltung zugeordnet und in anschließende Teilbereiche, die bei einer Umschaltung nacheinander ablaufenden Teilfunktionen entsprechen, unterteilt wird. Innerhalb jedes Teilbereiches wird nach einer bestimmten Rechenvorschrift ein einziger charakteristischer Wert gebildet, dieser mit einer Parameterdatei verglichen und ihm im Ergebnis eine Kennung zugeordnet. Nur diese Kennung wird weiterverarbeitet, gespeichert und dient zur Erzeugung kennungsabhängiger Meldungen bzw. Informationen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Stufenschaltern, wobei erfaßte Meßwerte verglichen und klassifiziert werden.

[0002] Aus der japanischen Patentveröffentlichung Hei-2-213105 ist bereits ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Stufenschaltern bekannt, wobei unterschiedliche Meßwerte wie Druck, Belastung der Betätigungsglieder, Strom und Ölverunreinigung erfaßt werden, die den gegenwärtigen Ist-Zustand des Stufenschalters beschreiben, diese Meßwerte gespeichert und mit vorab ebenfalls gespeicherten gerätespezifischen Sollwerten verglichen werden.
Ergibt dieser Vergleich Abweichungen, so werden Meldungen erzeugt, die sowohl zu Warnungen als auch zum sofortigen Abschalten des Stufenschalters führen können.
Aus der DE 42 14 431 C2 ist weiterhin ein Verfahren zur Stellungserfassung bei einem Stufenschalter bekannt, wobei mittels eines Stellungsgebers die jeweilige Stellung der Antriebswelle des dem Stufenschalter zugeordneten Motorantriebes erfaßt und mittels einer Auswerteeinheit in einen Binärwert umgewandelt wird, der wiederum redundant sowohl von einer sogenannten Hardwaredecodierung als auch einem Mikrocontroller weiterverarbeitet werden kann. Der Mikrocontroller überwacht damit über den Stellungsgeber die Bewegung der Antriebswelle.
Aus der japanischen Patentanmeldung Sho-60-176213 ist es ferner bekannt, das Drehmoment der Antriebswelle, die vom Motorantrieb zum Stufenschalter führt, bei jeder Betätigung des Stufenschalters zu erfassen und zu speichern, um diesen tatsächlichen Drehmomentverlauf einem charakteristischen typenspezifischen Soll-Drehmomentverlauf gegenüberzustellen.
Ein ähnliches Verfahren ist auch in der DD-Schrift 246 409 beschrieben; danach soll ebenfalls der zeitliche Drehmomentenverlauf bei einer Umschaltung gemessen und das Ergebnis mit dem für den jeweiligen Stufenschalter typischen zeitlichen Drehmomentenverlauf verglichen werden.

[0003] Generell werden Meßwerte, die später mit Sollwerten verglichen werden sollen, in der Regel als ASCII-Datei gespeichert.
In den wenigsten Fällen erfolgt eine Datenverdichtung, um den Raum auf den zur Verfügung stehenden Speichermedien maximal ausnutzen zu können.
Die Meßwerte werden als eine Reihe von Absolutwerten zum Zeitpunkt der Aufzeichnung im Speichermedium abgelegt. Eine Aussage über die Wichtung dieser Werte wird anhand der zur Verfügung stehenden Parametrierung des Eingangskanals getroffen.

[0004] Aus der Firmenschrift Hydro TEC HT2000 der Firma Deltatronic Instruments GmbH, AT ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Informationen über Höhe und Zeitdauer eines anliegenden Meßwertes als ASCII-Datei abgelegt werden, die im folgenden Beispiel einen Speicherplatz von 30 Byte beansprucht:

Startzeit mit Meßwert:	11:49:11	28
Abschluß der Messung	12:59:11	17 (17 als neuer Wert der folgenden Messung)

Adresse	00	01	02	03	04	05	06	07	08	09	0A	0B	0C	0D	0E	0F
Wert	FF	31	31	3A	34	39	3A	31	31	20	20	20	32	38	0D	0A
Adresse	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	2A	2B	2C	2D	2E	2F
Wert	31	32	3A	35	39	3A	31	31	20	20	20	31	37	0D	0A	FF

[0005] Eine weitere Variante zur Speicherung von Meßdaten ist aus der Dissertation Viereck: Einsatz von Sensoren in Transformatoren, TU Dresden, 1992 bekannt. Dabei wird über einen festgelegten Zeitraum, der in definierte Zeitintervalle zerlegt wird, bei konstantem Analogwert neben diesen die Zahl der Zeitintervalle als hexadezimaler Wert abgelegt, so daß auf nur zwei Adressen im Speichermedium variable Zeiträume erfaßt werden können.

Beispiel:

[0006] 

Adresse	01	02	03	04	05	06	07	08
Wert	FF	FF	0E	1C	06	11	FF	FF

[0007] Damit enthält das Speichermedium unter Adresse 03H und 04H die Information, daß für 14 Intervalle (0E H) der Wert 28 (1C H) gemessen wurde.

[0008] Durch Kenntnis der Startzeit des Meßvorganges im Steuerrechner und unter der Annahme, daß ein Meßintervall einer bestimmten Zeit, etwa fünf Minuten, entspricht, lassen sich relativ große Zeitabschnitte bei konstanter Messung überstreichen.

[0009] Diese bekannten Verfahren besitzen eine Reihe von Nachteilen.
Erfolgt eine Datenkomprimierung mit herkömmlichen Verfahren der Datenverarbeitung, so sind die Werte untereinander nicht mehr direkt ohne Dekomprimierung vergleichbar.
Die gespeicherten Daten enthalten ferner nur eine Aussage über ihren Absolutwert und sind damit nur über diesen mit Meßwerten anderer Meßreihen korrelierbar.
Weiterhin erfordert eine Aussage über die Überschreitung von Grenzwerten bei exemplarspezifischen Meßdaten eine individuelle Definition dieser Grenzwerte. Beispielsweise ist es bei Stufenschaltern, bei denen das Drehmoment als Indiz für den Zustand erfaßt und bewertet wird, sinnvoll, Grenzwerte in Abhängigkeit vom Nennwert festzulegen, bei deren Überschreitung Meldungen generiert werden sollen. So kann beispielsweise festgelegt werden, daß eine 300 %ige

[0010] Überschreitung des Nenndrehmomentes aufjeden Fall das Abschalten des Antriebes erfordert; eine Überschreitung von mehr als 150 % des Nenndrehmomentes jedoch bereits eine Meldung "nicht mehr zulässig" bewirkt, die zwar nicht sofort zum Abschalten führt, aber im Rahmen des Monitoringsystems aufgezeichnet und bewertet wird, beispielsweise auf eine fälligwerdende Wartung hinweist. Den Grenzwerten liegt in jedem Fall der Nennwert des Drehmomentes zugrunde, dieser Nennwert, der 100 % repräsentiert, kann jedoch durchaus schalterspezifisch differieren. Ein Vergleich der Absolutwerte führt dabei nicht zum Ergebnis.
Schließlich besteht ein Nachteil der bekannten Verfahren im großen Speicherbedarf, der erforderlich ist, um die jeweiligen Meßwerte zu erfassen und zu bewerten.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine Bewertung exemplarspezifisch individuell zu definierender Grenzwerte ermöglicht, wobei auch gestattet sein soll, eine Datenverdichtung vorzunehmen, derart, daß mit geringstmöglichem Speicherbedarf eine Erfassung, ein Vergleich und eine Speicherung von für den zu überwachenden Stufenschalter repräsentativen Meß- und Vergleichswerten und daraus abgeleiteten Aussagen möglich ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.
Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens.

[0012] Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt eine mehrfache Verdichtung der zur Funktionsüberwachung erfaßten Meß- bzw. Vergleichswerte.
Eine erste Verdichtung erfolgt zunächst einmal dadurch, daß die jeweiligen Meßwerte mit der Position, d.h. der aktuellen Stellung des Stufenschalters während der Umschaltung, verknüpft werden. Diese Position kann sowohl direkt, z.B. über einen Resolver, als auch indirekt über eine Zeitmessung erfaßt werden.
Eine zweite Verdichtung erfolgt dadurch, daß die gesamte Position, die bei einer kompletten Lastumschaltung des Stufenschalters durchlaufen wird, in einzelne Positionsbereiche unterteilt wird und für jeden dieser Positionsbereiche nach bestimmten Rechenvorschriften ein einziger charakteristischer Wert der Meßgröße ermittelt wird.
Eine dritte Verdichtung erfolgt schließlich dadurch, daß dieser charakteristische Wert mit einer vorab festgelegten Parameterdatei verglichen und klassifiziert wird und im Ergebnis nur die klassifizierten Daten gespeichert werden bzw. zur Ausgabe von korrespondierenden Meldungen bzw. Warnungen dienen.
Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens sind also kryptische Daten, die selbst keinen Rückschluß mehr auf die zugrundeliegenden Meßgrößen geben.

[0013] Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist dieses Verfahren selbst in der Lage, die exemplarspezifischen Grenzwerte festzulegen, indem eine Erfassung des jeweiligen Nennwertes erfolgt und danach, anhand der prozentualen Vorgaben für die Grenzwerte, deren absolute Höhe ermittelt und gespeichert wird.
Damit beinhaltet die notwendige Parametrierung nur noch relative Werte, die in Bezug zu den Nennwerten stehen.

[0014] Zusammenfassend läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren folgendermaßen charakterisieren:
Eine Klassifizierung der Daten erfolgt innerhalb eines Zeit- oder Positionsbereichs durch Berechnung eines charakteristischen Wertes der aufgezeichneten Meßwerte und Zuordnung des in der Parameterdatei für diesen charakteristischen Wert abgelegten Kennwertes, der diesen Zeit- oder Positionsbereich repräsentiert.
Gespeichert werden nur die aus der Parameterdatei herangezogenen Kennwerte, die die charakteristischen Werte der einzelnen Abschnitte des Vorganges beschreiben. Die eigentlichen Meßdaten der Ausgabedatei erhalten dadurch einen kryptischen Charakter.
Das Verfahren gestattet durch den Bezug auf Werte, die beim Ermitteln der jeweiligen Nennwerte, d.h. der 100 %-Werte, ermittelt wurden, einen direkten Vergleich mit den Daten anderer Geräte.
Die Originalwerte sind jedoch bei Kenntnis der Parameterdatei und der Klassifizierungsvorschrift wieder reproduzierbar.

[0015] Dieses Verfahren soll nachfolgend beispielhaft noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte

Fig. 2

eine schematische Darstellung eines um zusätzliche Verfahrensschritte ergänzten, weitergebildeten Verfahrens

Fig. 3

den physischen Ablauf der Bewertung von Meßwerten im Zeitbereich beim in Fig. 2 dargestellten Verfahren

[0016] Zunächst soll das in Fig. 1 schematisch dargestellte Verfahren beschrieben werden.
Dabei wird ein für die Funktionsüberwachung des jeweiligen Stufenschalters typischer Meßwert in kurzen Intervallen erfaßt und aufgezeichnet. Als Beispiel ist hier die Erfassung des Drehmomentes an der Antriebswelle des Motorantriebes, der den jeweiligen Stufenschalter betätigt, gewählt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Meßwertaufzeichnung des Drehmomentes begrenzt.
Anschließend wird der aufgezeichnete Meßwert, hier also das jeweilige Drehmoment, mit der jeweils aktuellen Position des Stufenschalters während einer Umschaltung verknüpft.
Die Erfassung der jeweiligen Position kann dabei entweder direkt erfolgen, z.B. durch einen Resolver an der Antriebswelle. Sie kann auch indirekt erfolgen, beispielsweise durch eine Zeitmessung; dabei beginnt die Messung der verstrichenen Zeit in dem Moment, in dem die Betätigung des Motorantriebes und damit der Umschaltvorgang des entsprechenden Stufenschalters eingeleitet ist.
Nachfolgend wird der Gesamtpositions- bzw. -zeitbereich, der bei jeder vollständigen Umschaltung des Stufenschalters durchlaufen wird, in für den Schaltablauf typische Teilbereiche unterteilt. In Fig. 3 sind solche typischen Teilbereiche aufgeführt; die Zeiten t₀ bis t₇ begrenzen jeweils typische, nacheinander ablaufende Ereignisse der Schaltsequenz und legen damit entsprechende Teilbereiche fest.
Anschließend wiederum werden in jedem abgelaufenen Teilbereich die entsprechenden charakteristischen Werte des aufgezeichneten Meßwertes, hier also des Drehmomentes, berechnet. Diese Berechnung des charakteristischen Wertes erfolgt nach einer vorab festgelegten Rechenvorschrift. Beispielsweise kann hierbei als charakteristischer Wert der arithmetische Mittelwert bzw. der Durchschnittswert berechnet werden.
Im Anschluß daran erfolgt die Zuordnung dieser ermittelten charakteristischen Werte zu einer definierten Kennung. Dazu wird eine Parameterdatei benutzt, die eine Klassifizierungsvorschrift beinhaltet und vorab nicht flüchtig gespeichert ist. In dieser Parameterdatei sind bestimmte Meßwerte, also bestimmte Drehmomentwerte, entsprechenden Kennungen zugeordnet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Meßwerte als prozentuale Abweichungen vom entsprechenden Nennwert, also vom Nenndrehmoment, vorliegen. Dazu ist es in Weiterbildung des Verfahrens sinnvoll, eine Nullmessung des entsprechenden Meßwertes vorzunehmen, bei der dessen Nennwert ermittelt und gespeichert wird und als Grundlage der Klassifizierungsvorschrift der Parameterdatei dient. Wie bereits weiter oben ausgeführt, ist es durchaus möglich, daß dieser Nennwert der Meßgröße, hier das Nenndrehmoment, typenspezifisch bzw. exemplarspezifisch in weiten Grenzen unterschiedlich ist. Durch die beschriebene Nullmessung ist es trotz dieser unterschiedlichen Ausgangsposition für einen Meßwertvergleich möglich, in der Parameterdatei prozentuale Abweichungen direkt den Kennungen zuzuordnen.
Nur diese kurzen Kennungen werden gespeichert und letztendlich für die Funktionsüberwachung herangezogen.
Aus der jeweiligen Kennung, die aus dem beschriebenen Vergleich der charakteristischen Werte mit der Parameterdatei abgeleitet sind, ergeben sich dann die notwendigen Meldungen bzw. Informationen. Dies ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt; es ist ersichtlich, daß bei dieser Darstellung unterschiedliche Kennungen zur gleichen Meldung führen können.

[0017] In Fig. 2 ist ein weitergebildetes Verfahren dargestellt. Dabei erfolgt nach der bereits beschriebenen Verknüpfung mit der jeweiligen Position im Ergebnis der Positions- bzw. Zeitmessung noch - als eingeschobener weiterer Verfahrensschritt - ein zusätzlicher Vergleich des aufgezeichneten Meßwertes mit den zulässigen Parametern im Positionsbereich. Dies erfolgt dadurch, daß auch maximal zulässige Grenzwerte Bestandteil der Parameterdatei sind. Beim Überschreiten dieser maximal zulässigen Grenzwerte erfolgt in jedem Fall eine sofortige Gefahrenmeldung, die in der Regel zum sofortigen Abschalten des Motorantriebes dient.

[0018] Fig. 3 zeigt den gesamten physischen Ablauf des Verfahrens zur Funktionsüberwachung. Im oberen Teil ist die Meßwertaufzeichnung des Drehmomentes M_d an der Antriebswelle des Motorantriebes dargestellt. Dieser Meßwert wird über die erfaßte Laufzeit t mit der Position des jeweiligen Stufenschalters während der Umschaltung verknüpft. Der Umschaltvorgang beginnt zum Zeitpunkt t₀ und ist zum Zeitpunkt t₇ abgeschlossen. Dieser gesamte Umschaltvorgang ist in sieben Teilbereiche unterteilt, die in der Mitte von Fig. 3 tabellarisch mit ihren entsprechenden Funktionsabläufen innerhalb der Schaltsequenz dargestellt sind. Ebenfalls schematisch dargestellt sind die in den entsprechenden Zeit- und damit Positionsbereichen zulässigen maximalen Nenndrehmomente M1 bis M7. Schließlich sind auch die nach der jeweils angewandten Rechenvorschrift berechneten charakteristischen Werte m1 bis m7 jedes Teilbereiches dargestellt. Im unteren Teil von Fig. 3 ist beispielhaft eine mögliche Parameterdatei dargestellt, bei der eine bestimmte Abweichung des gemessenen Drehmomentes M_d vom entsprechenden Nenndrehmoment jeweiligen Kennungen zugeordnet ist. Die unterschiedlichen Kennungen ihrerseits erzeugen wiederum verschiedene Meldungen im Ergebnis der Funktionsüberwachung.
Es ist gezeigt, daß bei großen Abweichungen die Meldung "Stillegen" erzeugt wird., die zur sofortigen Abschaltung führt, und bei weniger gravierenden Abweichungen die Meldung "Wartung notwendig" erzeugt wird, die den gegenwärtigen Betrieb nicht behindert. Bei geringen Abweichungen wird das Drehmoment als noch in Ordnung erkannt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung von Stufenschaltern,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

⇒ ein jeweiliger, den Ist-Zustand am zu überwachenden Stufenschalter repräsentierender Meßwert wird in kurzen Intervallen erfaßt

⇒ es erfolgt eine Positionserfassung des Stufenschalters während der Umschaltung und eine Verknüpfung des jeweils ermittelten Meßwertes zur jeweiligen Position

⇒ der Gesamtpositions- bzw. Zeitbereich (t₀―t₇) wird in Teilbereiche (t₀―t₁, t₁―t₂,.., t₆―t₇), die bei einer Umschaltung nacheinander ablaufenden Teilfunktionen entsprechen, unterteilt

⇒ innerhalb jedes Teilbereiches wird nach bestimmten Rechenvorschriften ein charakteristischer Wert (m1 ― m7) des Meßwertes ermittelt

⇒ der charakteristische Wert des Meßwertes (m1 ― m7) wird mit einer nicht flüchtig gespeicherten Parameterdatei verglichen und klassifiziert, derart, daß ihm der klassifizierte Wert als Kennung (00H ― 0DH) zugeordnet wird

⇒ nur diese Kennung (00H - 0DH) wird weiterverarbeitet, gespeichert und dient zur Erzeugung jeweils kennungsabhängiger Meldungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Verknüpfung des jeweiligen Meßwertes mit der Position noch eine Bewertung erfolgt, derart, daß der jeweilige Meßwert mit maximal zulässigen Grenzwerten (M1 ― M7), die ebenfalls in der Parameterdatei nicht flüchtig gespeichert sind, verglichen wird und bei Überschreiten des Grenzwertes eine sofortige Gefahrmeldung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Parameterdatei die Abweichungen (-30 % bis 1 + 100 %) des Meßwertes prozentual zum Nennwert (0) abgelegt und entsprechenden Kennungen (00H ― 0DH) zugeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor Beginn der Funktionsüberwachung eine Nullmessung am funktionsfähigen Stufenschalter erfolgt, bei der der Nennwert (0) der Meßgröße ermittelt und als Ausgangswert für die Parameterdatei verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Drehmoment an der Antriebswelle zwischen Motorantrieb und Stufenschalter als Meßwert dient.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Rechenvorschrift der arithmetische Mittelwert gebildet wird.

Zeichnung