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Integration of fault detection and diagnosis methods into OPC UA for mobile machinery
Abstract
In the construction industry, so-called site information systems are responsible for consistent end-to-end data utilization by connecting relevant stakeholders, which shall increase productivity and sustainability. This paper continues the work on OPC Unified Architecture (OPC UA) data models for mobile machinery and integrates a fault management system. The information model comprises two use cases, precisely machine supervision and machine maintenance. To demonstrate the functionality of the proposed solution, a Software-in-the-Loop Simulation including implemented OPC UA server and clients has been executed. The communication via OPC UA meets the identified requirements of the use cases.
... These data sets had been formalized into information models based on existing Companion Specifications. For further information regarding the concept as well as developed information models, have a look at [13], [14]. For reasons of efficiency and decreasing communication delays, the concept was simplified. ...
Die Betrachtung des Status Quo der Digitalisierung im Bausektor zeigt, dass viele Aspekte des digitalen Bauens bereits umgesetzt sind. Diese Lösungen sind jedoch häufig unzureichend kompatibel zueinander. Im Rahmen des Verbundforschungsprojektes Bauen 4.0 wurde daher ein an ISO 15143-1 angelehnter Systemarchitekturansatz entwickelt, bei dem die Bauausführung und die mobilen Arbeitsmaschinen im Fokus liegen. Den Kern des Datenaustausches auf der Baustelle bildet ein lokales 5G-basiertes Campusnetz, welches unabhängig von der oftmals unzuverlässigen öffentlichen Mobilfunkabdeckung ist. Die zentrale Datendrehscheibe auf der Baustelle bildet das sogenannte Baustellenleitsystem.
Systems with independent metering offer a high potential for increasing the functionality and efficiency of valve-controlled hydraulic drives. But nowadays there are only a few prototypical applications. One reason for that are the so far insufficient safety investigations. Besides the structural investigations carried out at the research institute, this contribution deals with a fault detection by means of limit checking of the applied pressure sensors. A detection algorithm is derived from several software-in-the-loop simulations of the independent metering system applied at an excavator arm. The functionality and limits of the fault detection will be shown by means of measurements. As a result, all safety-critical faults can be detected which leads to a Diagnostic Coverage of DC = 99% and thus allows the use of independent metering up to a Performance Level PL = e.
Gegenüber dem Industriesektor hat die Bauindustrie ihre Produktivität seit mehreren
Jahrzehnten nicht steigern können. Dies liegt u.a. am hohen Anteil manueller Tätigkeiten
sowie an der geringen Umsetzung von Digitalisierung und Automatisierung. Der Einsatz
digitaler Technologien ist eine Möglichkeit, um den Bedingungen auf der Baustelle und den
Herausforderungen während der Bauausführung zu entgegnen. Nicht nur die
Vermessungstechnik, sondern auch verstärkt die Baumaschinen stellen heute bereits
wertvolle Daten für die Bauüberwachung und den Baubetrieb bereit. Stand der Technik ist
die ISO 15143-3, welche die Übertragung der Maschinendaten aus den
herstellerspezifischen Cloud-Lösungen über eine Schnittstelle zu den Baufirmen
standardisiert. Dieser Weg erschwert jedoch die Integration gemischter Flotten in ein
Baustellenmanagementsystem. Insbesondere die Anwendung von Maschinendaten für
Echtzeitmonitoring- und Steuerung, Prozessplanung – und Simulation sowie zum
Austausch von Modellen ist mit der aktuellen Schnittstelle aufgrund unzureichender
Verfügbarkeit, Informationsgehalt und Interoperabilität nicht möglich. Dieser Beitrag zeigt am Beispiel eines Mobilbaggers, die Implementierung eines OPC-UAServers
auf einer Telematikeinheit zur Bereitstellung der Maschinendaten. Dazu wird ein
baumaschinenspezifisches Datenmodell unter Verwendung bestehender OPC-UA
Spezifikationen vorgestellt. Auf die Integration der Kinematik-Konfiguration wird detailliert
eingegangen, was für 3D-Maschinensteuerungen genutzt werden kann. In einer
Demonstrationsumgebung empfängt eine Client-Anwendung zur Visualisierung der
Arbeitsausrüstung über ein WLAN-Mesh-Netzwerk die Maschinendaten vom OPC-UA
Server auf dem Bagger.
Die Arbeiten dieses Beitrages sind Teil des Verbundforschungsprojektes Bauen 4.0. Die
hier gezeigten Untersuchungen werden bis Sommer 2022 anhand diverser Demonstratoren
getestet und im Baustellenumfeld evaluiert.
This paper deals with a novel independent metering valve system which is intended to be used in medium sized mobile machines. The system uses a mechanical pressure compensator to enable a very simple SISO control algorithm which does not need any feedback parameters to be adjusted. The algorithm is capable of handling resistive and pulling loads at a certain desired velocity and inlet chamber pressure level. The paper gives a brief summary of the systematic approach to deriving the valves structure and compares different control approaches for the complete hydraulic system comprising several actuators. Special emphasis is given to the preferred solution, which is verified on a laboratory test rig consisting of reasonably priced mobile machine components. Furthermore a linear model of system and control structure is constructed to give detailed information regarding the dynamic characteristics of the controlled drive. The energetic benefits of the novel system architecture in comparison to a standard coupled metering flow sharing system are investigated by means of a levelling movement performed on the test rig and a simulated synthetic high power digging cycle.
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ISO 15143-2 -Earth-moving machinery and mobile road construction machinery -Worksite data exchange Part 2: Data dictionary
ISO, ISO 15143-2 -Earth-moving machinery and mobile road construction machinery -Worksite data
exchange Part 2: Data dictionary, 2010.
Data analysis for the evaluation and design of a model-based fault detection based on an independent metering system for mobile hydraulic drives
- E Fischer
- J Weber
Fischer, E., Weber, J., Data analysis for the evaluation and design of a model-based fault detection
based on an independent metering system for mobile hydraulic drives, 13th International Fluid Power
Conference, Aachen, 2021.
Getrennte Parameter-und Zustandsschätzung zur Echtzeit-Fehlerdiagnose an elektrohydraulischen Aktuatoren primärer Steuerflächen von Luftfahrzeugen
- M Schreiber
Schreiber, M., Getrennte Parameter-und Zustandsschätzung zur Echtzeit-Fehlerdiagnose an elektrohydraulischen Aktuatoren primärer Steuerflächen von Luftfahrzeugen, Darmstadt, 2003.
Fault Diagnostic Opportunities for Solenoid Operated Valves using Physics-of-Failure Analysis
- M Jameson
Jameson, M. et al., Fault Diagnostic Opportunities for Solenoid Operated Valves using Physics-of-Failure Analysis, International Conference on Prognostics and Health Management, Cheney, USA; 22-25 June 2014
Condition-based Maintenance and Machine Diagnostics
- J H Williams
Williams, J. H., Condition-based Maintenance and Machine Diagnostics, Springer, Dordrecht, 1983.
Earth-moving machinery -Machine-control systems (MCS) using electronic components -Performance criteria and tests for functional safety
- Iso
ISO, ISO 15998 Earth-moving machinery -Machine-control systems (MCS) using electronic
components -Performance criteria and tests for functional safety, 2008.