On-Board-Diagnose

Modellbasierte Fehlererkennung und -diagnose im Bereich der Motorsteuerung

Projektbearbeiter:	Uwe Becker, Jörg R. Müller
Auftraggeber:	Industrie Automation Vertriebs GmbH (IAV)

Einleitung:

Im Allgemeinen besteht der Kern jeder Fehlerdiagnose in (technischen) Systemen aus der Identifikation von Abhängigkeiten zwischen (beobachteten) Fehlern (z. B. unerwartete Zustände werden erreicht oder erwartete Ereignisse bleiben aus) und deren Ursachen. Im Bereich der Motorsteuerung ist schon heute ein wesentlicher Teil der Steuerungssoftware für die Überwachung zuständig (z. B. Unterbrechungs- und Kurzschlussüberwachung der elektrischen Leitungen von Sensorik und Aktorik und eine grobe Plausibilitätsüberprüfung der Sensorsignale untereinander). Mit solch einfachen Methoden ist es jedoch weder möglich umfassende Fehler im Bereich des Motors frühzeitig zu erkennen, noch eine Diagnose, also das Schließen auf Ursachen, durchzuführen. Das Prognostizieren von Folgefehlern aufgrund von beobachteten Fehlern, wird ebenfalls nicht durchgeführt. Durch Verwendung von analytischem Prozesswissen in Form mathematischer Modelle erlauben modellbasierte Fehlererkennungs- und Diagnosemethoden interne Prozessgrößen zu ermitteln und so auf rechnerischem Weg eine Erkennung, Diagnose und Bewertung von Fehlern durchzuführen. Die zur Diagnose notwendigen Kausalitäten zwischen Fehlerursache und Fehler (auch: "Symptom") werden in diesen Ansätzen im Allgemeinen durch intensive Gespräche in vielen Expertenrunden ermittelt. Die Repräsentation der Abhängigkeiten in (semi-) formalen Tabellen dient dann als Grundlage zur Fehlerdiagnose.


Fokus:

Hier soll eine Möglichkeit vorgestellt werden, ausgehend von einem formalen Petrinetz-Systemmodell (auch Funktionsmodell oder primales Modell) mittels rein formaler, mathematischer Transformationen ein Fehlermodell (auch Diagnosemodell oder duales Modell) zu berechnen und in diesem sowohl die Ursachensuche aufgrund von beobachteten Fehlern (Fehlerdiagnose) als auch die Voraussage von Folgefehlern (Fehlerpropagation) zumindest grundsätzlich zu ermöglichen. Im Kontext des Projektes wird diese Methodik am Ansaugsystem (oder an der "Luftstrecke") eines turbogetriebenen Motors durchgeführt. Eine stark vereinfachte Sicht auf eine solche Luftstrecke ist in Bild 1 dargestellt.

Bild 1: Vereinfachte Darstellung einer ?Luftstrecke? in einem Kompressormotor

Methode:

In Bild 2 ist das formale Systemmodell (in Form eines höheren Petrinetzes) abgebildet ? aus Geheimhaltungsgründen wurden die Kantenanschriften sehr stark vereinfacht.

Bild 2: Das Systemmodell mit erwarteten Druckwerten für Drosselklappe (DK) = 1

Das zum primalen Netz aus Bild 2 duale Netz ist in Bild 3 zu sehen: Stellen wurden durch Transitionen und Transitionen durch Stellen getauscht, die Kanten haben ihre Richtung gewechselt und sind nun mit den entsprechenden adjungierten Abbildungen annotiert.

Bild 3: Diagnosemodell


Durch diese "Dualisierung" werden Stellenmarkierungen zu Transitionenmarkierungen transformiert. Die Markierungen von Transitionen können als potentielle Schaltereignisse (im Kontext höherer Netze: potentielle Schaltmodi) interpretiert werden. Auf Basis dieser Interpretationen diagnostiziert man mittels Fixpunktberechnungen zu beobachteten (Fehl-)zuständen die (ggf. Menge von Alternativen) Ursachen(kombinationen).

Bild 4: Potentielle Fehlerräume an zwei verschiedenen Arbeitspunkten (rechts: Arbeitspunkt: ?Vollgas?, links: Arbeitspunkt ?Standgas?).


Ausgehend von den beobachteten Fehlern an verschiedenen Arbeitspunkten (hier: zwei Arbeitspunkte), werden die potentiellen Schaltmodi der Transitionen und die potentiellen (Vorgänger-) Zustände der Stellen durch eine Fixpunktberechnung jeweils eingeschränkt ? man erhält so für jeden Arbeitspunkt einen möglichen Fehlerraum (bzw. "Ursachenraum"). Die tatsächliche Ursache bzw. Ursachenkombination muss nun in der Schnittmenge dieser einzelnen Räume liegen.

Bild 5: Visualisierung der Ursachenkombination

Die Ursache zu einem beobachteten Fehler könnte beispielsweise eine Kombination aus defektem Saugrohr und defektem Bypassventil sein ? mit dem skizzierten Ansatz sind also auch Mehrfehlerdiagnosen möglich.