Überwachungskonzept für elektromechanische Ventiltriebe

Die vorliegende Arbeit stellt einen Entwurf eines allgemein gültigen Überwachungskonzeptes für elektromechanische Ventiltriebe dar. Die Aufgabe von Überwachungskonzepten ist es, rechtzeitig unerwünschte oder unerlaubte Zustände, wie z. B. einen Saugrohrbrand, zu erkennen und die erforderlichen Maßnahmen einzuleiten. Wichtig für den Entwurf eines Überwachungskonzeptes ist eine systematische Vorgehensweise. Durch die systematische Vorgehensweise können die sicherheitskritischen Komponenten und Zustände des Systems identifiziert und die erforderlichen Maßnahmen für die Beseitigung von Fehlern bestimmt werden. Die Umsetzung des allgemein gültigen Überwachungskonzeptes ist anhand eines resonant betriebenen Umschaltmagneten demonstriert worden. Gegenstand der Untersuchungen ist ein resonant betriebener Umschaltmagnet, welcher zwischen seinen Endlagen mit einer charakteristischen Eigenfrequenz schwingt. Der Umschaltmagnet kann in ein mechanisches und in ein magnetisches Teilsystem eingeteilt werden. Daraus bieten sich zwei Modelle an, nämlich ein Modell für das magnetische und ein Modell für das mechanische Teilsystem, welche für die Überwachung der jeweiligen Teilsysteme benutzt werden können. Modellgestützte Fehlererkennungsverfahren basieren auf mathematischen Prozessmodellen, die von Sensoren mit Informationen gestützt werden. Im Gegensatz zu den Methoden der konventionellen Fehlererkennung erlauben modellgestützte Fehlerentdeckungsverfahren im Allgemeinen eine detaillierte Diagnosetiefe. Im Rahmen dieser Arbeit werden modellbasierte Überwachungsmethoden für das mechanische und für das magnetische Teilsystem des Umschaltmagneten vorgestellt. Die Bewertung der modellbasierten Überwachungsmethoden für den Umschaltmagneten erfolgt mit Hilfe einer Fehler-Symptom Tabelle. Ein Symptom stellt dabei eine Abweichung eines Zustandes im System von seinem Normalverhalten dar. Durch die Verknüpfung von mehreren Symptomen kann ein Fehler in einem System eindeutig identifiziert werden. Die Überwachung des mechanischen Teilsystems erfolgt anhand eines einfachen Feder-Masse- Schwinger Modells. Die Überwachung des magnetischen Teilsystems basiert auf die Modellierung des magnetischen Flusses. Für die Modellierung des magnetischen Teilsystems ist das statische F(d, Q)-Kennfeld vermessen und anschließend in einen linearen und in einen gesättigten Bereich aufgeteilt worden. Das Modell für den linearen Bereich des F(d, Q)-Kennfeldes ist einfach aufgebaut und beruht auf physikalischen Erkenntnissen. Die Approximation des F(d, Q)-Kennfeldes im Sättigungsbereich erfolgt mit Hilfe einer einfachen mathematischen Funktion. Durch den Vergleich des modellierten magnetischen Flusses FMODELL mit dem gemessenen Fluss FMESS kann ein Symptom innerhalb des magnetischen Teilsystems gebildet werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind Fehler sowohl für das magnetische als auch für das mechanische Teilsystem simuliert worden. Mit Hilfe von modellbasierten Überwachungsmethoden und einer anschließenden Auswertung der Fehler-Symptome Tabelle konnten Fehler eindeutig identifiziert werden.