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 claim 1, based on a method of the type mentioned at the outset. Advantageous embodiments and developments of the invention are possible as a result of the measures specified in the dependent claims.

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. 1. Gerät arbeitet in einem erwarteten Zustand (Normalbetrieb)
  2. 2. Gerät erkennt einen Fehler- oder Signalzustand (Gestörter Betrieb, bzw. Warn- oder Steuerfunktion wird eingeschalten)
  3. 3. Gerät arbeitet in einem unbekannten Zustand, wenn z.B. bei der Auswertung unbekannte Werte oder unerwartete Abfolgen von Werten auftreten.
The AI/ML execution algorithm present on the field device evaluates the sensor information with regard to the values in relation to one another and also in relation to time. A general distinction can be made between 3 states:
  1. 1. Device is working in an expected state (normal operation)
  2. 2. Device detects an error or signal status (faulty operation or warning or control function is switched on)
  3. 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.
An exemplary embodiment is shown in the drawings and is explained in more detail below, giving further details and advantages. Show in detail:
  • 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 1 wird ein System 1 zur Ausführung eines computerimplementierten Verfahrens 12 zur Ausführung einer Steuerung mit einer Trainingsphase T sowie mit einer Ausführungsphase A (vgl. auch 2 hierzu) und mit einer Anomalie-Erkennung gemäß der Erfindung vorgestellt. In einem industriellen Prozess, der nach einem der derzeit gängigen Industrie-4.0-Standard arbeiten kann, wird eine Anlage verwendet, die eine Steuerungsvorrichtung 2 verwendet, die über einen Feldbus 3 mit Feldgeräten 4 gekoppelt ist. Die Feldgeräte 4 wiederum verfügen über einzelne Sensoren 5, was ebenfalls in 1 schematisch angedeutet ist. Je nach Prozess kann es sich bei den Feldgeräten 4 mit Sensoren 5 um verschiedene externe Komponenten außerhalb der eigentlichen Steuerungsvorrichtung 2 handeln, welche den industriellen Prozess mit überwachen bzw. sonstige Funktionen darin übernehmen, wie z.B. Aktoren (Stellglieder, Ventile usw.), die rückmelden, welche Position, welcher Öffnungszustand usw. gerade vorliegt, oder sonstige Sensoren zur Bestimmung einer Temperatur, einer Drehzahl, einer Geschwindigkeit, einer elektrischen Größe usw.In 1 a system 1 for executing a computer-implemented method 12 for executing a control with a training phase T and with an execution phase A (cf. also 2 this) and presented with an anomaly detection according to the invention. In an industrial process that can operate according to one of the current Industry 4.0 standards, a system is used that uses a control device 2 that is coupled to field devices 4 via a fieldbus 3 . The field devices 4 in turn have individual sensors 5, which is also 1 is indicated schematically. Depending on the process, the field devices 4 with sensors 5 can be various external components outside of the actual control device 2, which monitor the industrial process or take on other functions in it, such as actuators (actuators, valves, etc.) that report back , which position, which opening state, etc. is currently present, or other sensors for determining a temperature, a speed, a speed, an electrical variable, etc.

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 data memory 6 in the area of the production plant. The data is trained within the training phase T using an AI or ML learning algorithm.

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 data memory 6 via the field bus 3 and are collected and stored there. Time information is assigned to the data in each case, which depends on when and in which order the data were generated or arrived in the data memory 6 . This further processing of the data originating from the sensors 5 in the field devices 4 is part of the execution phase A.

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 central data memory 6 . The cloud 7 then retrieves only the data from the data store 6 that it needs for the training T that is currently being carried out. The data in the data memory 6 have been stored on a rolling basis, ie time information has been assigned to them in each case. Is the previously specified memory cher has been filled with data, the oldest data in the data buffer 6 is overwritten. This intermediate buffering allows the data to be passed on to the cloud 7 in portions, depending on the retrieval by the cloud 7, so that a low bandwidth on the transmission path to the cloud 7 is sufficient.

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.

2 zeigt schematisch noch einmal das Zusammenwirken von Trainingsverfahren und Ausführungsverfahren A. Die Cloud 7 meldet über die Verbindungsstruktur 10 die in der Trainingsphase T neu erlernte Logik an die Steuerungsvorrichtung 2 bzw. die Feldgeräte 4 und verändert somit den Ablauf der Ausführungsphase A. 2 shows once again schematically the interaction of training methods and execution methods A. The cloud 7 reports the logic newly learned in the training phase T to the control device 2 or the field devices 4 via the connection structure 10 and thus changes the course 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.
In the execution phase A, the following must now be expected due to the predefined logic: since the system 1 is in a learning process, certain states may not yet be recorded by the learning and training process T, for example. The data, for example the measured sensor data, can therefore lie outside of a range that can be processed by the logic circuit. In the case of other design variants, the time behavior or the history of the data must also be taken into account during the evaluation. The system 1 recognizes a previously unknown state. The control device 2 then reports this state; because this state must be checked by a supervisory authority 11 . In general there are two options:
  • - 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 supervisory authority 11, the control device 2 is informed whether there is an error which may also require intervention in or the process to be aborted, or whether the training T needs to be expanded. From the execution phase A, the data is collected in the data memory 6 and transmitted to the cloud 7 for the implementation or extension of the training method T, in that it is read out via the computer connection 9 if necessary. The result algorithms are transmitted and integrated via the connection structure 10 to the embedded devices, in particular the field devices 4 or the control device 2 . From then on, execution phase A changes accordingly due to the addition of other learned and trained states.

3 wiederum zeigt ein System 1 ohne rollierenden Datenspeicher. Über einen Sensor 5 wird in einer Maschine eine Größe ausgemessen. Im eingebetteten Feldgerät 4 wird diese hier im Mikrocontroller MC vorverarbeitet (z.B. über eine Logikschaltung), dann werden die Daten mit dem im Feldgerät 4 eingegebenen Algorithmus verarbeitet. Es wird ein Betriebszustand BZ bestimmt und ausgegeben. Diese Verfahren, welches das Feldgerät 4 mit Hilfe des Mikrocontrollers MC bzw. einer sonstigen Logikschaltung oder einem einfachen Prozessor ausführt, wird als Ausführungsverfahren A bezeichnet. Dieses Ausführungsverfahren A erfolgt durch Ausführen eines Algorithmus unter Einbeziehung vorgegebener Parameter bzw. einer Matrix M. 3 again shows a system 1 without rolling data memory. A size is measured in a machine by a sensor 5 . In the embedded field device 4, this is pre-processed here in the microcontroller MC (eg via a logic circuit), then the data are processed using the algorithm entered in the field device 4. An operating state BZ is determined and output. This method, which the field device 4 executes with the aid of the microcontroller MC or another logic circuit or a simple processor, is referred to as execution method A. This execution method A is carried out by executing an algorithm using specified parameters or a matrix M.

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 broadband network 10 to a cloud 7 in which the training phase T takes place. The data is processed with a support vector machine or an SVC learning algorithm in a mainframe computer in the cloud, so that a new parameter file / matrix M can be output, which in turn is transferred via line 9 to field device 4 via data transfer and stored there in the algorithm is included in execution method 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 connection 10 and included in the training process T, so that this state can be included in the parameter file/matrix M.

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,
wobei im Falle des tatsächlich unbekannten Zustands das Trainingsverfahren T mit den Daten des tatsächlich unbekannten Zustands gestartet und eine neue Parameterdatei / Matrix M erzeugt wird, während wiederum im Falle eines speziellen Betriebszustands eine Meldung ausgeben wird.All exemplary embodiments and developments of the invention are distinguished by the implementation of a training method T provided as part of the computer-implemented method 12, with a cloud 7 for the execution of Machine learning and/or AI training algorithms are used using the data, and a parameter file/matrix M is determined by executing the training algorithms, while further performing an execution method A, in which, in the case when the data outside are within the predetermined range, this state BZ is recognized as an unknown state, and the unknown state is transmitted to a control authority, which assigns one of the two following state variables to the unknown state:
  • - special operating condition or
  • - actually unknown condition,
where, in the case of the actually unknown state, the training method T is started with the data of the actually unknown state and a new parameter file/matrix M is generated, while again a message is output in the case of a special operating state.

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)

Computerimplementiertes Verfahren (12) zur Ausführung einer Steuerung mit Anomalie-Erkennung, umfassend: • Bereitstellung einer Steuerungsvorrichtung (2), • Bereitstellung wenigstens eines Sensors (5), wobei vom Sensor (5) Daten erfasst werden, • Bereitstellung wenigstens eines Feldgeräts (4), das mit dem wenigstens einen Sensor (5) zusammenwirkt und/oder den Sensor (5) umfasst, wobei der Sensor (5) dem Feldgerät (4) die Daten übermittelt, zur Ausführung eines Ausführungsverfahrens (A), bei dem das wenigstens eine Feldgerät (4) die Daten nach einer Logikschaltung auswertet, welche den Daten, wenn diese in einem vorgebestimmten Bereich und somit einem bekannten Zustand (BZ) liegen, einen Verarbeitungswert zuordnen, • wobei das Feldgerät (4) mit der Steuerungsvorrichtung (2) zusammenwirkt, insbesondere Daten und/oder Befehle empfängt und/oder verschickt und/oder austauscht, • Bereitstellung eines Netzwerks (3) zur Kommunikation zwischen der Steuerungsvorrichtung (2) und dem wenigstens einen Feldgerät (4), • Bereitstellung einer Cloud (7) und/oder eines zentralen Rechners zur Durchführung eines Trainingsverfahrens (T), • Übertragung der Daten an die Cloud (7) und/oder den zentralen Rechner, zumindest über das Netzwerk (3), • wobei: i. die Cloud (7) und/oder der zentrale Rechner als Rechenanlage zur Ausführung von Machine-Learning- und/oder Kl-Trainingsalgorithmen, insbesondere mit höherer Rechenleistung als für die Ausführung des Ausführungsverfahrens (A) benötigt, unter Verwendung der Datenverwendet wird und ii. durch die Ausführung der Trainingsalgorithmen eine Parameterdatei und/oder Matrix (M) bestimmt wird, • Durchführung des Ausführungsverfahrens (A), bei dem in dem Fall, wenn die Daten außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen, dieser Zustand als unbekannter Zustand erkannt wird, und i. der unbekannte Zustand einer Kontrollinstanz (11) übermittelt wird, ii. welche dem unbekannten Zustand eine der beiden folgenden Zustandsgrößen zugeordnet wird: o spezieller Betriebszustand (BZ) oder o unbekannter Betriebszustand, • wobei im Falle des tatsächlich unbekannten Zustands das Trainingsverfahren (T) mit den Daten des tatsächlich unbekannten Zustands gestartet und/oder ergänzt und eine Parameterdatei und/oder Matrix (M) erzeugt wird, und • wobei im Falle eines speziellen Betriebszustands (BZ) eine entsprechende Meldung ausgeben wird, und wobei • die Parameterdatei und/oder die Matrix (M) an die Steuerungsvorrichtung (2) und/oder an das Feldgerät (4) oder das wenigstens eine Feldgerät (4), dessen Daten die Parameterdatei und/oder die Matrix (M) betreffen, weitergeleitet wird, und • wobei die Parameterdatei und/oder die Matrix (M) auf dem Feldgerät (4) und/oder in der Steuerungsvorrichtung (2) zur Durchführung des Ausführungsverfahrens (A) angewandt wird.Computer-implemented method (12) for executing a control with anomaly detection, comprising: • providing a control device (2), • providing at least one sensor (5), data being recorded by the sensor (5), • providing at least one field device (4 ), Which interacts with the at least one sensor (5) and/or comprises the sensor (5), the sensor (5) transmitting the data to the field device (4) for executing an execution method (A), in which the at least one Field device (4) evaluates the data according to a logic circuit, which assigns a processing value to the data if they are in a predetermined range and thus in a known state (BZ), • the field device (4) interacting with the control device (2), in particular receives and/or sends and/or exchanges data and/or commands, • providing a network (3) for communication between the control device (2) and the at least one a field device (4), • provision of a cloud (7) and/or a central computer for carrying out a training method (T), • transmission of the data to the cloud (7) and/or the central computer, at least via the network (3 ), • where: i. the cloud (7) and/or the central computer is used as a computer system for executing machine learning and/or AI training algorithms, in particular with higher computing power than required for executing the execution method (A), using the data and ii. a parameter file and/or matrix (M) is determined by executing the training algorithms, • carrying out the execution method (A), in which, if the data lie outside the predetermined range, this state is recognized as an unknown state, and i . the unknown status of a control authority (11) is transmitted, ii. which one of the following two status variables is assigned to the unknown status: o special operating status (BZ) or o unknown operating status, • in the case of the actually unknown status, the training method (T) is started and/or supplemented with the data of the actually unknown status and one Parameter file and / or matrix (M) is generated, and • wherein in the case of a special operating state (BZ) a corresponding message is issued, and wherein • the parameter file and / or the matrix (M) to the control device (2) and / or forwarded to the field device (4) or the at least one field device (4) whose data relate to the parameter file and/or the matrix (M), and • the parameter file and/or the matrix (M) being stored on the field device (4 ) and/or in the controller device (2) for carrying out the execution method (A) is applied. Verfahren (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Cloud und/oder der zentrale Rechner zudem als Verarbeitungsspeicher für die Daten genutzt wird.Method (12) according to claim 1 , characterized in that the cloud and / or the central computer is also used as a processing memory for the data. Verfahren (12) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch Bereitstellung eines mit dem Netzwerk verbundenen Datenspeichers (6) zum zentralen Sammeln der Daten, die vom wenigstens einen Feldgerät über das Netzwerk bereitgestellt werden, und wobei der Datenspeicher als Zwischenspeicher verwendet wird, um die Daten portionsweise an die Cloud und/oder den zentralen Rechner zu übermitteln und/oder um eine geringe Bandbreite bei der Datenübertragung zur Cloud und/oder zum zentralen Rechner auszugleichen.Method (12) according to one of the preceding claims, characterized by providing a data memory (6) connected to the network for the central collection of the data provided by the at least one field device via the network, and the data memory being used as an intermediate memory in order to To transmit data in portions to the cloud and/or the central computer and/or to compensate for a low bandwidth during data transmission to the cloud and/or to the central computer. Verfahren (12) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Datenspeicher (6) ein rollierender Datenspeicher verwendet wird, bei dem die von dem wenigstens einen Feldgerät (4) ausgelesenen Daten mit einer Zeitinformation versehen, bis zum vollständigen Auffüllen des Datenspeichers (6) und/oder bis zum Transfer der entsprechenden Daten an die Cloud (7) und/oder den zentralen Rechner dort gespeichert und bei vollem Datenspeicher (6) und/oder nach dem Transfer der Daten an die Cloud (7) und/oder den zentralen Rechner diese Daten je nach Zeitinformation, insbesondere beginnend mit den ältesten Daten, gelöscht werden.Method (12) according to one of the preceding claims, characterized in that a rolling data memory is used as the data memory (6), in which the data read out from the at least one field device (4) is provided with time information until the data memory ( 6) and/or stored there until the corresponding data is transferred to the cloud (7) and/or the central computer and when the data memory is full (6) and/or after the data has been transferred to the cloud (7) and/or the central computer, these data are deleted depending on the time information, in particular starting with the oldest data. Verfahren (12) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Cloud (7) und/oder der zentrale Rechner die zum gerade ausgeführten Trainingsverfahren (T) und/oder zum tatsächlich unbekannten Zustand gehörenden Daten aus dem Netzwerk (3) und/oder vom Datenspeicher (6) zu deren Transfer an die Cloud (7) und/oder den zentralen Rechner anfordert.Method (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the cloud (7) and/or the central computer receives the data from the network (3) and/or the data belonging to the training method (T) just carried out and/or to the actually unknown state. or requests from the data store (6) for their transfer to the cloud (7) and/or the central computer. Verfahren (12) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldgeräte (4) zum Auswerten des Parameterdatei und/oder der Matrix (M) und/oder zum Durchführen des Ausführungsverfahrens (A) einen Mikrocontroller (MC) verwenden.Method (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the field devices (4) use a microcontroller (MC) to evaluate the parameter file and/or the matrix (M) and/or to carry out the execution method (A).
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