CN102109841B - 参与涉及制造执行系统的过程的部件的动态装置监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了参与涉及制造执行系统的过程的部件的动态装置监控系统，其中所述部件中的至少一个在空间上是可移动的并且所述装置不具有用于在制造执行系统的控制单元(COMP)处用信号通知所述部件的空间位置的接口连接信号，所述监控系统包括：至少一个摄影机(CAM)，其在空间上可定位在靠近预先限定的部件的自由选择的附近并且获取所述动态装置的感兴趣区域的至少一个图像(VS)；在摄影机的输出处的运动检测单元(MDL)，其提供所述部件中的至少一个的空间运动的检测；在摄影机的输出处的接口(PROC)，用于向监控单元的输入传输所述所获取的图像，以便提取关于所述装置的状态的在制造执行系统的控制单元中是可解释的信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的参与涉及制造执行系统(＝MES)的过程的部件的动态装置(dynamical arrangement)的监控系统。
背景技术
1.1设备效率的重要性
制造公司为了维护其竞争力和成本效率而特别关注其资产的有效使用。目标是提高生产力和降低成本。在很多情况下，例如在由制造执行系统(＝MES)所控制的生产过程中涉及的设备对于公司而言是大的资产和主要投资，并且通常非常推荐建议高效地运行这些设备。某些设备往往表示瓶颈或者导致制造过程的其它种类的缺陷：在这种情况下，至关重要的是保证这样的设备的最大效率，因为整个生产过程的产量受到在这样的设备上运行的操作的结果制约。关于这些瓶颈，要求不断地监控设备的效率并且在偏离最优值的情况下尽可能快地实施正确的校正动作。
1.2利用指标“OEE”测量设备效率
在设备起主要作用的生产过程中，一个广泛采用的关键性能指标(值)是所谓的“总体设备效率”(＝OEE)，所述“总体设备效率”(＝OEE)基本上来说是(借助百分数)表达在某给定设备上运行的操作的总体效率。这个数字考虑影响设备可用性(可用时间的有效利用)、性能(机器生产率的有效利用)和质量(生产好产品/零件/单元的有效性)，其中总体效率数被表达为：
OEE＝可用性×性能×质量，
其中：
可用性＝可用时间/计划时间，
性能＝(生产的零件*理想循环时间)/可用时间，
质量＝好的单元/总单元。
更一般地说，术语“OEE”作为延伸的含义也可以代表不仅测量上述OEE数本身而且测量其它相关因素的一整组关键性能指标，所述其它相关因素像可用率、性能率、质量率、MTBF(平均故障间隔时间)、MTTF(平均故障时间)、MTTR(平均维修时间)、MTTA(平均辅助时间(Mean Time To Assist))、MTBA(平均辅助间隔时间)等等。这种测量的计算要求对设备运行次数的精确且详细的认知以及对在观察周期内与这些测量有关的计划的和意外的设备停工期/缺陷的原因的精确且详细的认知。
很多用于管理制造操作的软件系统提供执行OEE实时计算的能力，并且这些软件系统的功能使得操作人员/控制人员能够识别可影响生产线性能的问题，使得可能立即作出响应以校正这样的情形(诸如在过程中的上游的堵塞)并且回到所期望的效率水平，以便降低与意外的停工期有关的成本。因此，这种OEE计算的优选实施方案通常被嵌入制造执行系统(MES)的特定软件模块中，因为MES系统能够向操作人员/控制人员提供在适当的细节级别的对工厂操作的实时可视性，以高效地监控和控制生产流程。
1.3收集基于OEE的计算所需的数据时的问题
实施基于OEE的计算的先决条件是能够从运行过程中收集数据以精确地知道设备在什么时候是能进行生产的和在什么时候是不能进行生产的。收集一组实时机器状态数据以区分在常规观察周期期间哪部分设备时间被花费在生产性操作和有多少时间出于某些非生产性的原因而已被浪费。
这在通过标准的可编程控制逻辑(也常称作PLC或SCADA)驱动的自动化机器的情况下是容易的：在这种情况下，PLC本身或正收集实时过程数据的SCADA系统能够借助一些标准的或者可容易定制的接口向运行OEE计算软件的模块提供所需的关于设备状态的信息。
然而，在较旧的或不兼容的设备的情况下、在并不提供标准数据接口的机器的情况下或者在具有不确定的记录的(documented)控制逻辑的机器的情况下，可能会出现问题。在这种情况下，定制用于收集计算设备正常运行时间和停工期所需的机器状态信息的接口的成本可以是有关的。这样的设备的技术细节和相关的控制逻辑往往无法以电子形式得到，并且为了实施这些接口，需要仔细查看打印形式的概要和设计图，这些概要和设计图可能是旧的、不精确的和未更新的。当标准接口对于待监控的设备而言是不可用的，则往往要求物理干预机器控制电路，以聚集一些可以由其它PLC与SCADA使用的信号，以便向OEE计算逻辑供应关于机器启动/停止、故障信号和产品废弃物(product waste)的机器状态信息。对于不得不被监控的设备中的每一个设备而言，这个操作可要求额外的成本和风险。
对于公司而言，拥有成百上千个这样设备的生产车间是平常的，并且在这种情况下，纯接口连接(interface)所有机器的成本会剧增，从而使对OEE计算的投资的收益更少。在一些情况下，另外的问题可能涉及机器对安全规程的遵守(这可能涉及强制性认证)，因为这些规程也可服从周期性更新。一旦机器在较旧的规程下已被证实是安全的，则此认证通常可以被扩展到新的已更新的规程，但是试图通过除了标准接口之外的装置来干预设备以聚集机器状态数据可能被看作像对机器自身的整修，这要求在新的规程下重新证实整个设备而这可能是昂贵的。
1.4现有技术的解决方案
几乎所有市场上可买到的OEE计算系统基本上都提供以下方式或模式来收集机器的状态数据，这些方式或模式递送计算与关键性能OEE相关的指标所需的信息：
a)自动数据捕获模式：借助专用的(标准的或定制的)接口从设备以电子方式收集机器状态数据，能够向基于OEE的逻辑单元提供自动馈送，以监控机器启动/停止、故障信号和产品废弃物。
b)手动数据捕获模式：不可以通过某个接口自动地和电子地读取机器状态数据，因此由机器操作人员手动地公布这些机器状态数据。这可以通过以下方式来完成：或者以纸的形式写出机器停止和启动的所有次数并且稍后将这些数据手动地插入到系统中(基于纸的手动数据捕获)，或者在待监控的机器附近具有专用的用户接口(无纸的手动数据捕获)，这允许操作人员在机器运行期间当状态一变化就以电子形式直接公布设备本身的每次状态变化。
c)组合的自动和手动数据捕获模式：根据上述点(a)自动收集的数据与由操作人员以电子形式手动提供的某附加输入相结合，以添加关于停工原因的有意义的信息。这种方法具有主动地涉及操作人员从而向其提供关于当前机器运行的实时性能的直接反馈的优点。
对于并不提供合适的电子接口的机器或相互作用的(并且可以是部分非OEE兼容的)设备，通过模式(a)或者通过模式(c)都无法解决点(1.3)的问题，而唯一的可能的解决方案是根据模式(b)手动地提供启动/停止和机器状态数据。因此，这种解决方案可能不适合快节奏的生产率并且也不精确以及容易出现错误，因为手动数据捕获的准确性受以下方面影响：
-错过或者忽略较小的停工，
-忙于固定问题的操作人员竭力准确地记录损失时间，
-手动地记录生产启动-停止的精确定时可能是复杂的，
-在基于纸的数据捕获的情况下，车间的文书工作可能会丢失、被损坏并且要求额外的手动操纵和处理。
特别地，这些问题依靠参与涉及制造执行系统MES的过程的部件(像制造线中的机器或相互作用的设备的机械零件/产品)的动态装置，其中，所述部件中的至少一个在空间上是可移动的并且所述装置不具有用于在制造执行系统的控制单元处用信号通知所述部件的空间位置的接口连接信号(interfacing signal)。
发明内容
本发明的目的是提供一种自主的、0EE兼容的用于(例如在制造过程中涉及的)部件的任何种类的动态装置的监控系统，其中所述装置不具有接口连接装置，使得在使用通常的装置的情况下至少自动监控是不可能的、不方便的或者不经济的，特别是如果这种装置或者相互作用的设备不具有传输针对OEE指标的相关信息的接口连接信号。
根据本发明的一个方面，所述目的通过包括根据权利要求1所述的特征的监控系统来实现。
本发明因此提出一种参与涉及或者至少适于由制造执行系统(＝MES)监督的制造过程的部件的动态装置的监控系统，其中所述部件中的至少一个在空间上是可移动的，并且所述装置不具有用于在制造执行系统的控制单元处用信号通知所述部件的空间位置的接口连接信号，所述监控系统包括：
-至少一个摄影机，所述至少一个摄影机在空间上可被定位在靠近预先限定的部件的自由选择的附近并且获取所述动态装置的感兴趣区域的至少一个图像，
-运动检测单元，所述运动检测单元提供所述部件中的至少一个的空间运动的检测，
-在摄影机的输出处的接口，用于处理所述所捕获的图像和向监控单元的输入传输所述所捕获的图像，以便提取关于装置的状态的信息，所述关于装置的状态的信息在制造执行系统的控制单元中是可解释的。
如以上所提及的那样，用词“装置”包括任意类型的设备或者这些设备的联合体，其中不具有接口连接装置使得至少自动地(具有接口连接能力的)监控是不可能的，或者即使在物理上是可能的但过于复杂或者不经济。
由于所述监控系统的组件，因此有利地可能学习检测单元，以通过装置的一个或更多部件的位置或者运动来(在某个允许公差下)识别状态。通过这种方式，在此学习步骤之后，监控系统可以自主地工作，以便递送所期望的状态。即使某些机器正相互作用地工作，监控系统的感兴趣区域也可被选择来使得该感兴趣区域与控制器和/或自己的监控工具完全独立的所述机器中的每一个机器的某些重要零件重叠。通过这种方式，例如可以容易地并且自主地监控机器是否以同步方式相互作用地工作。
也可能使用在机器附近的一个或某些预安装的摄影机并且在它们是根据本发明的监控系统的部分时连接和驱动它/它们。
本发明的有利的其它改进方案由在从属权利要求中表示的特征得出并且将通过以下说明书部分来介绍。
此外，可以以很多有利的方式使用监控系统，其中：
-根据关于所述装置的状态的信息计算出涉及所述装置的过程的可用性、性能和质量的指标值(像用于与制造执行系统有关的可靠监控的基于OEE的指标值)。
-可以在自动模式下和/或除了手动操作模式以外监控关于所述装置的状态的信息。
-关于所述装置的状态的信息被传输给报警单元，理想地用于使手动操作人员免于基于MES的过程的缺陷，用于除了基于手动的MES的过程控制之外自动地辅助缺陷的部分以及用于完全自动地控制基于MES的过程中的缺陷的进一步补偿。
-关于所述装置的状态的信息被记录在存储器支承体(support)上，使得可以观察所监控的故障的追踪。
此外，可以提供一种计算机程序元件，该计算机程序元件包括用于执行以下步骤的计算机程序代码：当被加载到(例如在制造执行系统处的)计算设备的数字处理器中时，驱动根据上面提及的监控系统的摄影机、运动检测单元和控制单元。
最后，可以提供一种存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，其包括用于使计算设备执行根据本发明的所述监控系统的监控的计算机可读程序代码。
附图说明
以下借助附图参考若干实施例详细地阐明本发明。
图1示出了根据本发明的第一监控系统的实例。
图2示出了根据本发明的第二监控系统的实例。
图3示出了用于良好地适配根据本发明的监控系统的感兴趣区域的方式。
具体实施方式
图1表示(适于监控)参与涉及制造执行系统MES的部件的动态装置MAC的第一监控系统，其中所述部件中的至少一个在空间上是可移动的并且所述装置不具有或者至少缺少用于在制造执行系统MES的应当提供来自监控的基于OEE的指标值发布(issue)的控制单元COMP处用信号通知所述部件的空间位置的接口连接信号。通常，手动操作人员OP也借助连接到MES的第二监控站OP_MON来控制这样的指标(也参见根据现有技术中的点b和c的监控模式)。现在，根据本发明的监控系统可以更好地支持或者完全替换操作人员的工作，因为所述操作人员的工作将提供为确保MES调节过程的扩展监控/概观所需的更高或者完整数量的信息。
根据本发明的监控系统还包括以下组件：
-至少一个摄影机CAM，所述至少一个摄影机CAM在空间上可定位在靠近机器/产品/装置MAC的预先限定的部件或零件的自由选择的附近，并且所述至少一个摄影机CAM获取所述动态装置的感兴趣区域的至少一个图像VS，
-运动检测单元MDL，所述运动检测单元MDL提供所述部件中的至少一个的空间运动的检测，
-在摄影机CAM的输出处的接口PROC，用于处理所述所获取的图像和向监控单元的输入传输所述所获取的图像，以便提取关于装置的状态的信息，所述关于装置的状态的信息在制造执行系统MES的控制单元COMP中是可解释的。
优选地，摄影机是摄像机，因为单个运动传感器(或光势垒的另一传感器)例如可能引入关于部件实际上正在运动的可能的不确定性并且应当被认为给出用于确保将递送所期望的状态的相关信息。通过这种方式，来自摄影机的这样的视频信号可以提供关于涉及装置的过程的启动/停止状态，但该视频信号也可通过将被包括在接口PROC中的图像处理装置相关联来提供更多的信息、像(针对生产率的)执行速度。其它基于视频的信息(在所适配的人工视觉处理之后)可以是其它指标值的有利的源，诸如视频帧中的由装置在每单位时间内生产的产品/单元的计数。可以通过能够区分例如部件/产品/单元…或者所有其它“零件”的形状的高级图像识别算法推断出生产质量和/或产品废弃物，以通知好零件和缺陷零件，或者以直接方式通过部件/产品/单元的某些更简单的计数来推断。
在本发明的另一实施例中，监控系统可以包括：运动检测单元MDL包括以下组件中的至少一个或者通过以下组件中的至少一个来使其完整：
-像在图1中，至少一个具有形状识别逻辑SRL的其它基本光学传感器(像(低成本的)摄影机BCAM)，使得接口PROC和逻辑SRL的输出数据被输入到机器状态检测逻辑DET中，所述机器状态检测逻辑DET向OEE计算模块(＝MES中的用于进行监控的控制单元COMP)输出机器状态信号S。
-像在图2中，在至少一个路径和通常两个路径P1、P2上运动的部件的计数器装置QC，(例如P1＝好产品路径，而P2＝缺陷产品路径)所述两个路径P1、P2中的每个路径都由具有形状识别逻辑SRL的其它基本光学传感器监控，像由(低成本的)摄影机BCAM1、BCAM2监控。这种行动方式提供了替换路径，所述替换路径允许由机器或装置MAC制造的好产品和缺陷产品的计数器的信号UC1、UC2。
具有图像处理器的接口PROC可以通过施加适当的数字“掩模”进行配置，以便忽略/过滤或限制所捕获的图像的某部分并且仅仅关注与检测机器状况的目的相关的图像部分上。这在图3中被呈现。根据用于实施人工视觉算法的技术，要求与正运行的设备的某“训练”会话，以实现输出仅仅相关信息而不输出人为现象的最优结果。通常，图像IM的感兴趣区域可借助过滤来自图像IM的至少一个感兴趣区的所述数字掩膜IM_MASK来用几何学调整。因此，在接口PROC中仅仅处理有限的区域PROC_IM，使得也可以增强处理速度或者所传输的数据流VS1、VS2，尤其是通过高速装置的动态特性来增强。
根据本发明的监控系统也可被提供来使得至少摄影机CAM和在摄影机的输出处的接口PROC被安装在移动支承体上。通过这种方式，安装监控系统的方法是非常有利的，因为操作人员可以容易地在生产线的可自由选择的监控位置安装暂时的(或持久的)监控点。此外，也可以在摄影机CAM(或者接口PROC)与制造执行系统MES的控制单元COMP之间设置至少无线连接路径。通过这种方式，在物理监控位置和实际的MES之间无需安装接口连接电缆。这在具有大运动的或者在电缆不易铺设或者电缆不得不跟随某个运动以确保捕获感兴趣区域的限制之内的装置中是特别令人感兴趣的。
根据本发明的监控系统的另一优点在于：生产线的通常调查(survey)的摄影机也可以被用作用于发起其它本地运动检测的智能摄影机CAM。如果(多个)摄影机的(多个)输出信号被重定向到处理/识别模块，则这可被提供，所述处理/识别模块可以是MES的计算模块COMP的部分。通过这种方式，操作人员可以在工厂调查摄影机(plantsurvey camera)处直接从MES的平台选择感兴趣区域并且进一步提取操作人员第一次手动地并且将来当调查摄影机被定位在所要求的感兴趣区域上时以完全自主的方式要求的信息状态。
Claims (11)
1.参与涉及制造执行系统(MES)的过程的部件的动态装置(MAC)的监控系统，其中，所述部件中的至少一个在空间上能移动并且所述装置不具有用于在制造执行系统的控制单元(COMP)处用信号通知所述部件的空间位置的接口连接信号，所述监控系统包括：
至少一个摄影机(CAM)，所述至少一个摄影机(CAM)在空间上能被定位在靠近预先限定的部件的自由选择的附近，并且所述至少一个摄影机(CAM)获取所述动态装置的感兴趣区域的至少一个图像(VS)，
在摄影机的输出处的运动检测单元(MDL)，所述运动检测单元(MDL)提供所述部件中的至少一个的空间运动的检测，
其特征在于包括在摄影机的输出处耦合的接口(PROC)，用于向在所述制造执行系统(MES)中进行监控的控制单元(COMP)的输入传输所获取的图像，其中接口(PROC)的输出数据被输入到机器状态检测逻辑(DET)中，所述机器状态检测逻辑(DET)向所述制造执行系统(MES)中的用于监控的控制单元(COMP)的总体设备效率(0EE)计算模块输出机器状态信号(S)。
2.根据权利要求1所述的监控系统，其中，所述摄影机是摄像机。
3.根据权利要求1所述的监控系统，其中，所述摄影机是智能摄影机或者工厂调查摄影机。
4.根据权利要求1所述的监控系统，其中，所述运动检测单元包括以下组件中的至少一个：
至少一个具有识别逻辑(SRL)的其它基本摄影机(BCAM、BCAM1、BCAM2)，
在至少一个路径(P1、P2)上的运动的部件的计数器装置(QC)。
5.根据权利要求1至4之一所述的监控系统，其中，借助数字掩模(IM_MASK)对所述感兴趣区域来用几何学调整，所述数字掩模(IM_MASK)从所述图像(IM)中过滤至少一个感兴趣区。
6.根据权利要求1至4之一所述的监控系统，其中，至少所述摄影机(CAM)和在摄影机的输出处的接口(PROC)被安装在移动支承体上。
7.根据权利要求1至4之一所述的监控系统，其中，在所述摄影机(CAM)和所述制造执行系统的控制单元之间设置至少无线连接路径。
8.根据权利要求1所述的监控系统，其中，根据关于所述装置的状态的信息计算出涉及所述装置的过程的可用性、性能和质量的指标值。
9.根据权利要求8所述的监控系统，其中，能够在自动模式下和/或加上手动操作模式监控关于所述装置的状态的信息。
10.根据权利要求8或9所述的监控系统，其中，关于所述装置的状态的信息被传输给警报单元，用于使手动操作人员免于基于制造执行系统(MES)的过程的缺陷，用于除了手动的基于制造执行系统(MES)的过程控制以外还自动地辅助缺陷的部分，并且用于完全自动地控制基于制造执行系统(MES)的过程中的缺陷的进一步补偿。
11.根据权利要求8或9所述的监控系统，其中，关于所述装置的状态的信息被记录在存储器支承体上。
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