CN111630535A - 用于动态地优化工业生产过程的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于动态地优化工业生产过程的方法和装置一种过程优化器装置（1），用于动态地优化包括物理生产模块（3）的生产工厂（2）的工业生产过程，所述过程优化器（1）包括看门狗部件（1A），其适于监视所述生产工厂（2）的生产模块（3）以检测所述生产工厂（2）内的配置改变；模型比较器部件（1B），其适于评估包括与所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）相关的数字孪生数据模型（DM）的所述生产工厂（2）的生产工厂数据模型（PPDM）以自动地标识与被所述看门狗部件（1A）检测到的配置改变影响的所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）相关的数字孪生数据模型（DM）的偏离模型元素；以及过程重新排序器部件（1C），其适于根据由所述模型比较器部件（1B）标识的偏离模型元素来执行所述生产工厂（2）的所述至少一个生产过程的动态过程优化。

Description

用于动态地优化工业生产过程的方法和装置
本发明涉及用于动态地优化由多个物理生产模块组成的生产工厂的工业生产过程的方法和装置。
一种可以生产多种不同产品的生产工厂可以包括多个物理生产模块，特别是制造机器和/或在生产过程期间运输工件的运输设施。工业生产过程包括生产过程步骤的序列。生产工厂的生产模块可以遭受诸如升级、生产线改变、产品改变和/或归因于修理和/或维护的改变之类的改变。每当物理生产模块被更改或交换时，相关联的数字孪生（twin）数据模型可以被相应地改变。物理模块的数字孪生数据模型的该数据模型改变可以手工或自动地执行。例如，工程师可以更新已升级的物理模块的数字孪生数据模型。然而，生产模块的改变可以导致生产过程的不需要的、错误的或次优的过程序列。诸如整个生产模块的替换之类的关键的生产模块改变可以需要ERP系统或甚至通过人类操作员的手工地完整过程重新计算。
在常规工业生产工厂中，当涉及关键的生产模块改变时，在生产工厂的相应物理生产模块可以被更改或替换之前，生产线或过程段必须首先被关闭。此外，必须改变相应的软件部件，即生产模块的数据模型。最后，可以重新启动生产线过程段，并与相应的改变或更新的软件部件一起测试。该常规的方法是非常耗时的并且涉及用于物理安装和/或软件相关改变两者的大量人工活动。
因此，本发明的目的是提供一种用于动态地优化工业生产过程的方法和装置，其中所需的安装和适配时间显著减少。
通过包括权利要求1的特征的动态过程优化器装置根据本发明的第一方面实现该目的。
本发明根据第一方面提供了一种用于动态地优化包括物理生产模块的生产工厂的工业生产过程的过程优化器装置，
其中所述过程优化器包括：
看门狗部件，其适于监视所述生产工厂的生产模块以检测所述生产工厂内的配置改变，
模型比较器部件，其适于评估包括与所述生产工厂的物理生产模块相关的数字孪生数据模型的生产工厂的生产工厂数据模型以自动地标识与被所述看门狗部件检测到的配置改变影响的所述生产工厂的物理生产模块相关的数字孪生数据模型的偏离模型元素，以及
过程重新排序器（resequencer）部件，其适于根据由所述模型比较器部件标识的偏离模型元素执行所述生产工厂的至少一个生产过程的动态过程优化。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的可能的实施例中，所述过程优化器装置的看门狗部件连接到生产工厂的通信基础设施，以检测生产工厂内的配置改变，包括与生产工厂的物理生产模块相关的硬件配置改变和/或软件配置改变。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的另外的可能的实施例中，经由数据接口以所述生产工厂的工厂数据馈送看门狗部件。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的实施例中，生产工厂数据模型包括存储在所述过程优化器装置的本地存储器中或存储在连接到所述过程优化器装置的远程数据库中的所述生产工厂的物理生产模块的数字孪生数据模型。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的实施例中，生产工厂数据模型包括作为用于所述生产工厂的物理生产模块的孪生数据模型的属性值列表，该属性值列表指示相应生产模块的能力。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的另外的可能的实施例中，模型比较器部件被实现为针对受所述看门狗部件检测到的配置改变影响的生产模块，在所存储的生产工厂数据模型的属性值列表中执行基于规则的属性对属性比较，以自动地标识偏离模型元素，特别是属性值列表中的值改变。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的另外的可能的实施例中，生产工厂数据模型包括表示本体（ontology）的语义数据模型，所述本体包括表征物理生产模块的能力和所述生产工厂的物理生产模块之间的依赖性的数字孪生数据模型。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的另外的可能的实施例中，过程重新排序器部件适于确定由所述模型比较器部件标识的偏离模型元素是否具有对由生产工厂的生产模块执行的生产过程步骤的生产过程序列的影响和/或含义（implication），并且适于如果已经标识影响，则基于指定生产过程的生产过程步骤和物理生产模块之间的依赖性的关系的预定义集合，提供由所述生产工厂的生产模块执行的生产过程序列的动态重新排序。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的可能的实施例中，生产过程序列的生产过程步骤存储在ERP数据库中。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的实施例中，过程优化器装置适于基于由监视所述生产工厂的生产模块的过程优化器装置的看门狗部件接收的实时数据在生产工厂的运行时间期间执行所述生产工厂的工业生产过程的自动优化。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的实施例中，过程优化器装置适于在模拟会话期间执行所述生产工厂的工业生产过程的自动优化，其中模拟所述生产工厂的工业生产过程。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的实施例中，所述生产工厂的生产模块包括适于在预定义位置之间运输工件和/或中间产品以执行相关联的生产过程步骤的运输生产模块，其中所述运输生产模块特别包括机械臂和/或传送带。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的实施例中，当相应的物理生产模块被升级时，物理生产模块的数字孪生数据模型被自动地更新。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的实施例中，过程优化器装置在生产工厂的本地服务器上实现。
在根据本发明的第一方面的过程优化器装置的又一可能的替代实施例中，过程优化器装置在连接到生产工厂的通信基础设施的远程服务器上实现。
本发明根据另外的方面还提供了一种包括权利要求14的特征的生产工厂。
本发明根据第二方面提供了一种生产工厂，其包括适于执行生产过程的生产过程步骤的多个生产模块并且包括根据本发明的第一方面的过程优化器装置。
本发明根据第三方面还提供了一种用于动态地优化包括物理生产模块的生产工厂的工业生产过程的方法，
该方法包括以下步骤：
监视所述生产工厂的生产模块以检测所述生产工厂内的配置改变，
评估包括与生产工厂的物理生产模块相关的数字孪生数据模型的生产工厂的生产工厂数据模型以自动地标识与受到检测到的配置改变影响的所述生产工厂的物理生产模块相关的数字孪生数据模型的偏离模型元素，
根据所标识的偏离模型元素，执行所述生产工厂的至少一个生产过程的动态过程优化。
在下文中，参考附图更详细地描述本发明的不同方面的可能的实施例。
图1示出了包括根据本发明的第一方面的过程优化器装置的系统的示意图；
图2示出了根据本发明的第二方面的用于自动地优化工业生产过程的方法的可能的示例性实施例的流程图。
在图1的示意图中，提供了根据本发明的第一方面的动态过程优化器（DPO）装置1，用于动态地优化包括不同物理生产模块的生产或制造工厂的工业生产过程。
生产工厂2可以包括多个不同的和复杂的物理生产模块3-i以执行过程步骤。物理生产模块3-i可以包括在生产过程期间在工件和/或中间产品上执行过程步骤的机器。生产模块3-i还可以包括物理运输生产模块，其适于在预定义位置之间运输工件和/或中间产品，以执行相关联的生产过程步骤。这些运输生产模块可以包括例如机器人单元的机械臂和/或传送带。在图1所示的示例中，生产工厂2包括具有的不同物理生产模块3-1、3-2……3-N的车间，如图1中所示。物理生产模块可以彼此串联和/或并联连接以提供适于执行由一个或多个过程步骤组成的生产过程序列的生产模块的网络。在生产工厂2的车间中实现的生产模块3-i的数量可以根据工业生产过程的复杂性而变化。在可能的实施例中，动态过程优化器装置1包括接口并且连接到生产工厂2的通信基础设施。生产工厂2的通信基础设施可以包括局域网LAN，不同的物理生产模块3-i，特别是机器和/或传输元件被连接在该局域网LAN。到通信基础设施的连接可以包括无线和/或有线连接。在可能的实施例中，过程优化器装置1包括也如图1中所示的三个主要部件。
在所示实施例中，动态过程优化器（DPO）装置1包括看门狗部件1A、模型比较器部件1B和过程重新排序器部件1C。过程优化器装置1的看门狗部件1A适于监视生产工厂2的生产模块3-i，以检测所监视的生产工厂2内的配置改变。过程优化器装置1的模型比较器部件1B被配置成或适于评估包括与生产工厂2的物理生产模块3-i相关的数字孪生数据模型的生产工厂2的生产工厂数据模型或孪生数据模型以自动地标识与被看门狗部件1A检测到的配置改变影响的生产工厂2的物理生产模块相关的数字孪生数据模型的偏离模型元素。生产工厂数据模型PPDM（数字孪生）可以如图1中所示的那样存储在本地存储器和/或远程数据库4中。生产工厂数据模型PPDM包括与生产工厂2的相应物理生产模块3-i相关的多个数字孪生数据模型DM。在可能的实施例中，生产工厂数据模型PPDM包括作为用于生产工厂2的物理生产模块3-i的孪生数据模型DM的属性值列表，其指示相应的生产模块3-i的能力。在可能的实施例中，可以以简单的属性值列表来表述（formulate）生产工厂2中的每个生产模块3-i的能力。例如，由机械臂形成的生产模块3-1可以包括针对轴的属性数量（attributenumber）的值NumberAxis Ax=3。在可能的实施例中，模型比较器部件1B可以被实现为针对受看门狗部件1A检测到的配置改变影响的生产模块3-i，在所存储的生产工厂数据模型的属性值列表中执行基于规则的分配到属性比较（distributed to attributecomparison），以自动地标识偏离模型元素，特别是属性值列表中的值改变，作为模型比较结果MCR。直接的属性对属性比较可以由过程优化器装置1的模型比较器部件1B基于基于规则的系统来执行。例如，如果通过替换机械臂3R-1来交换（exchange）作为物理生产模块3-1的机械臂，则可以改变物理生产模块3-1的能力和/或特性。例如，替换先前机械臂的新机械臂可以包括更高数量的生产轴。例如，由仅具有三个轴（Ax=3）的机械臂形成的先前生产工厂模块3-1可以例如由形成具有四个轴（Ax=4）的新替换生产模块3R-1的新机械臂来替换。在该示例中，在生产工厂2内的执行的配置改变是硬件配置改变，其中诸如机械臂之类的现有生产模块3-i由替换生产模块3R-i来替换。该硬件配置改变可以由动态过程优化器装置1的监视看门狗部件1A来检测。看门狗部件1A适于自动地检测在生产工厂2处执行的配置改变，特别是当硬件部件被改变（例如，升级）或替换时的硬件配置改变。在另外的可能的实施例中，动态过程优化器1的看门狗部件1A还可以适于检测与生产工厂2的物理生产模块3-i相关的软件配置改变。例如，本地控制软件部件可以被重新配置或更新，引起由动态过程优化器装置1的看门狗部件1A观察到的软件配置改变。模型比较器部件1B适于自动地标识与看门狗部件1A检测到的配置改变影响的生产工厂2的物理生产模块3-i相关的数字孪生数据模型DMS的偏离模型元素。例如，如果具有三个轴（Ax=3）的机械臂3-1被具有四个轴（Ax=4）的机械臂3R-1替换，则形成相应生产模块的数字孪生数据模型的对应属性值列表中的属性将其存储值从先前值3改变为新值4。在可能的实施例中，当生产工厂2的相应物理生产模块3-i被升级或改变时，物理生产模块的数字孪生数据模型被自动地更新。在可能的实施例中，其中存储生产工厂数据模型的存储器或数据库4可以包括与生产工厂2的车间的通信基础设施的接口，在该实施例中，当相应的物理生产模块3-i物理升级时，可以自动地更新生产模块3-i的不同数字孪生数据模型DM。
动态过程优化器（DPO）装置1还包括过程重新排序器部件1C，其适于根据由所述模型比较器部件1B标识的偏离模型元素来执行生产工厂2的至少一个生产过程的动态过程优化。在可能的实施例中，过程重新排序器部件1C被配置为确定由所述模型比较器部件1B标识为模型比较结果MCR的偏离模型元素是否具有对由生产工厂2的生产模块3-i执行的生产过程步骤的生产过程序列的影响和/或含义。如果已经由过程重新排序器部件1C标识了影响或含义，则由生产工厂2的生产模块执行的生产过程序列的动态重新排序可以由过程重新排序器部件1C基于关系的预定义集合来执行，该关系的预定义集合指定生产过程的物理生产模块3-i和产品过程步骤之间的依赖性。在可能的实施例中，生产过程序列的生产过程步骤被存储在ERP数据库5中，如图1中所示的那样。在所示的实施例中，工业过程包括将由生产工厂2执行的数量X的过程步骤PS。在可能的实施例中，过程重新排序器部件1C可以包括在两个阶段中工作的规则引擎。在第一阶段中，过程重新排序器部件1C发现从模型比较器部件1B接收的偏离模型元素是否对当前排队的生产/过程步骤有影响。例如，第一过程步骤PS1可以由子步骤SS1-1、SS1-2和SS1-X组成，也如图1中所示的那样。在生产工厂2中，子步骤SS1-1可以由生产模块3-1来执行，该生产模块3-1可以包括将工件沿轨迹或移动路线举升到传送带3-N上的机械臂。模型比较器部件1B可以检测到生产模块3-1被替换生产模块3R-1交换，由于附加的轴，其提供了改进的能力。该改进的能力可以具有不再需要生产过程的子步骤SS1-2的结果或效果。归因于模型的含义和/或影响的检测改变可以在第一阶段中由过程重新排序器部件1C基于关系的预定义集合执行的针对具体产品的当前正在进行的和/或将来的工厂生产序列。每个关系可以指定生产工厂2中可用的生产步骤PS和物理生产模块3-i之间的依赖性。例如，如果第一生产模块3-1是仅具有三个轴（Ax=3）的机械臂，则运动模式可以是工件从开始位置A移动到中间位置B并且然后从中间位置B移动到最终位置C。从那里，它移动到D。中间位置B可能是需要的，因为机械臂仅具有三个轴（Ax=3）。
相对地，在机械臂已经被具有四个轴（Ax=4）的升级的机械臂3R-1替换之后，移动模式可以是工件直接从起始位置A移动到最终位置C。在该阶段中，过程子步骤SS1-2成为过时的（obsolete）。可以基于系统的数据模型，例如关系数据库、语义数据模型和/或基于规则的系统来表述关系的集合。第二阶段中的过程重新计划和/或重新排序的执行可以通过调用具体生产工厂2的默认生产计划机制来实现。动态过程优化器装置1的过程重新排序器部件1C可以基于关系的预定义集合来提供动态过程重新排序。在可能的实施例中，重新计划的生产步骤可以重新进入工厂的默认生产执行系统中。
如图1中所示，生产模块3-1的初始过程逻辑PLog被用于替换的生产模块3R-1的改进的过程逻辑IPLog所代替。
在可能的实施例中，生产工厂数据模型PPDM包括表示本体的语义数据模型，该本体包括数字孪生数据模型DM，其表征物理生产模块的能力并且还表征生产工厂2的不同物理生产模块3-i之间的依赖性。在可能的实施例中，生产工厂数据模型PPDM可以包括OWL语义数据模型。语义建模允许检测精细和复杂的数据依赖性。例如，可以推断新生产模块的能力与先前替换的生产模块的能力相似，尽管单个属性不同。归因于一个属性被另一个属性的可能替换可以推断这一点。例如，对于一些生产步骤，如果机械臂提供四个轴而不是三个轴，则可能例如不要紧。由诸如SPARQL之类的查询语言QL遍历存储的本体是可能的。
在可能的实施例中，包括看门狗部件1A的动态过程优化器（DPO）装置1可以从置于生产工厂2中的传感器接收传感器数据，以监视生产工厂2的不同生产模块3-i并且从生产工厂2接收实时或机器数据。在可能的实施例中，动态过程优化器装置1适于基于所接收的实时数据在生产工厂2的运行时间期间执行生产工厂2的工业生产过程的自动优化。在替代实施例中，动态过程优化器装置1还可以被配置为在其中模拟生产工厂2的工业生产过程的模拟会话中执行工业生产过程的自动优化。在可能的实现中，动态过程优化器装置1可以以实时操作模式和/或以模拟模式操作。
在可能的实施例中，过程优化器装置1可以在生产工厂2的本地服务器上实现。在替代的实施例中，过程优化器装置1在例如经由数据网络连接到生产工厂2的通信基础设施的远程服务器上实现。动态过程优化器装置1具有对其中存储生产工厂数据模型PPDM的存储器或数据库4以及对包括工业过程的ERP信息的存储器或数据库5的访问。在可能的实施例中，由动态过程优化器装置1针对一个或多个生产模块计算的改进的过程逻辑IPLog可以被重写到ERP存储器5中以进一步使用。
图2示出了用于动态地优化生产工厂2的工业生产过程的方法的可能的示例性实施例的流程图。
在第一步骤S1中，监视生产工厂2的生产模块3-i以检测生产工厂2内的配置改变。该监视步骤可以例如由过程优化器装置1的看门狗部件1A执行。所检测到的配置改变可以包括与生产工厂2的物理生产模块3-i相关的硬件配置改变和/或软件配置改变。
在进一步的步骤S2中，评估包括与生产工厂2的物理生产模块3-i相关的数字孪生数据模型DM的生产工厂2的记忆的生产工厂数据模型，以自动地标识涉及受在步骤S1中检测到的配置改变影响的生产工厂2的物理生产模块3-i的数字孪生数据模型的偏离模型元素。在步骤S2中的对生产工厂数据模型PPDM的评估可以例如由过程优化器装置1的模型比较器部件1B来执行。
在进一步的步骤S3中，根据在步骤S2中标识的偏离模型元素执行生产工厂2的至少一个生产过程的动态过程优化。在可能的实施例中，动态过程优化可以由过程优化器装置1的过程重新排序器部件1C执行。图2中所示的方法可以在生产工厂2的操作期间实时地执行或者在工业生产工厂2的计划阶段期间在模拟会话中执行。利用根据本发明的方法和系统1，与生产工厂创建相关的数据模型和/或软件模型的安装和适配时间可以大大减少。此外，促进了现有生产工厂2内的生产模块3-i的升级。此外，在许多情况下，当改变或替换生产工厂2的部分和/或物理生产模块时避免生产工厂2的关闭是可能的。

Claims (15)

1.一种过程优化器装置（1），用于动态地优化包括物理生产模块（3）的生产工厂（2）的工业生产过程，所述过程优化器（1）包括：
（a）看门狗部件（1A），适于监视所述生产工厂（2）的生产模块（3），以检测所述生产工厂（2）内的配置改变；
（b）模型比较器部件（1B），适于评估包括与所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）相关的数字孪生数据模型（DM）的所述生产工厂（2）的生产工厂数据模型（PPDM）以自动地标识与被所述看门狗部件（1A）检测到的配置改变影响的所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）相关的数字孪生数据模型（DM）的偏离模型元素；以及
（c）过程重新排序器部件（1C），适于根据由所述模型比较器部件（1B）标识的偏离模型元素执行所述生产工厂（2）的所述至少一个生产过程的动态过程优化。
2.根据权利要求1所述的过程优化器装置，其中，所述过程优化器装置（1）的所述看门狗部件（1A）连接到所述生产工厂（2）的通信基础设施，以检测所述生产工厂（2）内的配置改变，所述配置改变包括与所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）相关的硬件配置改变和/或软件配置改变。
3.根据权利要求1或2所述的过程优化器装置，其中，经由数据接口以所述生产工厂（2）的工厂数据馈送所述看门狗部件（1A）。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述生产工厂数据模型（PPDM）包括存储在所述过程优化器装置（1）的本地存储器（4）中或存储在连接到所述过程优化器装置（1）的远程数据库（4）中的所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）的数字孪生数据模型（DM）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述生产工厂数据模型（PPDM）包括作为用于所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）的孪生数据模型（DM）的属性值列表，所述属性值列表指示相应生产模块（3）的能力。
6.根据权利要求5所述的过程优化器装置，其中，所述模型比较器部件（1B）被实现为针对受所述看门狗部件（1A）检测到的配置改变影响的生产模块（3），在存储的生产工厂数据模型（PPDM）的属性值列表中执行基于规则的属性对属性比较，以自动地标识偏离模型元素，特别是所述属性值列表中的值改变。
7.根据前述权利要求1至4中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述生产工厂数据模型（PPDM）包括表示本体的语义数据模型，所述本体包括表征所述物理生产模块（3）的能力和所述生产工厂（2）的所述物理生产模块（3）之间的依赖性的数字孪生数据模型（DM）。
8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述过程重新排序器部件（1C）适于确定由所述模型比较器部件（1B）标识的偏离模型元素是否具有对由所述生产工厂（2）的生产模块（3）执行的生产过程步骤（PS）的生产过程序列的影响或含义，并且适于如果已经标识了影响，则基于指定所述生产过程的生产过程步骤（PS）和物理生产模块（3）之间的依赖性的关系的预定义集合提供由所述生产工厂（2）的生产模块（3）执行的生产过程序列的动态重新排序。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述生产过程序列的所述生产过程步骤（PS）存储在ERP数据库（5）中。
10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述过程优化器装置（1）适于基于由监视所述生产工厂（2）的生产模块（3）的过程优化器装置（1）的所述看门狗部件（1A）接收的实时数据在所述生产工厂（2）的运行时间期间和/或在其中模拟所述生产工厂（2）的工业生产过程的模拟会话期间执行所述生产工厂（2）的所述工业生产过程的自动优化。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述生产工厂（2）的所述生产模块（3）包括运输生产模块，其适于在预定义位置之间运输工件以执行相关联的生产过程步骤，所述运输生产模块特别是机械臂和/或传送带。
12.根据前述权利要求1至11中任一项所述的过程优化器装置，其中，当相应的物理生产模块（3）被升级时，物理生产模块（3）的数字孪生数据模型（DM）被自动地更新。
13.根据前述权利要求1至12中任一项所述的过程优化器装置，其中，所述过程优化器装置（1）在所述生产工厂（2）的本地服务器上或在连接到所述生产工厂（2）的通信基础设施的远程服务器上实现。
14. 一种生产工厂（2），包括：
多个生产模块（3），适于执行生产过程的生产过程步骤，以及
根据前述权利要求1至13中任一项所述的过程优化器装置（1）。
15.一种用于动态地优化包括物理生产模块（3）的生产工厂（2）的工业生产过程的方法，
所述方法包括以下步骤：
（a）监视（S1）所述生产工厂（2）的生产模块（3）以检测所述生产工厂（2）内的配置改变；
（b）评估（S2）包括与所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）相关的数字孪生数据模型（DM）的所述生产工厂（2）的生产工厂数据模型（PPDM）以自动地标识与被检测到的配置改变影响的所述生产工厂（2）的物理生产模块（3）相关的数字孪生数据模型（DM）的偏离模型元素；以及
（c）根据标识的偏离模型元素来执行（S3）所述生产工厂（2）的至少一个生产过程的动态过程优化。
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