DE102021116393A1 - Computer-implemented method for executing a controller with anomaly detection - Google Patents
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Abstract
Computerimplementiertes Verfahren mit Anomalie-Erkennung unter Durchführung eines Trainingsverfahrens (T), wobei eine Cloud(7) bzw. ein zentraler Rechner zur Ausführung von besser implementierten ML-/KI-Trainingsalgorithmen verwendet werden, und wobei durch die Ausführung der Trainingsalgorithmen eine Parameterdatei/Matrix bestimmt wird, während ferner eine Durchführung eines Ausführungsverfahrens (A) vorgesehen ist, bei dem in dem Fall, wenn die Daten außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen, dieser Zustand als unbekannter Zustand erkannt wird, und der unbekannte Zustand einer Kontrollinstanz übermittelt wird, welche dem unbekannten Zustand eine der beiden folgenden Zustandsgrößen zuordnet: spezieller oder unbekannter Betriebszustand(BZ), wobei im Falle des tatsächlich unbekannten Betriebszustands das Trainingsverfahren(T) mit den Daten gestartet und eine Parameterdatei/Matrix(M) erzeugt wird, während wiederum im Falle eines speziellen Betriebszustands eine Meldung ausgeben wird.Computer-implemented method with anomaly detection using a training method (T), using a cloud(7) or a central computer for executing better implemented ML/AI training algorithms, and using the execution of the training algorithms to create a parameter file/matrix is determined, while there is also provision for carrying out an execution method (A) in which, in the event that the data is outside the predetermined range, this state is recognized as an unknown state, and the unknown state is transmitted to a control authority which communicates to the unknown State assigns one of the following two state variables: special or unknown operating state (BZ), in the case of the actually unknown operating state, the training method (T) is started with the data and a parameter file / matrix (M) is generated, while again in the case of a special operating state a message will be issued.
Description
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Ausführung einer Steuerung mit einer Ausführungs- und einer Trainingsphase.The invention relates to a computer-implemented method for executing a control with an execution phase and a training phase.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass gerade im Zusammenhang mit Maßnahmen zur Etablierung von sog. Industrie-4.0-Standards auch immer mehr Elektronik zum Einsatz kommt, die künstliche Intelligenz (Abkürzung: KI bzw. AI) oder Machine Learning (Abgekürzt: ML) nutzt. Diese Algorithmen sorgen dafür, dass aus dem Verhalten der Benutzer oder aus prozesstypischen Parametern mit Hilfe von Algorithmen Maschinenbefehle oder Maschinenparameter abgeleitet und somit künstlich eingelernt werden.It is known from the state of the art that, especially in connection with measures to establish so-called Industry 4.0 standards, more and more electronics are being used, artificial intelligence (abbreviation: KI or AI) or machine learning (abbreviation: ML ) uses. These algorithms ensure that machine commands or machine parameters are derived from the behavior of the user or from process-typical parameters with the help of algorithms and are thus taught in artificially.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein computerimplementiertes Verfahren zur Ausführung einer Steuerung vorzuschlagen, mit dem eine verbesserte Implementierung von Methoden der künstlichen Intelligenz bzw. des Machine-Learning ermöglicht wird. Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren eingangs genannter Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.The object of the invention is to propose a computer-implemented method for executing a control, with which an improved implementation of methods of artificial intelligence or machine learning is made possible. The object is achieved by the features of
Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausführung eines Kontrollprozesses in Form einer Steuerung für eine Maschine bzw. für ein Gerätes ausgebildet. Das Verfahren benötigt zur Steuerung und zur Verarbeitung in der Regel einen Rechner, der auch in die Maschine über den Einsatz von Prozessoren eingebunden sein kann, damit die entsprechenden Algorithmen ausgeführt werden können. Der Kontrollprozesskann auch Regelungsprozesse umfassen, bei denen auf Sensordaten zurückgegriffen wird, um die Steuerung vorzunehmen bzw. den passenden Steuerungsbefehl zu generieren. Weitere eingebettete Geräte, insbesondere etwaige Feldgeräte, können aber auch mit dem Einsatz von Mikrocontrollern, FPGAs's oder dergleichen auskommen. Die Computer-Implementierung gemäß der Erfindung bezieht sich vor allem auf die Verwendung einer Cloud, die eine Rechenanlage umfasst, in der komplexere Trainingsverfahren zum Einlernen und Anwendung von KI-Methoden zur Erzeugung von Ergebnisalgorithmen ausgeführt werden können, etwa mithilfe einer in der Cloud ausgeführten Support-Vector-Machine (SVM) oder eines SVC-Lernalgorithmus. Der Lernalgorithmus kann ein KI-Netzwerk sein (i.d.R. ein neuronales Netzwerk) oder ein ML-Algorithmus (z.B. SVM, nearest neighbor, ...). SVC ist ein Teilalgorithmus von SVM zur Durchführung von Cluster-Analysen.Accordingly, the method according to the invention is designed to carry out a control process in the form of a controller for a machine or for a device. The method usually requires a computer for control and processing, which can also be integrated into the machine using processors so that the corresponding algorithms can be executed. The control process can also include regulation processes in which sensor data is used in order to carry out the control or to generate the appropriate control command. Other embedded devices, in particular any field devices, can also manage with the use of microcontrollers, FPGAs or the like. The computer implementation according to the invention relates in particular to the use of a cloud comprising a computer in which more complex training methods for learning and applying AI methods to generate result algorithms can be carried out, for example using a support running in the cloud -Vector Machine (SVM) or an SVC learning algorithm. The learning algorithm can be an AI network (usually a neural network) or an ML algorithm (e.g. SVM, nearest neighbor, ...). SVC is a sub-algorithm of SVM for performing cluster analysis.
In vorteilhafter Weise können somit Methoden des ML (Machine learning) oder der KI (künstlichen Intelligenz) gem. der Erfindung genutzt werden. In der Regel benötigen KI-Methoden mehr Rechenleistung, es können aber mehr Informationen gespeichert werden als bei ML.Herkömmliche Industrieanlagen bestehen aus den Komponenten wie einer Steuerung und Feldgeräten, die über einen Feldbus angeschlossen sind und Sensoren/Aktoren, welche Daten zu den Feldgeräten senden oder Steuersignale entsprechend physikalisch umsetzen.Methods of ML (machine learning) or AI (artificial intelligence) according to the invention can thus be used in an advantageous manner. As a rule, AI methods require more computing power, but more information can be stored than with ML. Conventional industrial systems consist of components such as a controller and field devices that are connected via a fieldbus and sensors/actuators that send data to the field devices or correspondingly physically convert control signals.
Im herkömmlichen Feldgerät läuft nach bisherigem Stand der Technik ein festprogrammierter Algorithmus (unveränderbar) und führt Steuerungs- und Kontrollaufgaben durch.According to the current state of the art, a permanently programmed algorithm (unchangeable) runs in the conventional field device and carries out control and monitoring tasks.
Erfindungsgemäß wird nunmehr im Feldgerät wird ein KI- und/oder ML-Algorithmus ausgeführt, der den Algorithmus in der Cloud und/oder im zentralen Rechner erlernen kann.According to the invention, an AI and/or ML algorithm is now executed in the field device, which can learn the algorithm in the cloud and/or in the central computer.
Im Allgemeinen greift die Steuerungsvorrichtung auf Feldgeräte zu, die Sensoren umfassen oder zumindest mit Sensoren zusammenwirken, deren Messdaten wiederum für die Steuerung benötigt werden. Diese Daten können gesammelt und können an die Steuerungsvorrichtung übertragen werden. Feldgeräte sind im Allgemeinen Geräte außerhalb des Schaltschranks einer Anlage bzw. außerhalb des eigentlichen Steuerungssystems, welche insbesondere Sensoren umfassen. Es kann sich zum Beispiel um Aktoren wie Stellglieder, verfahrbare Ventile oder dergleichen handeln. Bei einer Ausführungsform können die Feldgeräte über einen Bus, insbesondere einen Feldbus mit der Steuerungsvorrichtung verbunden sein.In general, the control device accesses field devices that include sensors or at least interact with sensors whose measurement data are in turn required for the control. This data can be collected and transmitted to the control device. Field devices are generally devices outside of the control cabinet of a plant or outside of the actual control system, which include sensors in particular. For example, it can be actuators such as actuators, moveable valves or the like. In one embodiment, the field devices can be connected to the control device via a bus, in particular a field bus.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ebenfalls Algorithmen mit zwei unterschiedlichen Phasen, einer Trainingsphase und einer Ausführungsphase.The method according to the invention also uses algorithms with two different phases, a training phase and an execution phase.
Die Ausführungsphase entspricht einer Auswerte- und Steuerungslogik. Die Methoden der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Einlernens werden in der Ausführungsphase grundsätzlich nicht durchgeführt, sondern deren Ergebnisalgorithmen werden angewendet, da diese auf die resultierende Logikschaltung begrenzt sind. Bei der Verarbeitung im Rahmen der Ausführungsphase gibt es eine feste Zahl an Ein- und Ausgängen sowie vorgegebene Auswerte- und Verarbeitungsprozesse, welche z.B. auf einer vordefinierten Logikschaltung beruhen. Die Ausführungsphase wird in der Regel auf den Feldgeräten, gegebenenfalls auch auf der Steuerungsvorrichtung ausgeführt. Die Feldgeräte verfügen aber meist jeweils über keine hohe Rechenleistung, weil sie oftmals nicht mit Hochleistungsprozessoren ausgestattet sind. Die Abarbeitung einer Logikschaltung benötigt keine hohe Rechenleistung. Mitunter kann die Auswertung auch mit kleinen Mikrocontrollern erfolgen.The execution phase corresponds to an evaluation and control logic. The methods of artificial intelligence and machine learning are basically not carried out in the execution phase, but their result algorithms are used, since they are limited to the resulting logic circuit. When processing in the context of the execution phase, there is a fixed number of inputs and outputs as well as predetermined evaluation and processing processes, which are based, for example, on a predefined logic circuit. The execution phase is usually carried out on the field devices, possibly also on the control device. However, the field devices usually do not have high computing power because they are often not equipped with high-performance processors. The processing of a Logic circuit does not require high computing power. Sometimes the evaluation can also be done with small microcontrollers.
In der Trainingsphase bzw. dem Trainingsverfahren müssen in der Regel sehr große Datenmengen verarbeitet werden, um mit Hilfe künstlicher Intelligenz eine Auswertung, genauer gesagt: eine Lernphase bzw. ein Training des Netzwerkes, durchzuführen. Beim maschinellen Lernen wird anhand von vorgegebenen Einzelbeispielen eine generelle Handlungsvorschrift abgeleitet. Zur Ausführung dieser Algorithmen und Verarbeitung einer entsprechend großen Datenmenge ist eine massive Rechenleistung (Mehrkernprozessoren, GPU, Großrechner, usw.) notwendig, um diesen Prozess in einer vernünftigen, im industriellen Betrieb akzeptablen Zeit durchzuführen.In the training phase or the training method, as a rule, very large amounts of data have to be processed in order to carry out an evaluation, or more precisely: a learning phase or a training of the network, with the aid of artificial intelligence. With machine learning, a general rule of action is derived from given individual examples. Massive computing power (multi-core processors, GPU, mainframe, etc.) is required to execute these algorithms and process a correspondingly large amount of data in order to carry out this process in a reasonable time that is acceptable in industrial operation.
Zur Ausführung des Trainingsverfahrens ist eine Cloud vorgesehen. Somit ist es nicht notwendig, vor Ort an der Anlage bzw. Maschine, die gesteuert werden soll, diese entsprechende Rechenleistung zur Verfügung zu stellen. Sie kann vielmehr in vorteilhafter Weise auch an Drittanbieter, welche über die Cloud eine entsprechende Rechenanlage zur Verfügung stellen, ausgelagert werden. Das KI- bzw. ML-Trainingsverfahren kann über die Cloud mit großen Rechenleistung durchgeführt werden. Das Ergebnis des Trainingsverfahrens wird als Parameterdatei bzw. Matrix auf dem Feldgerätz zur Ausführung bereitgestellt.A cloud is provided for executing the training method. It is therefore not necessary to make this corresponding computing power available on site at the plant or machine that is to be controlled. On the contrary, it can advantageously also be outsourced to third-party providers who make a corresponding computer system available via the cloud. The AI or ML training process can be carried out via the cloud with high computing power. The result of the training process is made available as a parameter file or matrix on the field device for execution.
Ein Ausführungsbeispiel zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass ein Datenspeicher verwendet wird, in dem die Daten zunächst gesammelt und gesichert werden. Vom Datenspeicher aus können die Daten an eine externe Cloud transferiert werden.One exemplary embodiment is distinguished, among other things, by the fact that a data memory is used in which the data is initially collected and saved. The data can be transferred from the data storage to an external cloud.
Durch das zentrale Sammeln der Daten bzw. Messdaten in einem Datenspeicher wird ermöglicht, dass nicht alle Daten unmittelbar an die Cloud abgegeben werden. Diese Zwischenspeicherung bzw. dieses Sammeln können die Menge an Datenübertragung entlasten, wenn nur eine sehr begrenzte Bandbreite für die Übertragung an die Cloud zur Verfügung steht.The central collection of the data or measurement data in a data memory makes it possible for not all data to be sent directly to the cloud. This caching or collection can relieve the amount of data transfer when only a very limited bandwidth is available for transfer to the cloud.
Die Cloud kann aber gem. einer Ausführungsform der Erfindung Daten vom Datenspeicher unmittelbar anfordern. Der Datenspeicher dient der Sicherung und Zwischenpufferung zugleich. Aus Sicherheitsgründen kann es von Vorteil sein, nicht unmittelbar alle Daten sofort in die Cloud zu transferieren. Daher werden in die Cloud nur die zur Verarbeitung des KI- bzw. ML-Algorithmus notwendigen Daten verschoben. Zudem kann Verarbeitungszeit eingespart werden, je nachdem, wie schnell der Transfer an die Cloud erfolgen kann, weil eine schnelle zentrale Zwischenspeicherung im (lokalen) Datenspeicher erfolgen kann. Eine geringere Bandbreite zur Übertragung an die Cloud kann damit überbrückt werden, weil so nicht alle vorhandenen Daten gleich übermittelt werden müssen.According to one embodiment of the invention, however, the cloud can directly request data from the data storage device. The data memory is used for backup and temporary buffering at the same time. For security reasons, it can be advantageous not to immediately transfer all data to the cloud. Therefore, only the data required to process the AI or ML algorithm is moved to the cloud. In addition, processing time can be saved, depending on how quickly the transfer to the cloud can take place, because rapid central intermediate storage can take place in the (local) data memory. A lower bandwidth for transmission to the cloud can thus be bridged, because not all existing data has to be transmitted immediately.
Da von den Feldgeräten bzw. Sensoren während des Betriebs ständig Daten gemessen und übermittelt werden, können im Allgemeinen keine unbegrenzten Datenmengen gespeichert werden. Daher kann bei einer Weiterbildung der Erfindung der (lokale) Datenspeicher als rollierender Speicher ausgebildet sein, d.h. die aktuell gemessenen Daten werden an den Datenspeicher übermittelt und gespeichert, nach einer gewissen Zeit jedoch wieder gelöscht, wenn kein freier Speicherplatz mehr vorhanden ist. Dazu werden die Daten im Datenspeicher mit einer Zeitinformation versehen.Since data is constantly being measured and transmitted by the field devices or sensors during operation, it is generally not possible to store unlimited amounts of data. Therefore, in a development of the invention, the (local) data memory can be designed as a rolling memory, i.e. the currently measured data is transmitted to the data memory and stored, but deleted again after a certain time when there is no more free memory space. For this purpose, the data in the data memory is provided with time information.
Die Feldgeräte führen eine Ausführungsphase bzw. ein Ausführungsverfahren durch. Dazu kann das Feldgerät über eine Logikschaltung, die z.B. in einen Mikrocontroller, ein FPGA oder dergleichen einprogrammiert ist, verfügen. Die Zahl der Eingänge ist fest vorgegeben. Die Daten bzw. Messgrößen, die an den Eingängen anliegen, sind auch in gewissen Bereichen vorgegeben. Die Ausgangsgrößen oder Verarbeitungswerte an den Ausgängen des jeweiligen Feldgerätes sind somit auch fest vorgegeben und liegen ebenfalls in vordefinierten Bereichen. Zusammengefasst senden also die Feldgeräte zum einen Daten an die Steuerung und werten zum anderen den KI- und/oder ML-Algorithmus aus und steuern damit den Aktor (z.B. ein Ventil oder dergleichen).The field devices carry out an execution phase or an execution method. For this purpose, the field device can have a logic circuit that is programmed into a microcontroller, an FPGA or the like, for example. The number of inputs is fixed. The data or measured variables that are present at the inputs are also specified in certain areas. The output variables or processing values at the outputs of the respective field device are therefore also fixed and are also in predefined ranges. In summary, the field devices send data to the controller on the one hand and evaluate the AI and/or ML algorithm on the other and use them to control the actuator (e.g. a valve or the like).
Der auf dem Feldgerät vorhandene AI/ML Ausführungsalgorithmus wertet die Sensorinformationen hinsichtlich der Werte zueinander als auch in einer zeitlichen Abhängigkeit aus. Dabei kann man generell zwischen 3 Zuständen unterscheiden:
- 1. Gerät arbeitet in einem erwarteten Zustand (Normalbetrieb)
- 2. Gerät erkennt einen Fehler- oder Signalzustand (Gestörter Betrieb, bzw. Warn- oder Steuerfunktion wird eingeschalten)
- 3. Gerät arbeitet in einem unbekannten Zustand, wenn z.B. bei der Auswertung unbekannte Werte oder unerwartete Abfolgen von Werten auftreten.
- 1. Device is working in an expected state (normal operation)
- 2. Device detects an error or signal status (faulty operation or warning or control function is switched on)
- 3. The device is working in an unknown state, for example if unknown values or unexpected sequences of values occur during evaluation.
Eine Kontrollinstanz entscheidet, ob ein spezieller Betriebszustand, z.B. ein fehlerhafter Zustand, oder ein tatsächlich unbekannter Zustand vorliegt. Im Falle eines speziellen Betriebszustand (z.B. eines Fehlers) wird eine entsprechende Meldung (z.B. eine Fehlermeldung) ausgegeben. Im Falle eines unbekannten Zustands werden die Daten an das Trainingsverfahren übergeben, sodass durch den Lernvorgang in der Cloud bzw. dem zentralen Rechner die Parameterdatei bzw. Matrix anpasst und zum Feldgerät geschickt wird.A control authority decides whether a special operating condition, eg a faulty condition, or an actually unknown condition is present. In the case of a special operating status (eg an error), a corresponding message (eg an error message) is output. In the case of an unknown state, the data is passed to the training procedure so that the Learning process in the cloud or the central computer adapts the parameter file or matrix and is sent to the field device.
Ausführungsbeispielexample
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines computerimplementierten Verfahrens zur Ausführung einer Steuerung mit Anomalie-Erkennung gem. der Erfindung, hier mit rollierendem Datenspeicher, -
2 : eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens von Ausführungs- und Trainingsverfahren gem. der Erfindung, sowie -
3 eine schematische Darstellung eines computerimplementierten Verfahrens zur Ausführung einer Steuerung mit Anomalie-Erkennung gem. der Erfindung mit direkter Cloud-Anbindung.
-
1 : a schematic representation of a computer-implemented method for executing a control with anomaly detection according to the invention, here with rolling data memory, -
2 : a schematic representation of the interaction of execution and training methods according to the invention, and -
3 a schematic representation of a computer-implemented method for executing a control with anomaly detection according to the invention with direct cloud connection.
In
Trainingsphase T:Training phase T:
Die Durchführung eines Einlernprozesses unter Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz bzw. des maschinellen Einlernens erfordern regelmäßig eine sehr große Rechenleistung, zumal tiefgehende Kenntnisse über ein System erforderlich sind, um daraus allgemeingültige Algorithmen, die das System anwenden kann, ableiten zu können. Diese Kenntnisse liegen in Form von Einzelbeispielen bzw. einer Vielzahl an Sensordaten vor. Je mehr Daten ausgewertet werden können, desto präziser ist die Vorhersage mittels eines entwickelten Algorithmus. Andererseits wiederum steht nur eine begrenzte Zeit zur Durchführung dieses Einlernprozesses mit KI zur Verfügung, um eine Anwendung in der Industrie möglich zu machen.Carrying out a learning process using methods of artificial intelligence or machine learning regularly requires a great deal of computing power, especially since in-depth knowledge of a system is required in order to be able to derive generally valid algorithms that the system can use. This knowledge is available in the form of individual examples or a large number of sensor data. The more data that can be evaluated, the more precise the prediction using a developed algorithm. On the other hand, only a limited time is available to carry out this learning process with AI in order to make an application in industry possible.
Die benötigte Rechenleistung wird in einer sog. Cloud 7 (oder einem zentralen Rechner) zur Verfügung gestellt. Mitunter kann der Rechenaufwand den Einsatz einer GPU rechtfertigen, die nicht jeweils in einem Betrieb zur Verfügung stehen, erst recht nicht an jeder einzelnen Produktionsmaschine. Mit der Cloud 7 wird eine zentrale Rechenanlage eingesetzt, die gegebenenfalls auch die Auswertung mehrerer voneinander unabhängiger Datensätze unterschiedlicher Anlagen zu verarbeiten und auszuwerten. Die Cloud 7 übernimmt den Trainingsvorgang T mit KI bzw. ML. Außerdem kann mittels einer Cloud 7 eine noch größere Speicherkapazität zur Verfügung gestellt werden, als es in der Praxis mit einem rollierenden Datenspeicher 6 im Bereich der Produktionsanlage möglich ist. Die Daten werden innerhalb der Trainingsphase T über einen AI oder ML Lernalgorithmus trainiert.The required computing power is made available in a so-called cloud 7 (or a central computer). Sometimes the computing effort can justify the use of a GPU that is not always available in a company, and certainly not on every individual production machine. With the cloud 7, a central computer system is used, which may also process and evaluate the evaluation of several independent data sets from different systems. The Cloud 7 takes over the training process T with AI or ML. In addition, an even larger storage capacity can be made available by means of a cloud 7 than is possible in practice with a rolling
Ausführungsphase A:Execution phase A:
In den Feldgeräten 4 ist eine Auswertungsschaltung unter Verwendung eines Mikrocontrollers MC integriert, mit der die Sensordaten ausgewertet und in einen Verwertungswert bzw. in eine andere Datenform (z.B. eine Boolean-Variable), eine Anfrage an die Steuerung oder einen Befehl umgewandelt und überführt werden. Diese umgewandelten Daten werden dann z.B. über den Bus 3 an die Steuerungsvorrichtung 2 übertragen. Die Auswertung im Mikrocontroller MC des Feldgerätes 4 erfolgt über eine Logikschaltung, welche mit Hilfe künstlicher Intelligenz bzw. mit Hilfe eines maschinellen Einlernverfahrens erstellt wurde. Die so erzeugten Daten werden an den rollierenden Datenspeicher 6 über den Feldbus 3 übertragen und dort gesammelt und gespeichert. Den Daten wird jeweils eine Zeitinformation zugeordnet, die davon abhängt, wann bzw. in welcher Reihenfolge die Daten erzeugt wurden bzw. im Datenspeicher 6 angekommen sind. Diese Weiterverarbeitung der Daten, die von den Sensoren 5 stammen, in den Feldgeräten 4 ist ein Teil der Ausführungsphase A.An evaluation circuit using a microcontroller MC is integrated in the field devices 4, with which the sensor data is evaluated and converted and transferred into an evaluation value or into another data form (e.g. a Boolean variable), a request to the controller or a command. These converted data are then transmitted to the control device 2 via the bus 3, for example. The evaluation in the microcontroller MC of the field device 4 takes place via a logic circuit which was created with the aid of artificial intelligence or with the aid of a machine learning method. The data generated in this way are transmitted to the rolling
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsverfahren A beschrieben, werden die Daten in einem zentralen Datenspeicher 6 gesammelt und zwischengespeichert. Die Cloud 7 ruft dann nur die Daten vom Datenspeicher 6 ab, die sie für das gerade auszuführende Training T benötigt. Die Daten im Datenspeicher 6 sind rollierend abgelegt worden, d.h. ihnen wurde eine Zeitinformation jeweils zugeordnet. Ist der zuvor festgelegte Speicher mit Daten vollgeschrieben worden, so werden jeweils die ältesten Daten in dem Datenpuffer 6 überschrieben. Durch dieses Zwischenpuffern können die Daten portionsweise an die Cloud 7 weitergegeben werden, je nach Abruf durch die Cloud 7, sodass eine geringe Bandbreite auf dem Übertragungsweg an die Cloud 7 ausreicht.As already described in connection with execution method A, the data is collected and buffered in a
Kopplung und Zusammenwirken von Ausführungsphase A und Trainingsphase T:Coupling and interaction of execution phase A and training phase T:
Die Cloud 7 meldet die von ihr erzeugten Parameterdateien / Matrizen M, die durch den Einlernprozess in der Cloud 7 generiert wurden, an die Steuerungsvorrichtung 2 und/oder an die Feldgeräte 4 über die Verbindungstruktur 10 (z.B. ein Netzwerk oder eine sonstige drahtlose oder drahtgebundene Datenleitung), wo diese Parameterdateien bzw. Matrizen M durch die Prozessoren der Steuerungsvorrichtung 2 bzw. in den Mikrocontrollern der Feldgeräte 4 als Logikschaltung in den bestehenden, im Rahmen der Ausführungsphase A auszuführenden Algorithmus implementiert werden.The cloud 7 reports the parameter files/matrices M it has generated, which were generated by the learning process in the cloud 7, to the control device 2 and/or to the field devices 4 via the connection structure 10 (e.g. a network or another wireless or wired data line ), where these parameter files or matrices M are implemented by the processors of the control device 2 or in the microcontrollers of the field devices 4 as a logic circuit in the existing algorithm to be executed as part of the execution phase A.
In der Ausführungsphase A muss aufgrund der fest vorgegebenen Logik nun mit Folgendem gerechnet werden: Da sich das System 1 in einem Lernprozess befindet, können gewisse Zustände z.B. noch nicht vom Lern- und Trainingsprozess T erfasst sein. Die Daten, z.B. die gemessenen Sensordaten, können also z.B. außerhalb eines von der Logikschaltung verarbeitbaren Bereichs liegen. Bei anderen Ausführungsvarianten ist auch das Zeitverhalten bzw. die Historie der Daten bei der Auswertung zu beachten. Das System 1 erkennt einen bislang unbekannten Zustand. Die Steuerungsvorrichtung 2 meldet diesen Zustand sodann weiter; denn dieser Zustand muss von einer Kontrollinstanz 11 überprüft werden. Generell gibt es zwei Möglichkeiten:
- - Es handelt sich um einen speziellen Betriebszustand, z.B. um einen Fehler, etwa bedingt durch einen Mess- oder einen sonstigen Sensorfehler, bzw.
- - es handelt sich nicht um einen Fehler oder einen anderen bislang bekannten Betriebszustand, sondern um einen (Betriebs-)Zustand, der im Einlernprozess bislang noch nicht aufgetreten ist. Dieser neue Zustand soll dann vom Training T miterfasst werden, damit die verwendeten Ergebnisalgorithmen darauf zugreifen und diesen Zustand berücksichtigen können. Ein neuer künstlicher Lernprozess setzt sein.
- - It is a special operating state, e.g. an error, for example caused by a measurement error or another sensor error, or
- - It is not an error or another previously known operating state, but an (operating) state that has not yet occurred in the teach-in process. This new state should then also be recorded by the training T so that the result algorithms used can access it and take this state into account. A new artificial learning process begins.
Nach Entscheidung durch die Kontrollinstanz 11 wird an die Steuerungsvorrichtung 2 gemeldet, ob ein Fehler vorliegt, der eventuell auch einen Eingriff in oder Abbrechen des Prozesses erfordert, oder ob das Training T erweitert werden muss. Aus der Ausführungsphase A heraus werden die Daten im Datenspeicher 6 gesammelt und an die Cloud 7 zur Durchführung bzw. Erweiterung des Trainingsverfahrens T übermittelt, indem sie bei Bedarf über die Rechnerverbindung 9 ausgelesen werden. Über die Verbindungsstruktur 10 werden die Ergebnisalgorithmen an die eingebetteten Geräte, insbesondere die Feldgeräte 4 bzw. die Steuerungsvorrichtung 2 übertragen und eingebunden. Ab dann ändert sich entsprechend die Ausführungsphase A durch die Ergänzung um weitere eingelernte und antrainierte Zustände.After a decision has been made by the
Die vorverarbeiten Daten (z.B. kann im Feldgerät 41 eine Fast-FourierTransformation FFT daran ausgeführt worden sein), werden über ein Breitbandnetz 10 an eine Cloud 7 übermittelt, in der die Trainingsphase T stattfindet. Die Daten werden mit einer Support-Vector-Machine bzw. einem SVC-Lernalgorithmus in einem Großrechner der Cloud verarbeitet, sodass eine neue Parameterdatei / Matrix M ausgegeben werden kann, die wiederum über die Leitung 9 per Datentransfer an das Feldgerät 4 übergeben und dort in den Algorithmus im Ausführungsverfahren A eingebunden wird.The pre-processed data (e.g. a Fast Fourier Transformation FFT may have been performed on it in the field device 41) are transmitted via a
Wird auch hier ein bislang unbekannter Zustand erkannt, kann er über die Verbindung 10 an die Cloud 7 übermittelt und im Trainingsverfahren T einberechnet werden, sodass dieser Zustand in die Parameterdatei / Matrix M einfließen kann.If a previously unknown state is also recognized here, it can be transmitted to the cloud 7 via the
Alle Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung zeichnen sich aus durch eine im Rahmen des computerimplementierten Verfahrens 12 vorgesehene Durchführung eines Trainingsverfahrens T, wobei eine Cloud 7 zur Ausführung von Machine-Learning- und/oder KI-Trainingsalgorithmen unter Verwendung der Daten verwendet werden, und wobei durch die Ausführung der Trainingsalgorithmen eine Parameterdatei / Matrix M bestimmt wird, während ferner eine Durchführung eines Ausführungsverfahrens A, bei dem in dem Fall, wenn die Daten außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen, dieser Zustand BZ als unbekannter Zustand erkannt wird, und der unbekannte Zustand einer Kontrollinstanz übermittelt wird, welche dem ungekannten Zustand eine der beiden folgenden Zustandsgrößen zuordnet:
- - spezieller Betriebszustand oder
- - tatsächlich unbekannter Zustand,
- - special operating condition or
- - actually unknown condition,
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- System zur Ausführung des VerfahrensSystem for carrying out the procedure
- 22
- Steuerungsvorrichtungcontrol device
- 33
- Feldbusfieldbus
- 44
- Feldgerätfield device
- 55
- Sensor im FeldgerätSensor in the field device
- 66
- rollierender Datenspeicherrolling data storage
- 77
- Cloudcloud
- 88th
- SVM bzw. SVC-LernalgorithmusSVM or SVC learning algorithm
- 99
- Rechnerverbindung vom Datenspeicher zur CloudComputer connection from data storage to cloud
- 1010
- Verbindungsstruktur zwischen Cloud und eingebettetem GerätConnection structure between cloud and embedded device
- 1111
- Kontrollinstanzsupervisory authority
- 1212
- computerimplementiertes Verfahren mit Anomalie-Erkennungcomputer-implemented method with anomaly detection
- AA
- Ausführungsverfahrenexecution procedure
- BZBZ
- Betriebszustandoperating condition
- MM
- KI-/ML-MatrixAI/ML Matrix
- MCMC
- Mikrocontrollermicrocontroller
- TT
- Trainingsverfahrentraining procedures
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021116393.5A DE102021116393A1 (en) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | Computer-implemented method for executing a controller with anomaly detection |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102021116393.5A DE102021116393A1 (en) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | Computer-implemented method for executing a controller with anomaly detection |
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DE102021116393A1 true DE102021116393A1 (en) | 2022-12-29 |
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- 2021-06-24 DE DE102021116393.5A patent/DE102021116393A1/en active Pending
Patent Citations (1)
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DE102019204861A1 (en) | 2018-04-13 | 2019-10-17 | Fanuc Corporation | MACHINE LEARNING DEVICE; CONTROL DEVICE AND MACHINE LEARNING |
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