DE102016002943A1

DE102016002943A1 - Method for obtaining information elements about industrial manufacturing plants and power generation plants

Info

Publication number: DE102016002943A1
Application number: DE102016002943.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Grüner; Bernhard Schimunek
Original assignee: Riduum GmbH
Current assignee: Riduum GmbH
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Informationselementen über industrielle Fertigungsanlagen und Energieerzeugungsanlagen, bei dem ein kontinuierlicher Datenstrom von Messwerten ausgewertet wird, um einzelne Betriebszustände der Anlage erkennen zu können, bei dem zuerst mittels mathematischer Berechnungen aus dem Datenstrom erkannt wird, ob sich die Anlage in einem stabilen Betriebszustand oder im Übergang zwischen zwei Betriebszuständen befindet; sodann aufeinanderfolgende gleiche Betriebszustände zusammengefasst werden, und schließlich ein Niveau für jeden Betriebszustand ermittelt wird, indem im Laufe der Zeit diese Niveaus durch Gewichtung nach Zeit und Höhe stabilisiert werden.Method for obtaining information elements about industrial manufacturing plants and energy production plants, in which a continuous data stream of measured values is evaluated in order to be able to recognize individual operating states of the plant, by first recognizing by means of mathematical calculations from the data stream, whether the plant is in a stable operating state or in transition between two operating states; then successive identical operating conditions are summarized, and finally a level for each operating state is determined by over time these levels are stabilized by weighting by time and altitude.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von angereicherten Informations-Objekten über industrielle Fertigungsanlagen und Energieerzeugungsanlagen, bei dem ein kontinuierlicher Datenstrom von Messwerten ausgewertet wird, um einzelne Betriebszustände und Informations-Objekte der Anlage erkennen zu können.The present invention relates to a method for obtaining enriched information objects via industrial manufacturing plants and power generation plants, in which a continuous data stream of measured values is evaluated in order to be able to recognize individual operating states and information objects of the plant.

Vollautomatische Maschinen sind heute ein fester Bestandteil einer Fertigungsstraße. Die Aufgabe, die diese Maschinen zu erfüllen haben, ist die Bearbeitung eines Produktes oder eines Werkstückes. In vielen Anwendungen werden Maschinen in einer sequenziellen Anordnung (diskreter Fertigungsablauf) zu einer kompletten Fertigungsstraße installiert.Fully automatic machines are today an integral part of a production line. The task that these machines have to fulfill is the machining of a product or a workpiece. In many applications, machines are installed in a sequential arrangement (discrete manufacturing process) to a complete production line.

Nach Definition von „Industrie 4.0” sollte jede Maschine kommunikationsfähig sein.According to the definition of "Industry 4.0" every machine should be capable of communication.

Somit ist neben der funktionellen Programmierung der Maschine ebenfalls die Bereitstellung von Daten und Informationen an einer genormten (sofern machbar) Daten-Schnittstelle erforderlich. Bei der Bereitstellung von Daten und Informations-Objekten ist darauf zu achten, dass diese mit einer annähernd 100%igen Informations-Qualität geliefert werden. Sofern diese Qualität nicht garantiert werden kann, sind diese Daten und Informationen nicht brauchbar und für die Weiterverarbeitung in übergeordneten Systemen nicht verwendbar.Thus, in addition to the functional programming of the machine, the provision of data and information at a standardized (if feasible) data interface is also required. When providing data and information objects, care must be taken to ensure that they are delivered with an information quality of approximately 100%. If this quality can not be guaranteed, this data and information is not usable and can not be used for further processing in higher-level systems.

Bei der Programmierung einer Maschine wird zwischen funktionellem und informativem Teil unterschieden.When programming a machine, a distinction is made between the functional and the informative part.

Der funktionelle Bereich beschreibt die technologische und operative Aufgabe, die eine Maschine erfüllen muss. Im informativen Teil werden Daten und Informationen für Anzeige, Displays und für die Weiterverarbeitung in übergeordneten Systemen hinterlegt. Im Regelfall sind die Funktions- und Informationsblöcke konstruktiv voneinander getrennt.The functional area describes the technological and operational task that a machine must perform. In the informative part, data and information for display, displays and for further processing are stored in higher-level systems. As a rule, the function and information blocks are structurally separated from each other.

Für die Informationsbereitstellung müssen die Prozesse der Maschinen dem Maschinen-Programmierer bekannt sein. Die einzelnen technologischen Ablaufschritte einer Maschine liefern kontinuierliche Daten und Informationen, die mit entsprechender Datenqualität in einem Datenblock für die Übergabe an Hostsysteme oder Anzeigen für die Mensch/Maschinen-Kommunikation zur Verfügung gestellt werden.For the provision of information, the processes of the machines must be known to the machine programmer. The individual technological process steps of a machine provide continuous data and information, which are made available with corresponding data quality in a data block for transfer to host systems or displays for human / machine communication.

Diese Problematik wird derzeit gelöst, indem über aufwändige Programmierung und Kommunikationsaufbau Daten von untergelagerten Systemeinheiten (SPS-Systemen; Industrie-PCs, ...) an die überlagerten MIS, MES- oder BDE-Systeme übergeben werden.This problem is currently being solved by transferring data from subordinate system units (PLC systems, industrial PCs, etc.) to the higher-level MIS, MES or BDE systems via complex programming and communication setup.

Der diesbezügliche Stand der Technik ergibt sich beispielsweise aus der WO 2015/117848 A1 . Dort wird versucht, ausschließlich aus einem Signal, welches der elektrischen Leistungsaufnahme der Maschine entspricht, durch Autokorrelationsanalysen einen Arbeitszyklus der Anlage abzuleiten. Mit dem Ergebnis dieser Autokorrelationsanalyse soll sodann wieder das Messsignal untersucht werden. Hierbei gelingt es jedoch nicht, verschiedene Betriebszustände der Anlage zu erkennen, da insbesondere im Ruhe- oder Standbyzustand keine zyklische Schwankung der Leistungsaufnahme der Anlage auftritt, und die Autokorrelationsanalyse somit ins Leere läuft.The relevant prior art results for example from the WO 2015/117848 A1 , There, an attempt is made to derive a duty cycle of the system exclusively from a signal which corresponds to the electrical power consumption of the machine by means of autocorrelation analyzes. The result of this autocorrelation analysis is then used to examine the measurement signal again. In this case, however, it is not possible to detect different operating states of the system, since, in particular in the idle or standby state, no cyclical fluctuation in the power consumption of the system occurs, and the autocorrelation analysis therefore runs into the void.

Aus der DE 10 2014 106 688 A1 ist demgegenüber ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einer Maschine bekannt, wobei aus der Maschine gemessene Drehwinkelsignale dazu dienen sollen, entstehende Schäden oder Abnutzungen an der Maschine extrem frühzeitig zu erkennen, sodass eine noch sehr einfache und preisgünstige Wartung bzw. Reparatur eingeleitet werden kann, bevor sich der Schaden an der Anlage verschlimmert und wesentlich teurere Reparaturen erforderlich sind. Dazu werden Schwankungen in der Umlaufgeschwindigkeit der rotierenden Maschine ausgewertet.From the DE 10 2014 106 688 A1 On the other hand, a method for detecting errors in a machine is known, wherein rotational angle signals measured from the machine are to be used to detect emerging damage or wear on the machine extremely early, so that a very simple and inexpensive maintenance or repair can be initiated before the damage to the plant worsens and much more expensive repairs are required. For this purpose, fluctuations in the rotational speed of the rotating machine are evaluated.

Auch hier kann jedoch nicht auf verschiedene Betriebszustände der Maschine zurückgeschlossen werden.Again, however, can not be deduced to different operating states of the machine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, durch welches ohne Eingriff in die Steuer- und Regelmechanismen der Anlage der jeweilige Betriebszustand der Anlage zuverlässig erkannt und verschiedenen Zustandsniveaus zugeordnet werden kann, beispielsweise „ausgeschaltet”, „Standby”, „Leerlauf”, Störung”, „ordnungsgemäße Produktion”, „Stau” und „Mangel”.The object of the present invention is therefore to provide a method by which the respective operating state of the system can be reliably detected and assigned to different state levels without intervention in the control and regulating mechanisms of the system, for example "off", "standby", "idle". "Fault", "proper production", "traffic jam" and "defect".

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zuerst mittels statistischer Verfahren aus dem Datenstrom erkannt wird, ob sich die Anlage in einem stabilen Betriebszustand oder im Übergang zwischen zwei Betriebszuständen befindet, sodann aufeinanderfolgende gleiche Betriebszustände zusammengefasst werden und schließlich ein Niveau für jeden Betriebszustand ermittelt wird, indem im Laufe der Zeit diese Niveaus durch Gewichtung nach Zeit und Höhe stabilisiert werden. Es handelt sich erfindungsgemäß also um ein selbstlernendes System.According to the invention, this object is achieved by first recognizing from the data stream by means of statistical methods whether the system is in a stable operating state or in the transition between two operating states, then successive identical operating states are combined and finally a level is determined for each operating state, over time these levels are stabilized by weighting by time and altitude. It is therefore a self-learning system according to the invention.

Vorzugsweise dienen als Daten für den Datenstrom zumindest Daten über die elektrische Leistungsaufnahme oder -abgabe der Anlage.Preferably serve as data for the data stream at least data on the electrical power consumption or output of the system.

Vorzugsweise kann der Datenstrom zusätzlich Daten über einen den Produktionsprozess kennzeichnenden Messwert enthalten. Dabei kann es sich vorzugsweise um den Produktionstakt der Anlage handeln, da dieser sehr leicht von außen erkennbar ist, beispielsweise einfach durch eine Lichtschranke an der Ausstoßöffnung der Anlage, an der die fertigen Produkte die Anlage verlassen. Preferably, the data stream may additionally contain data about a measured value characterizing the production process. This may preferably be the production cycle of the plant, as it is very easily recognizable from the outside, for example simply by a light barrier at the discharge opening of the plant, where the finished products leave the plant.

Weiter ist es besonders bevorzugt, wenn auch die Übergänge zwischen den Zuständen ausgewertet werden, indem die Anzahl der Übergänge zwischen den Niveaus gespeichert und kumuliert wird, und daraus ein Maschinenzustandsmodell mit den Wahrscheinlichkeiten der Übergänge zwischen den Zuständen gewonnen wird.Further, it is especially preferable to also evaluate the transitions between the states by storing and cumulating the number of transitions between the levels, and from this, deriving a machine state model with the probabilities of the transitions between the states.

Vorzugsweise werden zumindest einige der folgenden Betriebszustände erkannt:
Anlage ein (Produktion)
Anlage aus (Standby oder Leerlauf)
Anlage aus (Störung)
Anlage aus (Stau) oder
Anlage aus (Mangel).Preferably, at least some of the following operating states are detected:
Plant on (production)
System off (standby or idle)
Plant off (fault)
Plant out (congestion) or
Plant out (defect).

Vorzugsweise können die mathematisch gewonnenen Ergebniswerte zur Erkennung der verschiedenen Betriebszustände mittels einer Anlernkurve qualitativ verbessert werden.Preferably, the mathematically obtained result values for the detection of the different operating states can be qualitatively improved by means of a learning curve.

Aus dem Zeitverlauf der Betriebszustände und der Verknüpfung der Basiswerte lassen sich dann erfindungsgemäß noch weitere Informations-Objekte, beispielsweise Verfügbarkeit, Geschwindigkeit, OEE, Betriebsstunden, Anzahl der Stillstände, Anzahl der produzierten Einheiten, Maschinenleistung, MTBF oder MTTR, ermitteln.According to the invention, further information objects, for example availability, speed, OEE, operating hours, number of standstills, number of units produced, machine output, MTBF or MTTR, can then be determined from the time profile of the operating states and the combination of the base values.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Datenstrom von Messwerten mittels an der Anlage angebrachten, aber von dieser galvanisch getrennter Mess- und Aufnahme-Systeme erzeugt wird. Dann beeinflusst funktional das erfindungsgemäße Verfahren eine bereits bestehende Anlage, die erfindungsgemäß nachgerüstet werden soll, in keiner Weise.It is particularly preferred if the data stream of measured values is generated by means of measuring and recording systems attached to the system, but which are galvanically separated from it. Then, functionally, the method according to the invention influences in no way an already existing system which is to be retrofitted according to the invention.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:The present invention will be explained below with reference to the embodiments illustrated in the accompanying drawings. It shows:

1 ein Prinzip-Schaltbild für eine sehr einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic diagram of a very simple embodiment of the present invention;

2 den zeitlichen Verlauf der Messwerte aus einem erfindungsgemäß auszuwertenden kontinuierlichen Datenstrom; 2 the time course of the measured values from a continuous data stream to be evaluated according to the invention;

3 ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Maschinenzustandsmodell; und 3 an example of a machine state model according to the invention; and

4 die Umsetzung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von Informationselementen. 4 the implementation of another method according to the invention for obtaining information elements.

1 zeigt eine Fertigungsmaschine zur stückweisen Fertigung eines Produkts, beispielsweise eine Fertigungsmaschine 10, die über drei übliche Sicherungen 12 und einen Netzschalter 14 wie üblich mit dem Drehstromnetz L1, L2, L3 und N verbunden ist. Erfindungsgemäß wird hier ein Strom- oder Leistungsmessgerät 16 zwischengeschaltet, welches auf einem Bus 18 einen kontinuierlichen Datenstrom mit Messwerten über die Stromaufnahme, Leistungsaufnahme, Blindleistungs- und/oder Wirkleistungsaufnahme der Maschine 10 an ein Datenverarbeitungssystem 20 weitergibt. Zusätzlich ist die Datenverarbeitungsanlage 20 über einen weiteren Bus 18' mit weiteren Sensoren 22 verbunden, die in oder an der Anlage 10 angebracht sind. Diese Sensoren sind jedoch galvanisch von der Anlage 10 völlig getrennt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine ganz einfache Lichtschranke am Ausgang der Anlage 10, durch die erkannt wird, wenn fertige Produkte die Anlage 10 jeweils verlassen, sodass aus dem Ausgangssignal der Sensoren 22 der Produktionstakt abgeleitet werden kann. 1 shows a production machine for piecewise production of a product, such as a production machine 10 that has about three usual fuses 12 and a power switch 14 as usual with the three-phase network L1, L2, L3 and N is connected. According to the invention here is a power or power meter 16 Interposed, which is on a bus 18 a continuous data stream with measured values on the current consumption, power consumption, reactive power and / or active power consumption of the machine 10 to a data processing system 20 passes. In addition, the data processing system 20 over another bus 18 ' with additional sensors 22 connected in or at the facility 10 are attached. However, these sensors are galvanic from the system 10 completely separate. In the present case, it is a very simple light barrier at the output of the system 10 by which is recognized when finished products the plant 10 each leaving, so from the output of the sensors 22 the production clock can be derived.

Die Datenverarbeitungseinrichtung 20 verarbeitet die über die Busleitungen 18, 18' eingehenden Daten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und liefert ihre Ausgangsdaten auf einer weiteren Busleitung 24 zum Internet 26 und/oder zur Cloud 28, wo diese Daten dann zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen.The data processing device 20 processes the over the bus lines 18 . 18 ' incoming data according to the inventive method and provides its output data on another bus line 24 to the internet 26 and / or to the cloud 28 where these data are then available for further processing.

Erfindungsgemäß sind also an der Maschine oder Anlage lediglich (Minimum) zwei Sensoren angebracht: die elektrische Messung 16 und die Lichtschranke 22 am direkten Ausgang der Anlage 10 zum Zählen der Produktionseinheiten und zum Ermitteln des Produktionstaktes. Es werden somit nicht alle Basisdaten wie bei einer konventionellen Industrieautomationslösung gesammelt. Die Basis-Informationen, von der Maschine funktional galvanisch getrennt (Integrale), werden erfindungsgemäß durch mathematische Verfahren (Algorithmen), die im Folgenden dargestellt werden, zu zur Weiterverarbeitung geeigneten Informations-Objekten gewandelt. Erfindungsgemäß werden also bereits Informations-Objekte erzeugt und gesammelt. Diese Informations-Objekte können dann die Grundlage für übergeordnete MES- oder ERP-Systeme zur Erzeugung von Kennzahlen sein. Die vorliegende Erfindung stellt also in ihrer Ausgangs-Schnittstelle übergeordneten IT-Systemen die erzeugten Informations-Objekte zur Verfügung.According to the invention, therefore, only two (minimum) sensors are attached to the machine or system: the electrical measurement 16 and the photocell 22 at the direct exit of the plant 10 for counting the production units and for determining the production cycle. Thus, not all basic data is collected as in a conventional industrial automation solution. The basic information, functionally galvanically isolated from the machine (integrals), according to the invention by mathematical methods (algorithms), which are presented below, converted to suitable for further processing information objects. Thus, according to the invention, information objects are already generated and collected. These information objects can then be the basis for higher-level MES or ERP systems for generating key figures. The present invention thus provides the generated information objects in its output interface to higher-level IT systems.

2 zeigt einen solchen typischen Verlauf der Stromverbrauchs- bzw. Leistungs- oder Medienaufnahmedaten (Maschinen- oder Taktgeschwindigkeit) einer beispielhaften Anlage 10 wie sie von dem Strommessgerät oder Leistungsmessgerät 16 bzw. über den Taktgeber der Lichtschranke 22 ermittelt und über den Bus 18 an die Datenverarbeitung 20 übertragen werden. Dabei kennzeichnen die Ziffer 1 die Grundlast oder den Leerlauf- oder Standbybetrieb; die Ziffer 2 das Hochfahren der Anlage 10; die Ziffer 3 die Produktion durch die Anlage 10 mit entsprechend hohem Energieverbrauch; die Ziffer 4 verschiedene „Downtimes” also Störungen oder Betriebsunterbrechungen und die Ziffer 5 das Herunterfahren der Anlage 10. 2 shows such a typical course of power consumption or media recording data (machine or Clock speed) of an exemplary system 10 as used by the ammeter or power meter 16 or via the clock of the light barrier 22 determined and over the bus 18 to the data processing 20 be transmitted. The numeral indicates this 1 the base load or the idle or standby mode; the numeral 2 the startup of the plant 10 ; the numeral 3 the production by the plant 10 with correspondingly high energy consumption; the numeral 4 various "downtimes" so disruptions or interruptions and the digit 5 Shut down the system 10 ,

Nach der Auswertung durch die erfindungsgemäßen Verfahren kann mit den oben genannten Betriebszuständen durch Korrelation der Kurven (Integrale) Leistungsdaten und Maschinen- bzw. Taktgeschwindigkeit automatisiert ein maschinenspezifisches „Machine State Model” oder Maschinenzustandsmodell erzeugt werden, wie es in 3 dargestellt ist. Die gleichen Ziffern bezeichnen wieder die gleichen Maschinenzustände. Diese Berechnung kann erfindungsgemäß in Echtzeit erfolgen und anhand dieses Maschinenzustandsmodells können dann ebenfalls in Echtzeit viele weitere entsprechende Informations-Objekte berechnet werden.After evaluation by the method according to the invention, a machine-specific "machine state model" or machine state model can be generated automatically by correlating the curves (integrals) of performance data and machine or cycle speed with the abovementioned operating states, as described in US Pat 3 is shown. The same numbers again designate the same machine states. According to the invention, this calculation can take place in real time, and many other corresponding information objects can then also be calculated in real time on the basis of this machine state model.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei werden ebenfalls Informations-Objekte aus einer Fertigungsanlage 110 gewonnen. Der gestrichelte Rahmen 111 zeigt die galvanische Trennung der Anlage von den Sensoren 116, 116'. Diese Sensoren sind über ein geeignetes Interface 117 (beispielsweise MODBUS/TCP) mit einem Bus 118 verbunden. Dieser leitet die gewonnenen Rohdatenströme der Sensoren 116, 116' zur Datenverarbeitung, die wie hier dargestellt auch in der Cloud oder auf einem entfernten Großrechner passieren kann. Dabei werden aus den Datenströmen mittels mathematischer Regeln Integrale erzeugt, die dann mittels mathematischer Algorithmen zu entsprechenden Charts, Triggern und Informations-Objekten umgesetzt werden. Zu diesem Zweck wird eine mathematische Berechnung verwendet. Die Daten werden dann über Ausgangsbusse 124 an die verschiedenen Auswertungsprogramme oder an das Worldwide Web 126 weitergegeben. 4 shows a further embodiment of the present invention. Here are also information objects from a manufacturing plant 110 won. The dashed frame 111 shows the galvanic isolation of the system from the sensors 116 . 116 ' , These sensors are via a suitable interface 117 (eg MODBUS / TCP) with a bus 118 connected. This leads the collected raw data streams of the sensors 116 . 116 ' for data processing, which, as shown here, can also happen in the cloud or on a remote mainframe. In the process, integrals are generated from the data streams by means of mathematical rules, which are then converted by means of mathematical algorithms into corresponding charts, triggers and information objects. For this purpose, a mathematical calculation is used. The data will then be via output busses 124 to the various evaluation programs or to the Worldwide Web 126 passed.

Die Auswertung der von den Sensoren 16, 116, 116' gewonnenen Datenströme erfolgt dabei folgendermaßen:
Bei den Sensoren 16, 116, 116' handelt es sich um Informationsträger, deren Signal gegen die Zeit abgebildet werden kann. Ebenfalls verfügen diese Sensoren 16, 116, 116' über eigene Schnittstellen, die digitale Telegramme oder analoge Ausgangssignale erzeugen, welche von einer übergeordneten Peripherie direkt übernommen werden können.The evaluation of the sensors 16 . 116 . 116 ' The data streams obtained are as follows:
With the sensors 16 . 116 . 116 ' they are information carriers whose signal can be mapped against time. Also have these sensors 16 . 116 . 116 ' via own interfaces, which generate digital telegrams or analogue output signals, which can be taken over directly from a superior periphery.

Erfindungsgemäß und vorteilhafterweise kann dabei durch eine galvanisch getrennte Digitalisierungsschicht der Sensoren (also der Messaufnehmer für die Basiswerte) 16, 116, 116', die eine völlige elektrische Trennung gegenüber der funktionalen Automatisierungstechnologie (also im Normalfall der speicherprogrammierbaren Steuerung oder der industriellen PC-Einheit) erzielt werden. Auf diese Weise ist ein direkter technologischer Eingriff in den funktionellen Prozessablauf der Anlage nicht erforderlich. Funktionale Veränderungen in der Steuerung der Anlage (beispielsweise SPS-Veränderungen wie Software-Updates oder Programmerweiterungen) können jederzeit vom Maschinenbauer beliebig durchgeführt werden. Diese Veränderungen haben keine Auswirkungen auf die erfindungsgemäßen Aufnehmer bzw. Sensoren 16, 116, 116'.According to the invention, and advantageously, by a galvanically separated digitizing layer of the sensors (ie the sensor for the base values) 16 . 116 . 116 ' which achieves complete electrical isolation from the functional automation technology (usually the programmable logic controller or the industrial PC unit). In this way, a direct technological intervention in the functional process flow of the plant is not required. Functional changes in the control of the system (for example PLC changes such as software updates or program extensions) can be carried out at any time by the machine manufacturer. These changes have no effect on the transducers or sensors according to the invention 16 . 116 . 116 ' ,

Erfindungsgemäß ist die Informationsbeschaffung somit autonom und steht in keiner Beziehung zur maschinellen Funktion und zur Aufgabenstellung der Maschine. Veränderungen der jeweiligen Komponenten Maschine-Funktion und Maschine-Informationserfassung haben funktionell gegenseitig keine Auswirkungen. Jedoch ermöglicht diese Anordnung, dass bei einer technologischen Veränderung bzw. Erweiterung der Maschine 10, 100 die Informationen sofort ohne technologischen Eingriff, in der hier beschrieben Erfindung mit abgebildet werden.According to the invention, the acquisition of information is thus autonomous and has no relation to the mechanical function and the task of the machine. Changes in the respective components Machine function and machine information acquisition functionally have no effect on each other. However, this arrangement allows that in a technological change or extension of the machine 10 . 100 the information is immediately imaged without technological intervention, in the invention described herein.

Jeder der vorgesehenen Sensoren 16, 116, 116' kann unterschiedliche Basis-Informationen erfassen. Beispielsweise können bei einem elektrischen Leistungssensor die Werte für Spannung, Strom, elektrische Arbeit, elektrische Leistung und Frequenz abgegriffen werden.Each of the provided sensors 16 . 116 . 116 ' can capture different basic information. For example, in the case of an electrical power sensor, the values for voltage, current, electrical work, electrical power and frequency can be tapped.

Nach Vorgabe der „Industrie 4.0”-Architektur (RAMI 4.0) wird die Anlage oder die Maschine 10, 110 in eine Verwaltungsschale 113 eingebettet. Die Verwaltungsschale 113 hat die Aufgabe, die Basis-Informationen (Daten der Sensoren 16, 116, 116') zu digitalisieren. Über einen Datakollektor werden die Basisdaten der einzelnen Sensoren 16, 116, 116' dazu zu einem gemeinsamen Telegramm zusammengefasst. Eine Pre-Selections-Routine filtert aus der Anzahl der einzelnen Datenwerte der unterschiedlichen Sensoren 16, 116, 116' die benötigten Basis-Elemente heraus. Ein Parser wandelt sodann die einzelnen Basis-Größen auf ein einheitliches Format und führt alle Werte zu einem Telegramm zusammen. Das Telegramm wird mittels eines Kommunikations-Busses (z. B. Modbus-Kanal) zu einer intelligenten Rechnereinheit (Pre-Scaler) mit mathematischen Rechen-Methodiken zugeführt. Im Pre-Scaler werden die übertragenen Werte zu einer Messreihe mit einheitlicher Zeitbasis-Achse gewandelt.According to the specification of the "Industrie 4.0" architecture (RAMI 4.0), the plant or the machine becomes 10 . 110 into an administrative shell 113 embedded. The administrative shell 113 has the task of providing the basic information (data of the sensors 16 . 116 . 116 ' ) to digitize. About a data collector are the basic data of the individual sensors 16 . 116 . 116 ' to a common telegram summarized. A pre-selection routine filters out the number of individual data values of the different sensors 16 . 116 . 116 ' the needed basic elements out. A parser then converts the individual base sizes to a uniform format and merges all values into one telegram. The telegram is fed by means of a communication bus (eg Modbus channel) to an intelligent computer unit (pre-scaler) with mathematical calculation methodologies. In the pre-scaler, the transmitted values are converted into a series of measurements with a uniform time base axis.

Die einzelnen Messreihen werden sodann mit den mathematischen Methoden analysiert. The individual series of measurements are then analyzed using mathematical methods.

Im Berechnungs-Tool werden die Verweilzeiten durch statistisch ähnliche Zustände des Messwerts identifiziert und abgespeichert. Dieses entstandene vertikale Cluster repräsentiert Zustände des Systems (z. B. volle Produktion, Maschine aus, Leerlauf, Störung, ...). Die Start- und End-Zeiten der Zustände werden durch das zweite Messsignal durch logische Interpretation bzw. klare Regeln bei verschiedenen Ereignissen wie schneller Anstieg, Bewegen des Messwerts im Maximum, Abschwellen etc. zu einer Genauigkeit von ~90% erkannt.In the calculation tool, the dwell times are identified and stored by statistically similar states of the measured value. This resulting vertical cluster represents states of the system (eg full production, machine off, idle, disturbance, ...). The start and end times of the states are recognized by the second measurement signal by logical interpretation or clear rules for various events such as rapid increase, moving the measured value in maximum, decay, etc. to an accuracy of ~ 90%.

Folgende Clusterbereiche bzw. Maschinenzustände können sich daraus ergeben:
Maschine ein (in Produktion)
Maschine aus (Standby)
Maschine aus (Störung)
Maschine aus (Mangel)
Maschine aus (Stau).The following cluster areas or machine states can result from this:
Machine on (in production)
Machine off (standby)
Machine off (fault)
Machine off (deficiency)
Machine off (jam).

In einer Konfigurationsroutine werden sodann die Basiswerte der einzelnen Betriebszustände durch Verwendung einer Anlernkurve erzeugt. Die angelernten Werte werden in einem Konfigurationsbereich als SOLL-Werte (Zustandsmuster) abgelegt. Die in dem Berechnungs-Tool einlaufenden IST-Werte werden gegen die im Konfigurationsbereich hinterlegten Kurven (SOLL-Werte) kontinuierlich verglichen. Entsprechend den Vergleichsergebnissen wird der jeweilige Betriebszustand den IST-Kurven zugeordnet.In a configuration routine, the basic values of the individual operating states are then generated by using a learning curve. The learned values are stored in a configuration area as SETPOINTS (state patterns). The actual values arriving in the calculation tool are continuously compared against the curves stored in the configuration area (nominal values). According to the comparison results, the respective operating state is assigned to the actual curves.

Zusätzlich wertet das Berechnungs-Tool kontinuierlich die aufsteigenden und abfallenden Flanken aus. Da die jeweiligen Kurven in Relation zur zeitlichen Basiseinheit Zeit abgebildet werden, können entsprechende Kurvenmuster mit ihrer Steigungs- und Abfallrate berechnet werden. Der Abfallwinkel liefert dabei ein Verhaltensmuster, welches zur Plausibilitätsprüfung für die eindeutige Erkennung der Betriebszustände der Anlage dient, indem festgestellt werden kann, ob die Maschine aus ihrem Betriebszustand Produktion in den Betriebszustand: Maschine aus; Maschine Störung; Maschine Stau oder Maschine Mangel übergeht.In addition, the calculation tool continuously evaluates the rising and falling edges. Since the respective curves are mapped in relation to the time base unit time, corresponding curve patterns can be calculated with their rate of increase and decrease. The drop angle provides a pattern of behavior, which serves as a plausibility check for the unambiguous recognition of the operating conditions of the system, by determining whether the machine from its operating state of production in the operating state: Machine off; Machine malfunction; Machine congestion or machine shortage passes.

Zusätzlich kann ein weiterer Algorithmus vorgesehen sein, der für die Erkennung der Betriebszustände Störung und Maschine aus bzw. Leerlauf oder Standby oder Umrüstvorgang dient. Diese Differenzierung ist nur über die Laufzeit erkennbar. In einer weiteren Anlernphase werden die Zeiten ermittelt, die für einen Umrüstvorgang erforderlich sind. Somit wird von dem erfindungsgemäßen Verfahren automatisch der Betriebszustand Störung zugeordnet, sofern die Zeitdauer kleiner als die in der Datenverarbeitungsanlage 20, 120 hinterlegte (konfigurierte) Umrüstzeit ist. Ebenfalls kann die Steilheit der abfallenden Flanke, also das Abbremsverhalten der Anlage zur Unterscheidung zwischen Ausschalten der Maschine und Störverhalten dienen. Erfindungsgemäß können also durch Einbeziehung der zeitlichen Achse (Geschwindigkeit der Veränderungen der Amplitude) die einzelnen o. g. Betriebszustände noch besser erkannt werden.In addition, a further algorithm can be provided, which is used for the detection of the operating states fault and machine off or idle or standby or conversion process. This differentiation is only recognizable over the term. In a further learning phase, the times required for a changeover process are determined. Thus, the operating state fault is automatically assigned by the method according to the invention, provided that the time duration is smaller than that in the data processing system 20 . 120 stored (configured) changeover time is. Likewise, the steepness of the falling edge, ie the braking behavior of the system can be used to distinguish between switching off the machine and disturbance behavior. Thus, according to the invention, by incorporating the time axis (velocity of changes in the amplitude), the individual operating states mentioned above can be better recognized.

Entsprechend der aktuellen Betriebsschwellenwerte kann die Kurvenform nun in ein Informations-Objekt mit einer entsprechenden Code-Darstellung gewandelt werden.According to the current operating thresholds, the waveform can now be converted into an information object with a corresponding code representation.

Das Informations-Objekt „Betriebszustand” wird wiederum in seiner entsprechenden Codierung gegen die aufgezeichneten Zeitstempel gesetzt. Daraus kann ein Gant-Diagramm erzeugt werden, das in der Darstellung gegenüber der x-Achse (Zeitachse) ein farbliches Spektrum der einzelnen Betriebszustände wiedergibt.The information object "operating state" is again set in its corresponding coding against the recorded time stamps. From this, a Gant diagram can be generated which, in the representation relative to the x-axis (time axis), reproduces a color spectrum of the individual operating states.

Das Informations-Objekt Betriebszustand kann dann als Basis-Objekt für die Bestimmung von weiteren Informations-Objekten dienen. Aus dem berechneten Betriebszustand und der Basis-Integrale lassen sich nämlich durch mathematische Berechnungen weitere Informations-Objekte ableiten, die folgende Parameter abbilden können:
Verfügbarkeit
Geschwindigkeit
OEE
Betriebsstunden
Anzahl der ungeplanten Stillstände
Anzahl der produzierten Einheiten
Maschinenleistung
MTBF oder
MTTR.The information object operating state can then serve as the basis object for the determination of further information objects. From the calculated operating state and the basic integrals, mathematical calculations can be used to derive further information objects that can map the following parameters:
Availability
speed
OEE
operating hours
Number of unplanned downtime
Number of units produced
engine output
MTBF or
MTTR.

Die erzeugten Informations-Objekte können sodann in einer Datenbank nach dem Prinzip FIFO abgelegt und gespeichert werden. Weiter können die erzeugten Informations-Objekte mit den entsprechenden Inhalten und Zeitstempeln auf einer OPC-UA-Schnittstelle für weiterverarbeitende Systeme (BDE/MIS/MES/ERP-Systeme) zur Verfügung gestellt werden. Diese können dabei sowohl als Echtzeit-Online-Werte als auch als historische Werte dargestellt werden.The generated information objects can then be stored and stored in a database according to the FIFO principle. Furthermore, the generated information objects with the corresponding contents and time stamps can be made available on an OPC UA interface for further processing systems (BDE / MIS / MES / ERP systems). These can be displayed both as real-time online values and as historical values.

Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß durch eine entsprechende Schnittstellenkopplung möglich, Fremdsystemen von Drittlieferanten die Informations-Objekte als Basisgröße für ihre IT-Lösungen zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.In this way, it is possible according to the invention by means of a corresponding interface coupling to provide third-party systems of third-party suppliers with the information objects as a basic variable for their IT solutions for further processing.

Die vorliegende Erfindung liefert somit sofort nutzbare Informations-Objekte. Damit können sowohl bestehende alte Anlagen, als auch neue Anlagen in kurzer Zeit für die Anforderungen von „Industrie 4.0” kommunikationsfähig gemacht werden, und übergeordnete Applikationen erhalten die Daten, die notwendig sind, um die Produktivität und Effizienz zu erhöhen. Ein zusätzlicher Strom- oder Leistungsmesser 16 und die entsprechenden Lichtschranken 22 können nämlich ohne großen Aufwand bei jeder Anlage nachgerüstet werden.The present invention thus provides immediately usable information objects. This means that existing old systems as well as new systems can quickly meet the requirements of "Industry 4.0" and parent applications receive the data necessary to increase productivity and efficiency. An additional power or power meter 16 and the corresponding photocells 22 They can be retrofitted to any system without great effort.

Um interpretierbare Informationen von elektrischen Maschinen und Anlagen zu erhalten, die den Zustand der Maschine und des Prozesses im Rahmen von sog. Informations-Objekten beschreiben, sind gemäß dem Stand der Technik immer direkte Eingriffe in die Feldbus-, SPS- und MES-Ebenen notwendig. Diese Eingriffe sind komplex und aufwändig und technologisch nicht immer lösbar. (z. B. führen Eingriffe in SPS-Programmierungen zu nicht akzeptablen Zykluszeitverlängerungen). Werden Prozessparameter oder an der Anlage Komponenten verändert, müssen die Informationen ebenso angepasst werden. Der Aufwand und die damit verbundenen Kosten behindern die für „Industrie 4.0” notwendige Kommunikationsfähigkeit von elektrisch betriebenen Anlagen und ebenso die für das „Intelligent Grid” erforderliche Kommunikationsfähigkeit von elektrischen Energieerzeugungsanlagen. Diese Kommunikationsfähigkeit ist aber ein wesentlicher Bestandteil, dass damit verbundene Geschäftsmodelle überhaupt umgesetzt werden können.In order to obtain interpretable information of electrical machines and plants which describe the state of the machine and of the process in the context of so-called information objects, according to the prior art direct interventions in the fieldbus, SPS and MES levels are always necessary , These interventions are complex and complex and technologically not always solvable. (For example, interventions in PLC programming lead to unacceptable cycle time extensions). If process parameters or components are changed on the system, the information must also be adapted. The effort and the associated costs hinder the communication capability of electrically operated systems necessary for "Industry 4.0" and also the communication capability of electrical power generation systems required for the "Intelligent Grid". However, this ability to communicate is an essential element that can be implemented business models connected at all.

Die Analyse der Prozessdaten von elektrischen Maschinen und Anlagen aus der stückzahlorientierten, diskreten Fertigung durch die Erfinder hat ergeben, dass es eindeutige Korrelationen zwischen den Stromsignalen, der Produktionsgeschwindigkeit und den Betriebszuständen gibt, unter der Voraussetzung, dass das Stromsignal mit der Produktionsgeschwindigkeit und mit bestimmten Algorithmen vorher bearbeitet worden ist.The inventors' analysis of the process data of electrical machines and plants from the piece-number-oriented, discrete manufacturing has revealed that there are clear correlations between the current signals, production rate, and operating conditions, provided that the current signal is at production speed and with certain algorithms previously processed.

Auf diese Weise können erfindungsgemäß mithilfe von mathematischen Methoden eindeutige Energieniveaus erkannt und dargestellt werden, die interessanterweise von Maschinen- und Anlagentypen und Prozessen relativ unabhängig sind und dennoch existieren.In this way, according to the invention, by means of mathematical methods, unique energy levels can be detected and represented which, interestingly enough, are relatively independent of machine and system types and processes and nevertheless exist.

Auf Basis von Korrelationen der Energieniveaus mit der Produktionsgeschwindigkeit können Betriebszustände von Maschinen und Anlagen mit einer hohen Genauigkeit prognostiziert werden, ohne dass man in die Feldbusebene, SPS- oder ERP-Ebenen eingreifen muss. Mit diesen Betriebszuständen kann automatisiert ein maschinenspezifisches, sog. „Machine State Model” also ein Maschinenzustandsmodell erzeugt werden, aus dem viele weitere Informations-Objekte in Echtzeit berechnet werden können.Based on correlations of the energy levels with the production speed, operating states of machines and systems can be predicted with high accuracy, without having to intervene in the fieldbus level, SPS or ERP levels. With these operating states, a machine-specific, so-called "machine state model" can be generated automatically, ie a machine state model from which many other information objects can be calculated in real time.

Die vorliegende Erfindung liefert sofort nutzbare „Informations-Objekte”. Damit werden sowohl bestehende „alte” Anlagen, als auch neue Anlagen in kurzer Zeit auf dem Standard von „Industrie 4.0” kommunikationsfähig, und übergeordnete Applikationen können die Daten erhalten, die notwendig sind, um die Produktivität und Effizienz zu erhöhen.The present invention provides immediately usable "information objects". This means that existing "old" systems as well as new systems will be able to communicate in a short time on the standard of "Industry 4.0", and higher-level applications can obtain the data necessary to increase productivity and efficiency.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2015/117848 A1 [0009]
DE 102014106688 A1 [0010]

Claims

Method for obtaining information objects via industrial production plants and energy production plants, in which a continuous data stream of measured values is evaluated in order to be able to recognize individual operating states of the plant, characterized in that it is first recognized by mathematical methods from the data stream whether the plant is in a stable state or in transition between two operating states; then successive identical operating conditions are summarized, and finally a level for each operating condition is determined by over time these levels are stabilized by weighting by time and altitude.

A method according to claim 1, characterized in that the data stream comprises at least data on two basic data streams (energy od. Media recording or -abgabe) of the system.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the data stream also contains data about a measured value characterizing the production process.

A method according to claim 3, characterized in that the production process characteristic of the measured value of the production cycle of the plant.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transitions between the states are also evaluated by storing and aggregating the number of transitions between the levels, and from this a machine state model with the probabilities of the transitions between the states is obtained.

Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the following operating states are recognized: Plant on (production) Plant off (standby or idle) Plant off (malfunction) Plant off (congestion) or plant off (defect).

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the output values for detecting the various operating states are obtained by means of a learning curve.

Method according to Claim 6 or Claim 7, characterized in that further information objects, namely availability, speed, OEE, operating hours, number of standstills, number of units produced, engine power, MTBF or MTTR, are determined from the time profile of the operating states.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the data stream of measured values by means of attached to the system, but is generated by these galvanically isolated sensors.