Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Adaptive modellbasierte Fehlererkennung und -diagnose mit rekonfigurierbaren elektrohydraulischen Systemen

Übergeordnete Ziele des Forschungsvorhabens sind es, den Einsatz funktional und energetisch vielversprechender elektrohydraulischer Antriebstechnologien in mobilen Arbeitsmaschinen durch Lösung sicherheitstechnischer Fragestellungen und damit gesetzlicher Anforderungen überhaupt zu ermöglichen und deren Marktakzeptanz durch Steigerung der Verfügbarkeit und Verbesserung der Diagnosefähigkeit zu erhöhen. Aus vorangegangenen Projekten an der Forschungsstelle wird deutlich, dass sich modellbasierte Verfahren für die Erkennung und Lokalisierung von Systemfehlern in besonderem Maße eignen. Bisher fehlt es jedoch an praxistauglichen Umsetzungen für mobile Arbeitsmaschinen.

Am Beispiel einer rekonfigurationsfähigen elektrohydraulischen Antriebsstruktur sollen deshalb modellbasierte, adaptive Diagnoseverfahren entwickelt und an einem Demonstrator getestet werden. Dabei gilt es insbesondere die möglichen energieeffizienten Betriebsmodi und deren Umschaltvorgänge, die typischen mobilhydraulischen Randbedingungen wie Mehrverbraucherbetrieb, dynamische Laständerungen und Temperatureinflüsse, die Signalgüte der Sensorik sowie die Abtastrate mobiltypischer Steuergeräte in Kombination mit notwendigen Löser-Verfahren zu berücksichtigen.

Insbesondere kleinere und mittelständische Maschinenhersteller, Systemlieferanten und Ingenieursdienstleister profitieren von den Ergebnissen. Sie sind anschließend in der Lage aus der Vielfalt an Verfahren und Funktionen der Diagnose und Rekonfiguration zielgerichtet auszuwählen sowie die im Projekt am Beispiel entwickelten Algorithmen als Grundlage zu nutzen, um diese auf ihre Anwendung anzupassen. Dies verkürzt Entwicklungszeiten und erlaubt vor allem mittels der Dokumentation der Vorgehensweise sowie einer Bewertung der unterschiedlichen Verfahren eine Adaption auf verschiedenste Antriebsaufgaben. Aufgrund des modellbasierten Ansatzes liefert das Vorhaben zudem wichtige Impulse für Steuerungs- und Regelungsaufgaben.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde die Eignung eines modellbasierten Fehlermanagements für Systeme mit getrennten Steuerkanten untersucht. Sowohl bei der Fehlererkennung als auch bei der anschließenden Lokalisierung der Fehlerursache wurde auf vorhandene Systemkenntnis und Expertenwissen gesetzt. Vor allem für kleine und mittlere Unternehmen stellt dies einen Zugewinn dar, da mit geringem Aufwand und dem in den Unternehmen ohnehin vorhandenem Wissen über die eigenen Systeme, eine gute Systemüberwachung umgesetzt werden kann.

Für die Fehlererkennung kommen verschiedene Paritätsgleichungen zum Einsatz, die während der Laufzeit ausgeführt werden und zügig auf Fehlerzustände reagieren. Dabei wurden praxistaugliche Modellierungsansätze gewählt. Die umgesetzte Fehlererkennung erkennt alle gefahrbringenden Fehler. Dadurch ist es möglich gefährliche Zustände im Maschineneinsatz zu vermeiden.

Für die Fehlerlokalisierung wurden unterschiedliche Methoden beleuchtet. Insbesondere die Lokalisierung auf Basis von Fehlerbäumen und der Manhattan-Distanz führten zu vielversprechenden Ergebnissen von bis zu 91% Lokalisierungsgenauigkeit. Da diese auf Expertenwissen basieren, ist eine einfache Übertragbarkeit auf andere Ventilstrukturen und Hydraulikarchitekturen gegeben.

Für zwei exemplarische Fehlerzustände erfolgte eine steuerungstechnische Kompensation, korrekt lokalisierter, fehlerhafter Komponenten. Je nach Fehler und Rekonfigurationsmöglichkeiten ist eine teilweise oder gar vollständige Kompensation möglich.

Die Ergebnisse konnten durch exemplarische Überprüfung des Verhaltens im Fehlerfall am Prüfstand verifiziert werden.

Im Ergebnis steht die algorithmische Umsetzung des Fehlermanagements in CODESYS®V3.5 SP16. Der dokumentierte Code wird dem projektbegleitenden Ausschuss zur Verfügung gestellt.