DE102021133852A1

DE102021133852A1 - System architecture and methods for process monitoring

Info

Publication number: DE102021133852A1
Application number: DE102021133852.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Knaup; Sven Langenecker; Kai-Siegfried Mattes
Original assignee: Laepple AG
Current assignee: Laepple AG
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117409A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Systemarchitektur und ein Verfahren zur Prozessüberwachung, einschließlich einem Maschinenlernverfahren, um Zukunftsprognosen zu Prozessergebnissen treffen zu können, insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen bei einer komplexen Fertigung in mehreren Prozessebenen.The invention relates to a system architecture and a method for process monitoring, including a machine learning method, in order to be able to make future predictions about process results, in particular when manufacturing components in complex manufacturing on multiple process levels.

Description

Im Stand der Technik sind bereits diverse Verfahren bekannt, um Diagnosen und Vorhersagen zur Fertigungsmaschinen oder Produktionsanlagen zu treffen. Die Anlagenverfügbarkeit einer Maschine, wie z. B. eines Drehtisches stellt einen wichtigen Faktor für die wirtschaftliche Nutzung dieser Einrichtung dar.Various methods are already known in the prior art for making diagnoses and predictions for manufacturing machines or production systems. The system availability of a machine, e.g. B. a turntable is an important factor for the economic use of this facility.

Die Hauptaufgabe eines Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Maschinen besteht darin, möglichst ohne Betriebsunterbrechung eine Beurteilung des aktuellen Maschinenzustandes, der Belastung der Maschine und jeglicher Veränderungen des Maschinenzustandes zu ermöglichen. Unter Maschinenzustand versteht man dabei die Bewertung des technischen Zustandes der Maschine auf der Basis der Gesamtheit der aktuellen Werte aller Schwingungsgrößen und Betriebsparameter.The main task of a method for monitoring the condition of machines is to enable an assessment of the current machine condition, the load on the machine and any changes in the machine condition, if possible without interrupting operation. Machine condition is understood to mean the evaluation of the technical condition of the machine on the basis of the totality of the current values of all vibration variables and operating parameters.

Durch vorbeugende Instandhaltung und Erfahrungswerte können die Verfügbarkeiten der Produktionsanlagen verbessert und gleichzeitig die Ausfallzeiten der Anlagen sowie die Kosten der Instandhaltung reduziert werden. Nachteilig ist dabei, dass es selten möglich ist, genaue Vorhersagen über den Zustand und den Zeitpunkt des Ausfalls von Maschinenteilen, Lager oder Verschleißteilen zu treffen. Ferner ist es bei der vorbeugenden Instandhaltung immer wieder der Fall, dass Teile ausgetauscht werden, die noch über eine hohe Reststandzeit verfügen.Through preventive maintenance and empirical values, the availability of the production systems can be improved and at the same time the downtimes of the systems and the costs of maintenance can be reduced. The disadvantage here is that it is seldom possible to make precise predictions about the condition and time of the failure of machine parts, bearings or wearing parts. Furthermore, in preventive maintenance it is always the case that parts that still have a long remaining service life are replaced.

Eine alternative Form der Instandhaltung kann in der zustandsbezogenen Instandhaltung gesehen werden. Die zustandsbezogene Instandhaltung setzt eine zuverlässige und regelmäßige Ermittlung des Maschinenzustands voraus. Die dafür entwickelten und im Stand der Technik verfügbaren Mess- und Auswerteverfahren dienen der Überwachung und Auswertung von Prozess-parametern und Maschinenkennwerten, wie z. B. Temperatur, Druck, Drehmoment oder elektrische Stromdaten. Häufig wird auch die Schwingungsanalyse zur Maschinendiagnose eingesetzt. Mit einer derartigen Analyse ist es möglich, Schäden bereits im Frühstadium zu erkennen und zu diagnostizieren, um Folgeschäden zu vermeiden.An alternative form of maintenance can be seen in condition-based maintenance. Condition-based maintenance requires reliable and regular determination of the machine condition. The measurement and evaluation methods developed for this and available in the state of the art serve to monitor and evaluate process parameters and machine parameters, such as e.g. B. temperature, pressure, torque or electrical current data. Vibration analysis is also often used for machine diagnosis. With such an analysis, it is possible to detect and diagnose damage at an early stage in order to avoid consequential damage.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es allerdings nicht nur um lediglich die Früherkennung und Diagnose, sondern um eine ganzheitliche Umsetzung der Industrie 4.0 Konzeption, die über die Implementierung von Teilaspekten und Prozessen und deren Datenverarbeitung hinausgeht.However, the present invention is not just about early detection and diagnosis, but about a holistic implementation of the Industry 4.0 concept that goes beyond the implementation of partial aspects and processes and their data processing.

Es besteht vielmehr ein Bedarf der praktischen Umsetzung einer intelligenten Industrie 4.0 Konzeption, die ebenfalls Trends und Prognosen ermöglicht. Industrie 4.0 bedeutet u.a. die Vernetzung der realen mit der virtuellen Welt. Fertigungsprozesse verschmelzen mit Informationstechnologie. Disziplinen wie zum Beispiel Maschinenbau, Logistik und Dienstleistungen kommunizieren miteinander. Auf eine neue, intelligente Art. Das Internet der Dinge bedeutet für den gesamten industriellen Sektor einen großen Einschnitt - und für den Kunden neuen Nutzen: Produktionszyklen werden kürzer, Kundenbedürfnisse fließen in Echtzeit in die Produktion ein, Wartung und Instandhaltung regeln sich weitgehend eigenständig. Aufträge laufen automatisch in der richtigen Reihenfolge ab. Das Ergebnis ist die Smart Factory.Rather, there is a need for the practical implementation of an intelligent Industry 4.0 concept that also enables trends and forecasts. Industry 4.0 means, among other things, the networking of the real with the virtual world. Manufacturing processes merge with information technology. Disciplines such as mechanical engineering, logistics and services communicate with each other. In a new, intelligent way. The Internet of Things means a major turning point for the entire industrial sector - and new benefits for the customer: production cycles are becoming shorter, customer needs are incorporated into production in real time, maintenance and repairs are largely regulated independently. Jobs run automatically in the right order. The result is the smart factory.

Der Begriff Industrie 4.0 leitet sich aus den großen industriegeschichtlichen Umbrüchen ab. Industrie 4.0 wird in dieser Entwicklung als der vierte große technologische Durchbruch betrachtet. Die Digitalisierung bietet den Zugang zu einer branchen- und technologieübergreifenden Integration von Prozessen und Systemen, die alles miteinander vernetzt - Produktion, Dienstleistungen, Logistik, Personal- und Ressourcenplanung. Virtuelle Welt und reale Welt interagieren nach diesem Gedanken.The term Industry 4.0 is derived from the major upheavals in industrial history. In this development, Industry 4.0 is regarded as the fourth major technological breakthrough. Digitization offers access to a cross-industry and cross-technology integration of processes and systems that connects everything - production, services, logistics, personnel and resource planning. Virtual world and real world interact according to this idea.

Problematisch ist bisher, dass es keine ganzheitliche Lösung gibt, die das Konzept Industrie 4.0 auch mit bestehenden Fertigungsanlagen und bestehenden Fertigungstechnologien ermöglicht. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Systemarchitektur und ein Verfahren bereit zu stellen, welche eine praxistaugliche Realisierung ermöglicht und gleichzeitig einen Mehrwert für Trends und Prognosen schafft.The problem so far has been that there is no holistic solution that would enable the Industry 4.0 concept to be used with existing production systems and existing production technologies. It is therefore the object of the present invention to provide a system architecture and a method which enables a practical implementation and at the same time creates added value for trends and forecasts.

Das Konzept der vorliegenden Erfindung baut auf den folgenden Grundüberlegungen auf. Ziel ist eine spezifische Systemarchitektur in einer Fertigungsumgebung einer komplexen Fertigungsanlage um fassend eine Fertigungsüberwachung und Steuerung. Eine solche umfasst ein Basissystem (wie es z. B. von Firmen wie ASCON oder Siemens mit Digital Enterprise oder anderen Systemen möglich ist) und einer erfindungsgemäßen Erweiterung zur Ergänzung spezifischer Funktionalität.The concept of the present invention is based on the following basic considerations. The goal is a specific system architecture in a production environment of a complex production plant, including production monitoring and control. Such a system includes a basic system (as is possible, for example, from companies such as ASCON or Siemens with Digital Enterprise or other systems) and an extension according to the invention for supplementing specific functionality.

Ein ERP System bezeichnet dabei die unternehmerische Aufgabe, Personal und Ressourcen wie Kapital, Betriebsmittel, Material und Informations- und Kommunikationstechnik im Sinne des Unternehmenszwecks rechtzeitig und bedarfsgerecht zu planen, zu steuern und zu verwalten. Gewährleistet werden sollen ein effizienter betrieblicher Wertschöpfungsprozess und eine stetig optimierte Steuerung der unternehmerischen und betrieblichen Abläufe.An ERP system describes the entrepreneurial task, personnel and resources such as capital, operating resources, material and information to plan, control and manage production and communication technology in a timely manner and as required in line with the company's purpose. An efficient operational value-added process and constantly optimized control of corporate and operational processes are to be guaranteed.

Eine Kernfunktion von ERP ist in produzierenden Unternehmen die Materialbedarfsplanung (Material Requirement Planning und Manufacturing Resources Planning), die sicherstellen muss, dass alle für die Herstellung der Erzeugnisse und komplexen Komponenten erforderlichen Materialien und Mittel an der richtigen Stelle, zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge zur Verfügung stehen.A core function of ERP in manufacturing companies is material requirements planning (Material Requirement Planning and Manufacturing Resources Planning), which must ensure that all the materials and resources required for the manufacture of products and complex components are in the right place, at the right time and in the right place quantity are available.

In einem ERP System werden z.B. Produktionsaufträge als Teil von Kundenaufträgen verwaltet und in einen Produktionsplanauftrag übergeben. Ab dieser Stufe geht man in den technsichen Teilbereich dieser Erfindung, in das sogenannte MES System, wo die Verknüpfung des Auftrages mit den Produktionsalagen erfolgt.In an ERP system, for example, production orders are managed as part of customer orders and transferred to a planned production order. From this level onwards, one enters the technical part of this invention, the so-called MES system, where the order is linked to the production facilities.

Aus Sicht eines herkömmlichen MES Systems stellen alle Fertigungsmittel und Anlagen (wie Maschinen, Roboter, Werkzeuge, Handlingseinrichtungen etc.) eine Art Black-Box dar. Es gibt zunächst keine Daten und Informationen über diese Einrichtungen und keinen Blick in die Tiefe der Fertigung.From the point of view of a conventional MES system, all production equipment and systems (such as machines, robots, tools, handling devices, etc.) represent a kind of black box. There is initially no data and information about these devices and no look into the depths of production.

Eine erste Idee der Erfindung besteht darin, die Black-Box aufzulösen und in die Fertigungstiefe hineinblicken zu können und zwar mittels Soft- und Hardwarekomponenten, mit denen in bzw. eine erste Unterebene und weitere Ebenen im Prozess hinein geschaut werden kann.A first idea of the invention consists in dissolving the black box and being able to look into the vertical integration by means of software and hardware components with which it is possible to look into or into a first sublevel and further levels in the process.

Hierzu werden handelsübliche Mittel (Sensoren, Technik, Datenverarbeitung, Anlagensimulatoren etc.) verwendet. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein digitaler Zwilling (digital twin) der Fertigungsanlage mit seinen Fertigungs- und Teilfertigungsprozessen erstellt. Die Fertigungsschritte sind dabei in Ebenen (E1, E2,...) eingeteilt und entsprechend digitalisiert. So wird z.B. jeder Nietvorgang an der Nietvorrichtung in einer digitalen Akte hinterlegt.Commercial means (sensors, technology, data processing, system simulators, etc.) are used for this purpose. In a special embodiment of the invention, a digital twin (digital twin) of the production plant with its production and partial production processes is created. The production steps are divided into levels (E1, E2,...) and digitized accordingly. For example, every riveting process on the riveting device is stored in a digital file.

Ferner werden Prozessparameter und Prozessgrößen in den einzelnen Prozessen digitalisiert. So kann am Beispiel des Nietprozesses eine Kraft/Weg-kurve mit Erfassungsmittel (Sensoren, etc.) erfasst werden und der gesamte Nietprozess kann damit in digitaler Form erzeugt werden.Furthermore, process parameters and process variables are digitized in the individual processes. Using the example of the riveting process, a force/displacement curve can be recorded using recording equipment (sensors, etc.) and the entire riveting process can thus be generated in digital form.

Erfindungsgemäß ist dann weiter vorgesehen, dass neben dem Prozess und den damit verbunden Zeitseriendaten (Ist-Prozessdaten), die erfasst werden auch ein Trend und eine Prognoselösung etabliert wird.According to the invention, it is then further provided that, in addition to the process and the associated time series data (actual process data) that are recorded, a trend and a prognosis solution is also established.

Hierzu wird ein mathematisches Modell erzeugt, das den Nietprozess abbildet, einschließlich den Zusammenhängen, die man mathematisch beschreiben kann, wie z.B. dem kräfteverlauf auf der Nietwegstrecke bei einem funktionsfähigen korrekten Nietvorgang bei einer bestimmten Montagesituation mit bestimmten Montagemitteln. Diese können prinzipiell für jede Fertigungseinrichtung und jeden Fertigungsprozess individualisiert erzeugt werden.For this purpose, a mathematical model is created that depicts the riveting process, including the relationships that can be described mathematically, such as the course of forces on the riveting path in a functional, correct riveting process in a specific assembly situation with specific assembly equipment. In principle, these can be generated individually for each production facility and each production process.

Im Folgenden wird allgemein von Algorithmus oder mathematischem Modell gesprochen. Diese Bezeichnung steht repräsentativ für die mathematische Beschreibung der Prozesse und Fertigungsstufen.In the following, the term algorithm or mathematical model is used in general. This designation is representative of the mathematical description of the processes and production stages.

Eine Besonderheit der Erfindung liegt nun darin, dass neben dem eigentlichen digitalen Erfassen der Prozesse, insbesondere unter Zuhilfenahme von Algorithmen und mathematischen Modellen, die die Prozesse beschreiben, auch ein Auswertealgorithmus verwendet wird, der im einfachsten Fall eine Trendkurve erzeugt und die historischen Ist-Daten im Trend bewertet werden.A special feature of the invention is that in addition to the actual digital recording of the processes, in particular with the help of algorithms and mathematical models that describe the processes, an evaluation algorithm is also used, which in the simplest case generates a trend curve and the historical actual data be assessed as a trend.

Weicht die Ist-Kurve von einer Soll-Kurve ab (was weiter unten nochmals detaillierter beschrieben ist), so kann ein Prozess innerhalb definierter Prozessgrenzen nicht nur aktuell bewertet werden, sondern daraus eine Prognoseaussage getroffen werden.If the actual curve deviates from a target curve (which is described in more detail below), a process can not only be currently evaluated within defined process limits, but a prognosis statement can be made from this.

Anhand von Trendkurven aus den Ist-Daten lässt sich durch Interpolation (ggf. unter Zuhilfenahme der zeitlichen Ableitung) eine Entwicklung dieser Prozessgrößen für die Zukunft vorhersagen und damit auch den Zeitpunkt eines Ereignisses in der Zukunft.Using trend curves from the actual data, a development of these process variables for the future can be predicted by interpolation (possibly with the help of the time derivation) and thus also the time of an event in the future.

Dies bietet einen weiteren Vorteil. Nach der Idee der Erfindung kann der verwendete Algorithmus, dynamisch angepasst werden, indem weitere historische Daten mit der Zeit in die prognostizierte Trendkurve einbezogen werden und indem weitere Umgebungsinformationen (Zusatzdaten) verarbeitet werden. Die Anpassung kann dann als Maschinenlernen erfolgen oder gar unter Zuhilfenahme von Einrichtungen der künstlichen Intelligenz (Kl-Module).This offers another benefit. According to the idea of the invention, the algorithm used can be dynamically adjusted by including further historical data in the predicted trend curve over time and by further environmental information (additional data) being processed. The adaptation can then take place as machine learning or even with the help of artificial intelligence devices (AI modules).

Ganz grundsätzlich können die Prozesse mit Hilfe der Sprache der linearen Algebra beschrieben werden. Denkbar sind aber auch alle weiteren zur Verfügung stehenden mathematischen Beschreibungsmodelle.Basically, the processes can be described using the language of linear algebra. However, all other available mathematical description models are also conceivable.

Erfindungsgemäß ist daher eine Systemarchitektur zur Digitalisierung eines Herstellungsprozesses vorgeschlagen, sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen der Fertigungsschritte eines Herstellungsprozesses mit einer Fertigungsanlage zur Herstellung eines komplexen Bauteils bestehend aus wenigstens zwei Baugruppen (B1, B2), die in mehreren Teilfertigungsschritten hergestellt werden, umfassend

- eine Einrichtung umfassend Hardware- und Softwarekomponenten zur Erzeugung eines digitalen Zwillings der Fertigung (Fertigungsanlage) und/oder zur Digitalisierung der Fertigungsprozesse der Fertigungsanlage, wobei der Zusammenhang zwischen wenigstens zwei Prozessgrößen (P1, P2) eines der Teilfertigungsschritte als mathematisch beschriebene Rechenmethode mit erzeugt oder erfasst wird;
- Erfassen von Zeitseriendaten oder historischen Daten, welche digitalisierte Prozessdaten aus dem Fertigungsprozess für die Teilfertigungsschritte umfassen;
- eine Datenverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, aus den erfassten Zeitseriendaten (Ist-Fertigungsdaten) der einzelnen Fertigungsschritte auf Basis eines hinterlegten Algorithmus, insbesondere eines mathematischen Modells ein Datenmodell (Varianzenmodell) zu entwerfen, auf dessen Basis aufgrund erkannter Abweichungen der erfassten Fertigungsdaten gegenüber Sollfertigungsdaten, Prognosedaten errechnet werden, die den Trend der zu erwartenden Zeitseriendaten widerspiegeln;
- Auswertung der prognostizierten Zeitseriendaten, um daraus einen Zeitpunkt für das Eintreten ein bestimmtes Ereignis betreffend einer Prozessgröße in der Zukunft herzuleiten;
- wobei die Systemarchitektur vorzugsweise ausgebildet ist, wenigstens einen der beiden Schritte nachfolgenden auszuführen:
1. a) mittels eines Befehles, vorzugsweise an eine Steuer- und oder Regelungseinrichtung, diese zuvor genannte Prozessgröße abhängig von der Trendkurve zu verändern und/oder
2. b) eine Handlungsinformation an einer Ausgabeeinrichtung bereit zu stellen.

According to the invention, a system architecture for digitizing a manufacturing process is therefore proposed, as well as process control, process monitoring and for forecasting trends or predictions of system features and/or process features of the manufacturing steps of a manufacturing process with a manufacturing system for manufacturing a complex component consisting of at least two assemblies (B1, B2 ), which are produced in several partial production steps, comprehensive

- a device comprising hardware and software components for generating a digital twin of the production (manufacturing plant) and/or for digitizing the manufacturing processes of the manufacturing plant, with the connection between at least two process variables (P1, P2) also generating one of the partial production steps as a mathematically described calculation method or is detected;
- Capture of time series data or historical data, which include digitized process data from the manufacturing process for the partial manufacturing steps;
- a data processing device that is designed to design a data model (variance model) from the recorded time series data (actual production data) of the individual production steps on the basis of a stored algorithm, in particular a mathematical model, on the basis of which, due to detected deviations of the recorded production data from target production data, forecast data are calculated which reflect the trend of the expected time series data;
- Evaluation of the forecast time series data in order to derive a point in time for the occurrence of a specific event relating to a process variable in the future;
- wherein the system architecture is preferably designed to carry out at least one of the two following steps:
1. a) by means of a command, preferably to a control and/or regulation device, to change this aforementioned process variable as a function of the trend curve and/or
2. b) to provide action information at an output device.

Die zuvor genannten beiden Schritte a) und b) sind dabei optional und können auch durch andere Regelschleifen ersetzt werden, um z.B. ein autonomes Fertigungssystem zu erhalten. So kann nach der Entwicklung eines Modells für die Varianzen im Prozess auf den unterschiedlichen Ebenen (E0, E1, E2, ...) auch ein sogenanntes Qualitätsmiodell ergänzt werden, das eine digitale Erfassung aller Qualitästmerkmale, deren Bereitstellung als digitale Daten und Integration in die Prozessüberwachung nach dem zuvor genannten Trend-Konzept überwacht werden kann.The above two steps a) and b) are optional and can also be replaced by other control loops, e.g. to obtain an autonomous manufacturing system. After the development of a model for the variances in the process at the different levels (E0, E1, E2, ...), a so-called quality model can also be supplemented, which digitally records all quality characteristics, provides them as digital data and integrates them into the Process monitoring can be monitored according to the aforementioned trend concept.

Somit ist es weiter von Vorteil, wenn der genannte Schritt a) automatisiert erfolgt, so dass eine autonome Fertigungssteuerung betreffend zumindest dieser Prozessgröße realisiert ist.Thus, it is also advantageous if said step a) takes place automatically, so that an autonomous production control relating to at least this process variable is implemented.

Insbesondere betrifft das vorliegende Konzept und die damit einhergehende Systemarchitektur daher eine Produktionsplanung auf Leitebene, den dazu erforderlichen Personaleinsatz, den Anlagenproduktionszeitraum und das Ressourcenmanagement aus einem System zu erhalten, wobei z. B. die gesamte Logistikplanung auf der Leitebene erfolgt, ebenso das Anzeigen von Anlagenzustand auf der Leitebene, die Visualisierung und die Langzeitspeicherung der Daten.In particular, the present concept and the associated system architecture therefore relates to production planning at the management level, to obtain the necessary personnel deployment, the system production period and resource management from one system, with z. B. the entire logistics planning takes place at the control level, as well as the display of the system status at the control level, the visualization and the long-term storage of the data.

Erfindungsgemäß ist hierzu auch eine Systemarchitektur bzw. eine Systemarchitektur zur Digitalisierung eines Herstellungsprozesses sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen einer Fertigungsanlage zur Herstellung eines komplexen Bauteils (beispielweise oder vorzugsweise bestehend aus wenigstens zwei (oder mehreren) Baugruppen) in mehreren Teilfertigungsschritten vorgeschlagen, die mehrere Prozessebenen (E0, E1, ... En) aufweist, umfassend

a. eine in der Hierarchie übergeordnete oberste Leitebene (E0), welche zumindest Komponenten (K1, K2, ... Kn) einer Ressourcensteuerung von Ressourcen (R1, R2, ..., Rn) der für den Herstellungsprozess des mit der Fertigungsanlage herzustellenden Bauteils umfasst;
b. Mittel zur Datenkommunikation und Datenspeicherung, insbesondere zwischen den mehreren Prozessebenen (E0, E1, ... En);
c. Fertigungsanlage, die in die Datenkommunikation der Systemarchitektur eingebunden ist;
d. Mittel zur Produktionssteuerung, die ausgebildet sind, einen Produktionsauftrag auf der Fertigungsanlage zu steuern;
e. Mittel zur Bereitstellung von Produktionsinformationen bei der Durchführung eines Produktionsauftrages, wobei

die Mittel zur Produktionssteuerung und die Mittel zur Bereitstellung von Produktionsinformationen in einer Regelschleife über einen Kommunikationskanal mit der obersten Leitebene (E0) kommunizieren.According to the invention, a system architecture or a system architecture for digitizing a manufacturing process and for process control, process monitoring and for forecasting trends or predictions of system features and/or process features of a manufacturing plant for manufacturing a complex component (for example or preferably consisting of at least two (or more) ) Assemblies) proposed in several partial production steps, which has several process levels (E0, E1, ... En), comprehensive

a. a higher-level management level (E0) in the hierarchy, which includes at least components (K1, K2, ... Kn) of a resource control of resources (R1, R2, ..., Rn) for the manufacturing process of the component to be manufactured with the manufacturing plant ;
b. Means for data communication and data storage, in particular between the multiple process levels (E0, E1, ... En);
c. Manufacturing plant that is integrated into the data communication of the system architecture;
i.e. Production control means configured to control a production order on the manufacturing facility;
e. Means for providing production information when carrying out a production order, wherein

the means for production control and the means for providing production information communicate in a control loop via a communication channel with the highest control level (E0).

In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine grundlegende Konzeption der Erfindung gezeigt. Die Leitebene (E0) repräsentiert die in der Architekur oberste Hierarchie, welche zumindest Komponenten einer Ressourcensteuerung von Ressourcen (R1, R2, R3, R4) der für den Herstellungsprozess des mit der Fertigungsanlage herzustellenden Bauteils umfasst. R1 betrifft das kalkulierte Personal, R2 die Fertigungseinrichtung, R3 Ressourcen für die Logistik und R4 Ressourcen für die Planung. Ferner sind mit den Pfeilen die Wege der Datenkommunikation gezeigt. Die Datenspeicherung erfolgt z. B. in Datentöpfen, wie diese in der 2 gezeigt sind. Dabei können die Daten getrennt in Datentöpfen abgelegt werden und für die Produktionsdaten, die Prozesszeiten, den Fügeprozess und auftretende Störungen jeweils Datenspeicher bzw. Datentöpfe angelegt werden.In the 1 1 is an embodiment of a basic conception of the invention shown. The control level (E0) represents the top hierarchy in the architecture, which includes at least components of a resource control of resources (R1, R2, R3, R4) for the manufacturing process of the component to be manufactured with the manufacturing plant. R1 concerns the calculated personnel, R2 the production facility, R3 resources for logistics and R4 resources for planning. Furthermore, the paths of data communication are shown with the arrows. The data is stored e.g. B. in data pots, like these in the 2 are shown. The data can be stored separately in data pots and data memories or data pots can be created for the production data, the process times, the joining process and any faults that occur.

Aus der Zusammenführung kann dann die digitale Produktherstellungsakte erzeugt werden, die sämtliche dieser Daten für einen Herstellungsprozess umfasst. Dabei wird erreicht, dass man sich von einer isolierten getrennten Betrachtungsweise löst und die Daten analytisch in der digitalen Akte zusammenführt.The digital product manufacturing file, which includes all of this data for a manufacturing process, can then be generated from the combination. The result is that one breaks away from an isolated, separate perspective and analytically brings the data together in the digital file.

Die in der 1 exemplarisch gezeigte Fertigungsanlage ist in die Datenkommunikation der Systemarchitektur eingebunden. Ferner sind Mittel zur Produktionssteuerung vorgesehen, die ausgebildet sind, einen Produktionsauftrag auf der Fertigungsanlage zu steuern, sowie Mittel zur Bereitstellung von Produktionsinformationen bei der Durchführung eines Produktionsauftrages. Die Wirkungsweise der Industrie 4.0 Automatisierung kann dabei, wie in der 3 schematisch gezeigt, eigenständig für die Fertigungsanlage realisiert sein. 9 zeigt die Weiterbildung der 1 mit der Rückführung von Analysedaten via einer vorausschauenden Instandhaltungsanalyse, die über eine Schnittstelle die relevanten Daten an das MES zurück gibt und demnach eine vorbeugende Instandhaltung aus dem Prozess heraus zu generieren.The one in the 1 The production plant shown as an example is integrated into the data communication of the system architecture. Furthermore, means for production control are provided, which are designed to control a production order on the production facility, as well as means for providing production information when executing a production order. The mode of action of Industry 4.0 automation can, as in the 3 shown schematically, be realized independently for the production plant. 9 shows the continuing education 1 with the return of analysis data via a predictive maintenance analysis, which returns the relevant data to the MES via an interface and therefore generates preventive maintenance from the process.

Somit ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Fertigungsanlage eine eigenständige Automatisierung besitzt, insbesondere eine Industrie 4.0 Automatisierung aufweist, die weiter vorzugsweise innerhalb der Fertigungsanlage implementiert ist und eigenständig den gesamten Fertigungsprozess steuert bzw. steuern kann.Thus, in an advantageous embodiment, it is provided that the production plant has an independent automation, in particular an Industry 4.0 automation, which is further preferably implemented within the production plant and independently controls or can control the entire production process.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur automatisierten Fertigung der Fertigungsanlage zumindest eine übergeordnete Steuerung, insbesondere eine SPS-Steuerung als übergeordnete Steuerung verwendet wird und weitere untergeordnete Prozesssteuerungen ausgebildet sind die Herstellung von Teilprozessen und/oder Teilarbeitsschritten des Gesamtherstellungsprozesses zu realisieren.According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that for the automated production of the production plant at least one higher-level controller, in particular a PLC controller, is used as the higher-level controller and further subordinate process controllers are designed to implement the production of sub-processes and/or sub-work steps of the overall production process.

In der 4 ist exemplarisch ein Prozessmodell und dessen Ebenen E0, E1 und E2 dargestellt. Die Prozessebene E0 ist die übergeordnete Ebene, während die Prozessebene E1 die Baugruppe B1 (Außenhaut) und die Baugruppe B2 (Innenblech) des komplexen Bauteils B (hier: Heckklappe eines Fahrzeugs) umfasst. In der Ebene E1 sind für die Baugruppe B1 die Prozesse (Nietprozess, Drehprozess) umfasst. Natürlich sind auch andere Baugruppen und komplexe Bauteile von der Erfindung umfasst. Die genannten Beispiele sind lediglich exemplarisch und beispielhaft. In der Ebene E1 sind für die Baugruppe B2 die Prozesse (Schweißen, Handling) umfasst. Die so bearbeiteten Baugruppen werden dann in einem weiteren Unterprozess UP1 zusammengeführt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Prozesszeit, die Prozessstörungen und die Trend- und Prognoseverläufe der Prozesse bzw. daran beteiligten Maschinenteile erfasst, was ebenfalls schematisch in der 4 ersichtlich ist.In the 4 a process model and its levels E0, E1 and E2 are shown as an example. Process level E0 is the higher level, while process level E1 includes assembly B1 (outer skin) and assembly B2 (inner panel) of complex component B (here: tailgate of a vehicle). The processes (riveting process, turning process) for assembly B1 are included in level E1. Of course, other assemblies and complex components are also covered by the invention. The examples mentioned are merely exemplary and exemplary. The E1 level includes the processes (welding, handling) for the B2 assembly. The assemblies processed in this way are then brought together in a further sub-process UP1. In this exemplary embodiment, the process time, the process disturbances and the trend and prognosis of the processes or machine parts involved are recorded, which is also shown schematically in FIG 4 is evident.

Ähnlich erfolgt eine solche Trend- und Prognoseanalyse von der Ebene E1 getrennt in der Ebene E2 (Fertigungsebene E2). Dort sind Einzelschritte aufgeführt, wie das Nieten, Schweißen, Clinchen u.s.w. Als Analyseart sind in diesem Ausführungsbeispiel diverse Methoden in der Fertigungsebene E2 dargestellt, die mit Analysemethoden ausgewertet werden, um daraus eine Trendkurve zu entwickeln.Similarly, such a trend and forecast analysis is carried out separately from level E1 in level E2 (manufacturing level E2). Individual steps are listed there, such as riveting, welding, clinching, etc. In this exemplary embodiment, various methods are shown as the type of analysis in the production level E2, which are evaluated using analysis methods in order to develop a trend curve therefrom.

Ausgehend von einer Basiskurve, welche im Prozess überwacht wird, (z. B. eine Kraft-Weg-Kurve, die diese beispielhaft in der 5 gezeigt ist) bei der die Kraft über einen bestimmten Nietweg überwacht wird, werden eine untere und obere Hüllkurve definiert, die eine jeweilige Warngrenze widerspiegelt. Ferner wird eine obere und untere Grenzlinie für die Kraft als Abschaltfenster definiert. Die Kraft-Wege-Kurve verläuft in das Abschaltfenster. Liegt aber der tatsächlich erfasste Wert der Kraft am Ende des Nietprozesses nicht im gewünschten Abschaltfenster, sondern außerhalb, so kann anhand der Kurve ein Fehler detektiert werden und die Nietanlage in der Fertigungsanlage einen Abschaltbefehl erhalten.Starting from a base curve, which is monitored in the process (e.g. a force-displacement curve, which is shown as an example in the 5 shown) where the force is monitored over a certain riveting path, a lower and upper envelope are defined reflecting a respective warning limit. Furthermore, an upper and lower limit line for the force is defined as a switch-off window. The force-displacement curve runs into the switch-off window. However, if the actually recorded value of the force at the end of the riveting process is not within the desired switch-off window, but outside it, an error can be detected using the curve and the riveting system in the production plant can receive a switch-off command.

Optional kann einfach die tatsächlich erfasste Nietkraft am Ende des Nietweges über die Zeit erfasst werden und in einer Nietkraft-Zeit-Kurve aufgetragen werden. Verändert sich dieser Nietkraftwert, so lässt sich daraus z. B. durch Interpolation ein Trend für die Entwicklung der Nietkraftkurve auf Basis der Trenddaten ableiten. Eine Möglichkeit ist es, frühzeitig gegenzusteuern oder zu erkennen, wo sich der Prozess hin entwickelt.Optionally, the actually recorded riveting force at the end of the riveting path can be recorded over time and plotted in a riveting force-time curve. If this riveting force value changes, e.g. B. by interpolation, a trend for the development of the riveting force curve can be derived on the basis of the trend data. One possibility is to take countermeasures at an early stage or to recognize where the process is developing.

So kann lange vor dem Auftreten eines sichtbaren Nietfehlers bereits eingegriffen werden, da der Prozess sozusagen auf dieser Prozessebene digital isoliert und erfasst ist, aber dennoch im Gesamtprozess digital implementiert bleibt, da die Ebenen E0, E1 und E2 hierarchisch organisiert sind. Ergänzend wird auf die 5a hingewiesen.In this way, action can be taken long before a visible rivet defect occurs, since the process is digital at this process level, so to speak is isolated and recorded, but still remains digitally implemented in the overall process, since the levels E0, E1 and E2 are organized hierarchically. In addition, on the 5a pointed out.

Entwickelt sich die Nietkraft gemäß einem bestimmten Kurvenverlauf oder liegt die Nietkraft nicht im Zielfenster, kann daraus eine Prognose getroffen werden. Die Nietkraftkurve zeigt in diesem Beispiel eine Veränderung über den Zeitraum von 24h. Ein Trend wird somit frühzeitig erkennbar. Es können vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen rechtzeitig getroffen werden, bevor eine wie im Stand der Technik bekannte Prozessüberwachung eine Störung detektiert.If the riveting force develops according to a certain curve or if the riveting force is not within the target window, a prognosis can be made from this. In this example, the riveting force curve shows a change over a period of 24 hours. A trend can thus be identified at an early stage. Preventative maintenance measures can be taken in good time before a process monitoring system known in the prior art detects a fault.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Mittel ausgebildet und implementiert sind, auf der Leitebene (E0) die Montage oder den Zusammenbau des komplexen Bauteils zu steuern und insbesondere Prozesszeiten, Durchlaufzeiten, Abweichungen und Störungen zu erfassen und die Prozesse in dieser Ebene (E0) unabhängig von den in der Hierarchie weiter untenliegenden Prozessebenen (E0, E1, ... En) operieren können. Beispielhaft ist in der 6 eine schematische Zusammenstellung eines Kerns der erfindungsgemäßen Systemarchitektur gezeigt.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that means are designed and implemented to control the assembly or assembly of the complex component at the control level (E0) and in particular to record process times, throughput times, deviations and faults and the processes at this level (E0) can operate independently of the process levels further down in the hierarchy (E0, E1, ... En). An example is in the 6 a schematic compilation of a core of the system architecture according to the invention is shown.

Gezeigt ist eine VM (Virtuelle Maschine) aus den in der 4 näher bezeichneten Komponenten, die in der dargestellten Weise funktional und strukturell miteinander verknüpft sind. Input erhält die VM von einer übergeordneten Steuerung (z.B. SPS) und den untergeordneten Steuerungen für die beispielhaft angegeben Prozesse, sowie ein SQL Datenspeicher in dem die erforderlichen Daten abgelegt sind.Shown is a VM (Virtual Machine) from the in the 4 specified components that are functionally and structurally linked in the manner shown. The VM receives input from a higher-level controller (eg PLC) and the subordinate controllers for the processes specified as examples, as well as an SQL data memory in which the required data is stored.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn Mittel vorgesehen sind, auf einer direkt unter der Leitebene (E0) organisierten Prozessebene (E1) die Fertigung von Baugruppen (B1, B2) des komplexen Bauteils in Teilfertigungsschritten zu steuern, wobei in dieser Ebene Daten zu Abweichungen und Trendverläufen erfasst werden, und Auswertemittel vorgesehen sind, um aus diesen Daten Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale im Fertigungsprozess zu treffen, insbesondere daraus die Restlebensdauer eines spezifischen Teils oder Werkzeugs der Fertigungsanlage zu bestimmen.It is also advantageous if means are provided to control the production of assemblies (B1, B2) of the complex component in partial production steps on a process level (E1) organized directly below the control level (E0), with data on deviations and trends being stored at this level are recorded, and evaluation means are provided in order to make predictions for future states and characteristics in the manufacturing process from this data, in particular to determine the remaining service life of a specific part or tool of the manufacturing plant.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Mittel insbesondere Mittel zum Erfassen von Taktzeiten, Durchlaufzeiten und Istwerten zu Prozessparametern in der Prozessebene (E1) umfasst sind.It is also advantageous if the means include, in particular, means for detecting cycle times, throughput times and actual values for process parameters in the process level (E1).

Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der Mittel vorgesehen sind, auf einer weiter unter der Prozessebene (E1) liegenden Prozessebene (E2), in der Einzelfertigungsschritte in der Fertigung der Baugruppen (B1, B2) des komplexen Bauteils gesteuert werden, Daten zu Abweichungen und Trendverläufen der Prozesse in dieser Prozessebene zu erfassen und Auswertemittel vorgesehen sind, um aus diesen Daten Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale zu den Einzelfertigungsschritten zu treffen, insbesondere daraus die Restlebensdauer eines Teils der Fertigungsanlage zur Durchführung des Einzelfertigungsschrittes zu bestimmen.Also advantageous is a configuration in which means are provided on a process level (E2) further below the process level (E1), in which individual production steps in the production of the assemblies (B1, B2) of the complex component are controlled, data on deviations and trends of the processes in this process level and evaluation means are provided in order to use this data to make forecasts for future states and characteristics of the individual production steps, in particular to determine the remaining service life of a part of the production system for carrying out the individual production step.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Einzelfertigungsschritte Schritte aus der folgenden Gruppe darstellen: Nieten, Clinchen, Kleben, Schweißen, Löten, Verbinden, Trennen, Handhaben, Drehen, Bewegen, Schneiden und dergleichen, wobei es für jeden der Einzelfertigungsschritte ein jeweils eigenständiges Analysemittel mit einer Auswertung der dazu erfassten Daten gibt, so dass jeder daraus gewonnene Datensatz, dergestalt ist, um mit der übergeordneten Analyse eine Aussage über Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale der für den Einzelschritt erforderlichen Maschinenteile zu treffen und vorzugsweise zu einem vordefinierten Zeitpunkt ein Information über die Restlebensdauer oder den Zustand eines Maschinenteils auszugeben.In a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that the individual production steps represent steps from the following group: riveting, clinching, gluing, welding, soldering, connecting, separating, handling, rotating, moving, cutting and the like, with it being necessary for each of the Each individual production step has its own independent means of analysis with an evaluation of the data recorded for this purpose, so that each data set obtained from this is such that, with the higher-level analysis, a statement can be made about forecasts for future states and characteristics of the machine parts required for the individual step and preferably to one output information about the remaining service life or the condition of a machine part at a predefined point in time.

Weiter vorteilhafte Weiterbildungen sehen vor, dass die Mittel auf einer jeweiligen Prozessebene (E1, E2, E3,...., En) zur Erfassung der Daten zu Abweichungen und Trendverläufen von Prozessen in dieser Ebene unabhängig von denjenigen auf einer anderen Ebene operieren und auch die daraus gewonnenen Datensätze unabhängig auswertbar sind, so dass Teilprozesse getrennt für jede Fertigungsebene bewertbar sind. Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine digitale Prozessakte und eine digitalisierte Prozessteuerung erreicht, die neben der Verkettung der Prozesse gleichzeitig isolierte Prozesse nicht nur steuern und überwachen kann, sondern Trend- und Prognoseverhalten dazu verwenden kann, zukünftige Zustände und Fehler einzelner Schritte, Werkzeugteile, Maschinenteile und Elemente individuell in einer dennoch ganzheitlichen Prozesssteuerung auswerten zu können.Further advantageous developments provide that the means on a respective process level (E1, E2, E3,...., En) for recording the data on deviations and trends of processes in this level operate independently of those on another level and also the data records obtained from this can be evaluated independently, so that sub-processes can be evaluated separately for each production level. In this way, compared to the state of the art, a digital process file and a digitized process control is achieved which, in addition to the chaining of the processes, can not only control and monitor isolated processes at the same time, but can also use trend and forecast behavior to predict future states and errors of individual steps, tool parts, Being able to evaluate machine parts and elements individually in a holistic process control.

Ein Beispiel einer Fehlerauswertung findet sich in der 7. Gezeigt ist eine Strom/Spannungskurve aufgetragen und zwar über die Prozesszeit. Gemäß dem Konzept der Erfindung können durch die Auswertung der Kurvenverläufe z. B. Fehler wie Schweißspritzer aufgrund des veränderten Stromkurvenverlaufs durch gezielte Auswertung innerhalb der untergeordneten Prozessebene innerhalb des gesamten Prozesses detektiert werden.An example of an error evaluation can be found in the 7 . A current/voltage curve is shown plotted over the process time. According to the concept of the invention, by evaluating the curves z. B. Errors such as welding spatter due to the changed current curve can be detected by targeted evaluation within the subordinate process level within the entire process.

Einzelkomponente wie Spanner und Motoren haben verschleißbedingt eine maximale Standzeit (siehe 8). Ist z. B. die Endlagendämpfung der Spanner verschlissen, fangen diese an zu schlagen. Dadurch verändern sich die Öffnungs- und Schließzeit der Spanner, die wiederum mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens detektierbar sind. Beispielhaft werden 3 unterschiedliche Spannertypen überwacht, Hubzahlen, sowie die Öffnungszeiten und Schließzeiten erfasst. Erkennt man an einer Trendanalyse, dass sich z. B. die Öffnungszeiten oder Schließzeiten eines Spanners ändern, kann man daraus wiederum eine Information über den Ist-Zustand und eine Prognose der Restlebensdauer ermitteln.Individual components such as tensioners and motors have a maximum service life due to wear (see 8th ). is e.g. B. the end position damping of the tensioners is worn out, they start to hit. This changes the opening and closing times of the clamps, which in turn can be detected using the method according to the invention. As an example, 3 different types of clamps are monitored, the number of strokes and the opening and closing times are recorded. If one recognizes from a trend analysis that e.g. If, for example, the opening or closing times of a clamp change, information about the current status and a forecast of the remaining service life can be determined from this.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die in einem Speicher hinterlegten Daten des digitalisieren Herstellungsprozesses mittels einer Schnittstelle in eine Simulationsumgebung exportiert werden, um den Herstellungsprozess in der Simulationsumgebung zu testen, verändern und zu optimieren, wobei insbesondere die Parameter als Variablen veränderbar sind, die bei der Digitalisierung des Herstellungsprozesses sensorisch erfasst werden. Eine exemplarische Systemarchitektur zur digitalen Simulation des gesamten Herstellungsprozesses findet sich in der 10.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the data of the digitized manufacturing process stored in a memory is exported to a simulation environment by means of an interface in order to test, change and optimize the manufacturing process in the simulation environment, with the parameters in particular being changeable as variables that are recorded by sensors during the digitization of the manufacturing process. An exemplary system architecture for the digital simulation of the entire manufacturing process can be found in 10 .

Eine weitere optionale Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Speicher vorgesehen ist, in dem Sollwertdaten, Modelldaten und/oder Referenzdaten abgelegt sind, welche der bestimmungsgemäßen Charakteristik der Maschine und deren Maschinenteile (M1, ..., Mn) und/oder einem Zustandsraum zulässiger Maschinenparameter entsprechen.A further optional development of the invention provides that a memory is provided in which setpoint data, model data and/or reference data are stored which correspond to the intended characteristics of the machine and its machine parts (M1, ..., Mn) and/or a state space permissible machine parameters.

Ein ebenfalls weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft neben der SystemSystemarchitektur auch das Verfahren zur Digitalisierung eines Herstellungsprozesses sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen einer Fertigungsanlage zur und bei der Herstellung eines komplexen Bauteils bestehend aus wenigstens zwei Baugruppen (B1, B2) in mehreren Teilfertigungsschritten, die mehrere Prozessebenen (E0, E1, ... En) aufweist, (vorzugsweise mit einer Systemarchitektur wie zuvor beschrieben )mit den folgenden Schritten:

a) Verwendung von Sensoren zum diskontinuierliches oder kontinuierliches Messen und Erfassen von Prozessgrößen, Maschinenparameter oder Sollwerten von Fertigungsprozessen beim Herstellen eines komplexen Bauteils;
b) Auswerten des oder der Sensorsignale;
c) Vergleich der Sensorsignale mit Sollwertdaten, Modelldaten und/oder Referenzdaten einzelner Maschinenteile die am Herstellungsprozess beteiligt sind;
d) Bereitstellung einer Beurteilungsinformation und/oder einer Warnmeldung für die jeweiligen Maschinenteile, sobald eine Abweichung der aktuell gemessenen Sensordaten von Sollwertdaten oder Modelldaten oder eine mittels einer Extrapolation vorhergesagte Abweichung ermittelt wurde.

In addition to the system system architecture, another aspect of the present invention also relates to the method for digitizing a manufacturing process and process control, process monitoring and for forecasting trends or predictions of system features and / or process features of a manufacturing plant for and during the manufacture of a complex component consisting of at least two Assemblies (B1, B2) in several partial production steps, which have several process levels (E0, E1, ... En), (preferably with a system architecture as described above) with the following steps:

a) use of sensors for the discontinuous or continuous measurement and acquisition of process variables, machine parameters or target values of manufacturing processes when manufacturing a complex component;
b) evaluating the sensor signal or signals;
c) comparison of the sensor signals with setpoint data, model data and/or reference data of individual machine parts that are involved in the manufacturing process;
d) Provision of assessment information and/or a warning message for the respective machine parts as soon as a deviation of the currently measured sensor data from setpoint data or model data or a deviation predicted by means of an extrapolation has been determined.

Eine bevorzugte Option sieht dabei vor, insbesondere die Abweichung der Taktzeit t_T des Taktes bei einem Teilfertigungsschritt zu erfassen, um daraus die Restlebensdauer t_R eines an dem Teilfertigungsschritt beteiligten Maschinenteil zu erhalten, welches Einfluss auf die Taktzeit nimmt.A preferred option provides for the deviation of the cycle time t _T of the cycle in a partial production step to be recorded in order to obtain the remaining service life t _R of a machine part involved in the partial production step, which influences the cycle time.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl an Sensoren zur sensordiagnostischen Überwachung und Beurteilung verschiedener Maschinenparameter bei dem Verfahren verwendet werden und die Sensordaten als Datenmatrix bestehend aus Messdaten mit den Sollwerten einer Sollwertmatrix verglichen werden, wobei t die Zeit darstellt und sobald zu einem Zeitpunkt t eine Abweichung festgestellt wird, die Abweichung betragsmäßig erfasst wird und die Sensordaten einer zeitlich nachfolgenden Messung wiederum mit den Sollwertdaten der Sollwertmatrix und mit zeitlich zuvor gemessenen Sensordaten verglichen wird, wobei im Falle einer betragsmäßig zunehmenden Abweichung einer der Sensordaten mittels einer Extrapolation aus den gemessenen Daten ein Kurvenverlauf extrapoliert wird, aus dem sich ein Zeitpunkt ableiten lässt, zu dem einer der Sensordaten eine zulässige Abweichung überschreiten wird oder einen zulässigen Toleranzbereich verlässt.It is also advantageous if a plurality of sensors are used for sensor-diagnostic monitoring and assessment of various machine parameters in the method and the sensor data are compared as a data matrix consisting of measurement data with the target values of a target value matrix, where t represents the time and as soon as at a point in time t a Deviation is determined, the deviation is recorded in terms of amount and the sensor data of a subsequent measurement is in turn compared with the target value data of the target value matrix and with sensor data measured previously, wherein in the case of an increasing deviation in terms of amount of one of the sensor data by means of an extrapolation from the measured data, a curve is extrapolated, from which a point in time can be derived at which one of the sensor data will exceed a permissible deviation or leave a permissible tolerance range.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The implementation of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different designs.

Claims

System architecture for digitizing a manufacturing process and for process control, process monitoring and for forecasting trends or predictions of system features and/or process features of the manufacturing steps of a manufacturing process with a manufacturing system for manufacturing a complex component that is manufactured in several partial manufacturing steps, comprising - a device comprising hardware and software components to generate a digital Twins of the production (manufacturing plant) and/or for digitizing the manufacturing processes of the manufacturing plant, wherein the connection between at least two process variables (P1, P2) of one of the partial manufacturing steps is also generated or recorded as a mathematically described calculation method; - Capture of time series data or historical data, which include digitized process data of the monitored manufacturing process for the partial manufacturing steps; - a data processing device that is designed to design a data model (variance model) from the recorded time series data (actual production data) of the individual production steps on the basis of a stored algorithm, in particular a mathematical model, on the basis of which, due to detected deviations or curve developments of the recorded production data, preferably compared to target production data, forecast data are calculated which reflect the trend of the time series data to be expected; - Evaluation of the forecast time series data in order to derive a point in time for the occurrence of a specific event relating to at least one process variable in the future; - wherein the system architecture is preferably designed to carry out at least one of the two following steps: a) by means of a command, preferably to a control and/or regulation device, to change this aforementioned process variable depending on the trend curve and/or b) information and/or or providing action information at an output device.

system architecture claim 1 , characterized in that the current algorithm used in the system is successively (dynamically) adapted by successively additional data that have not been taken into account in the algorithm being used in the adapted algorithm.

system architecture claim 1 or 2 , characterized in that step a) in claim 1 takes place automatically, so that an autonomous production control relating to at least this process variable is implemented.

System architecture according to one of the preceding claims, wherein the manufacturing steps are subdivided into a number of partial manufacturing steps which are recorded in a number of process levels (E0, E1, ... En). a. a superordinate in the hierarchy process level, namely a control level (E0), which at least components (K1, K2, ... Kn) a resource control of resources (R1, R2, ..., Rn) for the manufacturing process with the Manufacturing plant to be manufactured component includes; b. Means for data communication and data storage, in particular between the multiple process levels (E0, E1, ... En); c. Manufacturing plant that is integrated into the data communication of the system architecture; i.e. Production control means configured to control a production order on the manufacturing facility; e. Means for providing production information when carrying out a production order, the means for production control and the means for providing production information communicating in a control loop via a communication channel with the highest management level (E0).

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that the production plant has an independent automation, in particular an Industry 4.0 automation, which is further preferably implemented within the production plant and independently controls or can control the entire production process.

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that for the automated production of the production plant at least one higher-level controller, in particular a PLC controller, is used as the higher-level controller and further subordinate process controllers are designed to implement the production of sub-processes and/or sub-work steps of the overall production process.

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided for controlling the assembly or assembly of the complex component on the control level (E0) and in particular for recording process times, throughput times, deviations and faults and the processes in this level (E0 ) operate independently of the process levels further down in the hierarchy (E0, E1, ... En).

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided for controlling the production of assemblies (B1, B2) of the complex component in partial production steps on a process level (E1) organized directly below the control level (E0), with this level Data on deviations and trends are recorded, and evaluation means are provided in order to make predictions for future states and characteristics in the manufacturing process from this data, in particular to determine the remaining service life of a part of the manufacturing plant.

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that the means comprise in particular means for detecting cycle times, throughput times and actual values for process parameters in the process level (E1).

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided on a process level (E2) further below the process level (E1) in which individual production steps in the production of the assemblies (B1, B2) of the complex component are controlled, data to record deviations and trends in the processes in this process level and evaluation means are provided in order to use this data to make forecasts for future states and characteristics of the individual production steps, in particular to determine the remaining service life of a part of the production plant for carrying out the individual production step.

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that the individual production steps represent steps from the following group: riveting, clinching, gluing, welding, soldering, connecting, separating, handling, turning, moving, cutting and the like, with it being necessary for each of the individual production steps there is an independent analysis tool with an evaluation of the data recorded for this purpose, so that each data set obtained from it is such that, with the higher-level analysis, a statement can be made about forecasts for future states and characteristics of the machine parts required for the individual step and preferably for a predefined one Time to output information about the remaining service life or the condition of a machine part.

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that the means on a respective process level (E1, E2, E3,...., En) for acquiring the data on deviations and trends of processes in this level independently of those on another Operate level and the data records obtained from it can be evaluated independently, so that sub-processes can be evaluated separately for each production level.

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that the data of the digitized manufacturing process stored in a memory are exported to a simulation environment by means of an interface in order to test, change and optimize the manufacturing process in the simulation environment, with the parameters in particular being changeable as variables that were recorded by sensors during the digitization of the manufacturing process.

System architecture according to one of the preceding claims, characterized in that a memory is provided in which setpoint data, model data and/or reference data are stored which correspond to the intended characteristics of the machine and its machine parts (M1, ..., Mn) and/or a correspond to the state space of permissible machine parameters.

Method for autonomous production control with a system architecture according to one of the preceding Claims 1 until 14 with the following steps: a. Acquisition of time series data or historical data of the manufacturing processes, which include digitized process data from the manufacturing process for the partial manufacturing steps; b. Generating a data model (variance model) from the recorded time series data (actual production data) of the individual production steps on the basis of a stored algorithm, in particular a mathematical model, on the basis of which forecast data are calculated based on recognized deviations of the recorded production data compared to target production data, which reflect the trend of the reflect expected time series data, and c. Evaluation of the forecast time series data in order to derive a point in time for the occurrence of a specific event relating to a process variable in the future d. Generation of an instruction that represents a control variable of this process variable in the manufacturing process.

procedure after claim 15 , comprising the digitization of a manufacturing process as well as process control, process monitoring and for forecasting trends or predictions of system features and / or process features of a manufacturing plant for and during the manufacture of a complex component consisting of at least two assemblies (B1, B2) in several partial production steps, the several Has process levels (E0, E1, ... En), preferably with a system architecture according to one of Claims 1 until 11 with the following steps: e) use of sensors (S) for discontinuous or continuous measurement and detection of process variables, machine parameters or desired values of manufacturing processes when manufacturing a complex component; f) evaluating the sensor signal or signals; g) comparison of the sensor signals with setpoint data, model data and/or reference data of individual machine parts that are involved in the manufacturing process; h) Provision of assessment information and/or a warning message for the respective machine parts as soon as a deviation of the currently measured sensor data from setpoint data or model data or a deviation predicted by means of an extrapolation has been determined.

procedure after Claim 16 , wherein in particular the deviation of the cycle time t _T of the cycle is detected in a partial production step in order to obtain the remaining service life t _R of a machine part involved in the partial production step, which influences the cycle time.

Method according to one of the preceding method claims, wherein a plurality of sensors (S) for sensor-diagnostic monitoring and assessment of various machine parameters are used in the method and the sensor data are compared as a data matrix consisting of measurement data with the target values of a target value matrix, where t represents the time and as soon as a deviation is determined at a point in time t, the deviation is recorded in terms of amount and the sensor data of a subsequent measurement is in turn compared with the target value data of the target value matrix and with sensor data measured previously, whereby in the case of a deviation of increasing amount one of the sensor data is extrapolated a curve is extrapolated from the measured data, from which a point in time can be derived at which one of the sensor data will exceed a permissible deviation or leave a permissible tolerance range.