Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte und einfache
Zustandsbeobachtung von Anlagenkomponenten oder von auf einer Anlage
laufenden Prozessen zu ermöglichen.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein System zur Zustandsbeobachtung mindestens einer Anlage insbesondere
in der Automatisierungstechnik mit mindestens einer Bilderfassungseinheit
zur Erfassung eines Abbildes der Anlage oder eines Anlagenteils,
wobei die Anlage erste Visualisierungsmittel aus chromogenen Materialien
zur Indikation eines Zustandes der Anlage oder eines auf der Anlage
laufenden Prozesses aufweist.
Diese
Aufgabe wird weiter gelöst
durch ein Verfahren zur Zustandsbeobachtung mindestens einer Anlage
insbesondere in der Automatisierungstechnik, bei dem mit Hilfe mindestens
einer Bilderfassungseinheit eine Abbild der Anlage oder eines Anlagenteils
erfasst wird, wobei die Anlage erste Visualisierungsmittel aus chromogenen
Materialien zur Indikation eines Zustandes der Anlage oder eines
auf der Anlage laufenden Prozesses aufweist.
Diese
Aufgabe wird weiter gelöst
durch ein System zur Zustandsbeobachtung mindestens einer Anlage
insbesondere in der Automatisierungstechnik mit mindestens einer
Tonerfassungseinheit zur Erfassung von der Anlage oder von einem
Anlagenteil generierter akustischer Signale, wobei die Anlage Mittel zur
Generierung der akustischen Signale zur Indikation eines Zustandes
der Anlage oder eines auf der Anlage laufenden Prozesses aufweist.
Diese
Aufgabe wird weiter gelöst
durch ein Verfahren zur Zustandsbeobachtung mindestens einer Anlage
insbesondere in der Automatisierungstechnik, bei dem mit Hilfe mindestens
einer Tonerfassungseinheit von der Anlage oder von einem Anlagenteil
generierte akustische Signale erfasst werden, wobei die Anlage Mittel
zur Generierung der akustischen Signale zur Indikation eines Zustandes
der Anlage oder eines auf der Anlage laufenden Prozesses aufweist.
Das
erfindungsgemäße System
bzw. Verfahren ermöglicht
eine hardwaretechnisch entkoppelte Beobachtung von Anlagenzuständen. Teile
der Anlage sind mit Mitteln zur Indikation von Anlagen- und/oder
Prozesszuständen
ausgestattet, wobei die Indikation sowohl auf visuellen als auch
auf akustischen Mitteln basieren kann. Die an der Anlage vorgesehenen
Indikationsmittel werden von einer Erfassungseinheit „beobachtet". Wesentliches Merkmal der
Erfindung ist, dass zur Kommunikation zwischen den Indikationsmitteln
und der Erfassungseinheit keine Verkabelung dieser Komponenten notwendig
ist.
Chromogene
Materialien reagieren auf äußere Einflüsse wie
Temperatur, Druck, Licht oder eine elektrische Spannung mit einer Änderung
ihrer Farbe oder ihrer Transparenzeigenschaften. Diese Änderungen
werden zum Beispiel durch reversible Verschiebungen von Gleichgewichtsreaktionen,
Phasenseparation oder flüssigkristalline
Phasenübergänge verursacht.
Bei dem erfindungsgemäßen System
werden diese Eigenschaften ausgenutzt, um Anlagenzustände oder
Zustände
auf einer Anlage laufender Prozesse zu visualisieren. Durch die
Verwendung chromogener Materialien können Sensor- und Anzeigefunktion
in einem Element realisiert werden. Tritt beispielsweise eine Übertemperatur
oder ein Überdruck
in der Anlage auf, so ändert
ein solcher Fehlerzustand die optischen Eigenschaften der chromogenen
Elemente der Anlage und signalisiert damit den Fehler für ein Servicepersonal.
Mit Hilfe der Bilderfassungseinheit wird ein Abbild der Anlage und damit
der chromogenen Elemente der Anlage erzeugt. Die entsprechenden
Bildinformationen stehen somit für
diverse Auswertungszwecke zur Verfügung.
Neben
der oben beschriebenen visuellen Indikation der Anlagen- bzw. Prozesszustände umfasst die
Erfindung auch die Indikation mit Hilfe akustischer Signale. Hierbei
senden Teile der Anlage Geräusche, die
von einer Tonerfassungseinheit (z. B. einem Mikrofon) erfasst und
mittels einer Wiedergabeeinheit insbesondere auch an einem von der
Anlage entfernten Ort wiedergeben oder mittels einer Verarbeitungseinheit
ausgewertet werden können.
Durch eine Verwendung unterschiedlich frequenter Signale können unterschiedliche
Anlagenzustände
kodiert und von der Verarbeitungseinheit erkannt werden.
Weiterhin
kann es von Vorteil sein sowohl die visuellen, aus chromogenen Materialien
ausgeführten
Indikationsmittel als auch die akustischen Indikationsmittel zur
Anzeige von Anlagen- und Prozesszuständen vorzusehen, wobei das
System sowohl die Bild- als auch die Tonerfassungseinheit zur Erfassung
der entsprechenden Signale umfasst.
Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das System
eine Bildwiedergabeeinheit, die zur Wiedergabe des mittels der Bilderfassungseinheit
erfassten Abbildes der Anlage oder des Anlagenteils für einen
oder mehrere insbesondere örtlich
von der Anlage entfernte(n) Benutzer dient. Auf diese Art und Weise
wird eine örtlich
flexibel Überwachung
der Anlage realisiert. Die Erfassung der durch die chromogenen Elemente
signalisierten Zustandswerte geschieht mit einer Bilderfassungseinheit,
die gleichzeitig ein Abbild der realen Anlage erfasst. Hierdurch
wird die Zuordnung der erfassten Zustandswerte zu den jeweiligen
Prozess- oder Anlagenparametern für den Benutzer erleichtert.
Darüber hinaus
wird der Verdrahtungsaufwand gegenüber einem herkömmlichen
System, bei dem die verschiedenen Sensoren ihre Messwerte über entsprechende Signalleitungen
einer zentralen Anzeigevorrichtung zur Verfügung stellen, erheblich minimiert.
Eine
stets aktuelle Information eines Benutzers über den Anlagenzustand lässt sich
auf einfache Weise erreichen, indem die Bilderfassungseinheit als Kamerasystem
zur insbesondere kontinuierlichen Erfassung des Abbildes der Anlage
oder des Anlagenteils ausgeführt
ist.
Eine
sehr realitätsnahe
Visualisierung der zu bedienenden Anlage wird in einer vorteilhaften
Ausführungsform
dadurch erreicht, dass die Bildwiedergabeeinheit als Projektionsgerät ausgeführt ist
und zur Darstellung des Abbildes der Anlage oder des Anlagenteils
auf einer Projektionsfläche
oder holografisch in Luft dient. Durch das Mittel der Projektion wird
die räumliche
Begrenzung der Darstellungsfläche,
wie sie eine bildschirmbasierte Visualisierung beispielsweise aufweisen
würde,
und die damit verbundene eingeschränkte Wahrnehmungsmöglichkeit weitgehend
umgangen.
Eine
automatische Fehlererkennung lässt sich
realisieren, indem das System eine Verarbeitungseinheit aufweist,
die zur Erkennung eines Zustandes der Anlage oder eines auf der
Anla ge laufenden Prozesses mittels Verfahren der Bilderkennung auf
Basis des von der Bilderfassungseinheit erfassten Abbildes der Anlage
oder des Anlagenteils dient. Mit Hilfe von Bilderkennungsverfahren
lassen sich die Farbumschläge
der chromogenen Elemente erkennen. Hat die Verarbeitungseinheit
auf diese Weise einen kritischen Anlagen- oder Prozesszustand erkannt,
kann ggf. auch eine Fehlerabschaltung automatisch generiert werden.
Neben
den Visualisierungsmitteln zur Zustandsüberwachung kann bei einer vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung die Anlage zweite Visualisierungsmittel aus chromogenen
Materialien aufweisen, die zu einer Bedienerführung eines Bedieners der Anlage
dienen. In diesem Fall werden die Farb- oder Transparenzänderungen
gezielt z. B. durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die zweiten
Visualisierungsmittel hervorgerufen. Der Benutzer kann zum Beispiel
durch Farbumschläge
zu Aktoren der Anlage geführt
werden. Ein Schalter an einer Maschine, der zu bedienen ist, kann über einen Farbumschlag
kenntlich gemacht werden. In großen Anlagen können die
zweiten Visualisierungsmittel als Orientierungshilfe eingesetzt
werden, um den Benutzer optisch zum Ziel zu führen.
In
Abhängigkeit
der durch die chromogenen Materialien zu detektierenden oder zur
Anregung vorgesehenen physikalischen Größen werden die ersten und/oder
zweiten Visualisierungsmittel aus thermochromen, photochromen, piezochromen,
ionochromen, biochromen oder elektrochromen Materialien ausgeführt.
Neben
einer örtlich
flexiblen Beobachtung der Anlage lässt sich in einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems auch
eine örtlich
flexible Bedienung der Anlage realisieren, wenn das System eine
Befehlserfassungseinheit zur Erfassung von Benutzerbefehlen und
Generierung entsprechender Steuerungssignale für die Anlage aufweist. Auf
diese Art und Weise kann der Benutzer an einem von der Anlage räumlich entfernten
Ort Steuerbefehle generieren und die Reaktion der Anlage bzw. eines
auf der Anlage laufenden Prozesses direkt mit Hilfe der Wiedergabeeinheit
beobachten. Eine Übertemperatur
oder ein Überdruck,
der durch eine Benutzereingabe verursacht wird, wird durch eine
Farb- oder Transparenzänderung
der chromogenen Anlagenelemente sichtbar, von der Bilderfassungseinheit
erfasst und dem örtlich
von der Anlage entfernten Benutzer visualisiert.
Zur
Befehlsgenerierung können
herkömmliche
Eingabemittel wie Tastatur, Mouse oder auch Touchscreens verwendet
werden. Alternativ ist aber auch eine Bedienung der Anlage mittels
Gestik, Mimik oder Spracherkennung denkbar. Beispielsweise können schematische
Bedienelemente in das Abbild der Anlage mit eingeblendet werden.
Eine entsprechende Bewegung des Benutzers wird mit Hilfe einer Befehlserfassungseinheit
mit Bilderkennungsfunktion erkannt und in entsprechende Ansteuerungssignale
für die
Anlage konvertiert.
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
1 ein
System zur Zustandsbeobachtung und automatischen zustandsabhängigen Steuerung einer
Anlage,
2 ein
System zur Zustandsbeobachtung und Steuerung einer Anlage durch
einen örtlich
von der Anlage entfernten Anwender.
1 zeigt
ein System zur Zustandsbeobachtung und automatischen zustandsabhängigen Steuerung
einer Anlage 2. Bei der Anlage 2 handelt es sich
beispielsweise um einen in einen Automatisierungsprozess integrierten
Vakuumofen, der über eine
Frontklappe 9 beladen werden kann.
Der
Vakuumofen 2 ist mit chromogenen Visualisierungsmitteln 4 ausgestattet,
die sich im Blickfeld einer Bilderfassungseinheit 3 befinden
und in direkter Verbindung zur Prozesskammer des Vakuumofens 2 stehen.
Ein Visualisierungsmittel ist als thermochromes Visualisierungsmittel 4a ausgeführt und dient
der Indikation einer Übertemperatur
im Vakuumofen 2. Ein weiteres Visualisierungsmittel ist
als piezochromes Visualisierungsmittel 4b ausgeführt und
indiziert den Druck in der Vakuumkammer des Vakuumofens 2.
Stellt
sich im Vakuumofen 2 eine unerlaubt hohe Prozesstemperatur
ein, signalisiert dies das thermochrome Visualisierungsmittel 4a durch
einen Farbumschlag. Diese Änderung
der optischen Eigenschaften des thermochromen Visualisierungsmittels 4a werden
von der Bilderfassungseinheit 3 erfasst. Eine Verarbeitungseinheit 6 erkennt
mittels Verfahren der Bilderkennung auf Basis des von der Bilderfassungseinheit 3 erfassten
Abbildes des Vakuumofens 2 bzw. der an dem Vakuumofen 2 befindlichen Visualisierungsmittel 4 die Übertemperatur
und erzeugt einen Steuersignal für
den Vakuumofen 2. Hierbei kann es sich beispielsweise um
eine Notabschaltung oder eine Absenkung der Ofentemperatur handeln.
Analog
führt ein
unerlaubter Druckanstieg in der Vakuumkammer, z. B. durch ein Leck,
zu einer Verfärbung
des piezochromen Visualisierungsmittels 4b. Auch dieser
Fehler wird mit Hilfe der Bilderfassungseinheit 3 und der
Verarbeitungseinheit 6 automatisch erkannt, so dass eine
automatische Abschaltung der Anlage erfolgen kann.
Das
dargestellte System ermöglicht
eine Erfassung und Überwachung
von Zustandsgrößen sowie
entsprechende Fehlerbehandlungen, ohne eine aufwendige Verkabelung
zwischen verschiedenen Sensoren – in diesem Fall Druck- und
Temperatursensoren – mit
einer Anlagensteuerung erforderlich zu machen. Stattdessen können die
Werte verschiedener Zustandsgrößen mit
entsprechenden chromogenen Werkstoffen „gemessen" und gleichzeitig visualisiert werden.
Die Auswertung dieser Zustandsgrößen geschieht
mit Verfahren der Bildverarbeitung und erfordert nur die eine Bilderfassungseinheit 3 und
die Verarbeitungseinheit 6.
2 zeigt
ein System zur Zustandsbeobachtung und Steuerung einer Anlage 2 durch
einen örtlich
von der Anlage 2 entfernten Anwender 2. In diesem
Beispiel handele es bei der Anlage 2 um einen Rohrofen 2,
bei dem während
des Tempervorganges Prozessgase das Prozessrohr in einer definierten
Menge durchströmen.
Beispiele hierfür
sind verschiedene Öfen
für die
Halbleitertechnik wie Diffusions- oder Oxidationsöfen.
Der
Rohrofen 2 weist von außen sichtbare erste 4 und
zweite 7 Visualisierungsmittel auf. Bei den ersten Visualisierungsmitteln 4 handelt
es sich zum einen um ein thermochromes Visualisierungsmittel 4a zur
Anzeige einer zu hohen oder zu niedrigen Prozesstemperatur und um
ein ionochromes Visualisierungsmittel 4c. Das ionochrome
Visualisierungsmittel 4c dient der Indikation der Prozessgaskonzentration.
Verlässt
die Prozessgaskonzentration einen gewissen Toleranzbereich, wird
die durch Farbumschlag des ionochromen Visualisierungsmittels 4c angezeigt.
Das
zweite Visualisierungsmittel 7 befindet sich auf der Frontklappe 9 des
Rohrofens 2. Es ist aus einem elektrochromen Material ausgeführt und reagiert
daher mit Farbumschlag auf eine elektrische Spannung. Während eines
laufenden Prozesses, bei dem die Frontklappe 9 nicht geöffnet werden
darf, wird eine Spannung angelegt, so dass der entsprechende Farbumschlag
diesen Prozesszustand signalisiert.
Eine
als Kamerasystem ausgeführte
Bilderfassungseinheit 3 erfasst kontinuierlich ein Abbild des
Rohrofens 2, wobei sämtliche
Visualisierungsmittel 4a, 4c, 7 im Blickfeld
des Kamerasystems 3 liegen. Ein an einem von dem Rohrofen 2 örtlich entfernter
Anwender 1 kann das von dem Kamerasystem 3 erfasste
Abbild mit Hilfe einer als Projektionsgerät ausgeführten Wiedergabeeinheit 5 auf
einer Projektionsfläche 8 betrachten. Über die
gefilmten Visualisierungsmittel 4a, 4c, 7 ist
er über
die Temperatur, die Prozessgaskonzentration und den allgemeinen
Prozesszustand (aktiv oder passiv) informiert, obwohl er sich nicht
in der Nähe
des Rohrofens 2 befindet.
Zusätzlich zu
dem Abbild des Rohrofens 2 werden mit Hilfe des Projektionsgerätes 5 schematische
Bedienelemente auf die Projektionsfläche 8 projiziert.
Der Anwender 1 kann diese Elemente durch entsprechende
Körperbewegungen
bedienen und so den Rohrofen 2 steuern. Die Körperbewegungen
werden mit Hilfe einer Befehlserfassungseinheit 11 erfasst,
mit Verfahren der Bilderkennung ausgewertet und in entsprechende
Steuersignale für
den Rohrofen 2 umgewandelt. Zusätzlich steht dem Anwender 1 die
Möglichkeit
zur Verfügung,
Befehle in Form von Sprache über
ein Mikrofon 12 abzusetzen, die mit Hilfe von Spracherkennungsverfahren
in entsprechende Steuersignale für
den Rohrofen umgewandelt werden. Über einen Kopfhörer 10 ist
die Übermittlung
des Anlagenzustands zusätzlich
auch auf akustischem Wege möglich.
Auf
diese Art und Weise ist dem Anwender 1 eine berührungslose
Bedienung des Rohrofens 2 mit den Mitteln der Gestik und
Mimik sowie über
Spracheingabe möglich,
ohne dass er sich in der Nähe der
Anlage 2 aufhalten muss. Gleichzeit erhält er über das projizierte Abbild
des Rohrofens 2 ein Feedback zu seinen abgesetzten Steuerbefehlen,
insbesondere durch die ersten Visualisierungsmittel 4a und 4c.
So würde
sich eine vom Anwender 2 veranlasste Prozesstemperaturerhöhung beispielsweise durch
Verfärbung
des thermochromen Visualisierungsmittels 4a bemerkbar machen,
wenn dies zu einer Übertemperatur
führt.
Das
Ende des in dem Rohrofen 2 ablaufenden Prozesses wird über das
elektrochrome Visualisierungsmittel 7 an der Frontklappe 9 durch
einen elektrisch initiierten Farbumschlag signalisiert. Der Anwender 2 erfährt hierdurch,
dass der Rohr ofen 2 nun geöffnet werden kann, um die behandelten Werkstücke ggf.
manuell auszufahren.
Die
in dem Anwendungsszenario beschriebene örtlich flexible Bedienung und
Beobachtung der Anlage 2 ist besonders vorteilhaft, wenn
Personen sich während
des laufenden Prozesses aus Sicherheitsgründen oder auf Grund spezieller
Prozesserfordernisse nicht in der Nähe der Anlage 2 aufhalten sollten,
diese jedoch trotzdem überwachen
und steuern müssen.
Beispielsweise könnte
sich der Rohrofen 2 in einem Reinraum zur Halbleiterfertigung
befinden, in dem die Anzahl der sich im Reinraum befindlichen Personen
stets so gering wie möglich
gehalten wird, um Partikelverunreinigungen zu minimieren. Erst am
Ende des Prozesses ist ein manuelles Ausfahren der prozessierten
Werkstücke
(z. B. Siliziumwafer) aus dem Prozessrohr und somit die Anwesenheit
einer Person im Reinraum notwendig. Änderungen der Prozesstemperatur
oder Prozessgaskonzentration können
außerhalb
des Reinraums veranlasst werden und mit Hilfe der chromogenen Visualisierungsmittel überwacht
werden.
Die
vorliegende Erfindung soll nicht auf die hier exemplarisch gezeigten
Ausführungsformen
beschränkt
sein. Vielmehr sind weitere Ausführungsformen
denkbar und von der Erfindung umfasst, solange der Grundgedanke,
dass durch chromogene Elemente Prozess- oder Anlagenzustände indiziert
werden und diese mit Hilfe einer Bilderfassungseinheit erfasst werden,
erhalten bleibt. In den in den Figuren beschriebenen Ausführungsformen
dienen die ersten Visualisierungsmittel 4 gleichzeitig
als Sensorelemente. Denkbar wäre
jedoch auch, dass Temperatur, Druck, Konzentration etc.. mit herkömmlichen
Sensorelementen gemessen werden und der Farbumschlag in Abhängigkeit
der gemessen Zustandsgrößen aktiv,
z. B, durch Anlegen einer elektrischen Spannung, initiiert wird.
Auf diese Art und Weise lässt sich
eine flexiblere Zuordnung der gemessenen Werte zu den optischen
Eigenschaften der chromogenen Elemente erzielen. Neben den in den
Ausführungsformen
beschriebenen Zustandsgrößen Temperatur, Druck
und Prozessgas konzentration können
auch Lichtstärke,
biochemische Reaktionen oder eine elektrische Feldstärke mit
Hilfe chromogener Elemente überwacht
werden. Entsprechend ergeben sich auch verschiedenste Anwendungsfelder
des Systems in verschiedenen verarbeitenden Industriezweigen, der
Automatisierungstechnik, der Halbleiterindustrie bis hin zur Pharmaindustrie
oder Biotechnologie.
Zusammenfassend
betrifft die Erfindung ein System zur Zustandsbeobachtung mindestens
einer Anlage 2 insbesondere in der Automatisierungstechnik.
Um eine verbesserte und einfache Zustandsbeobachtung von Anlagenkomponenten
oder von auf der Anlage 2 laufenden Prozessen zu ermöglichen,
umfasst das System mindestens eine Bilderfassungseinheit 3 zur
Erfassung eines Abbildes der Anlage 2 oder eines Anlagenteils,
wobei die Anlage 2 erste Visualisierungsmittel 4 aus
chromogenen Materialien zur Indikation eines Zustandes der Anlage 2 oder
eines auf der Anlage 2 laufenden Prozesses aufweist. Alternativ
umfasst das System eine Tonerfassungseinheit zur Erfassung von der
Anlage 2 oder von einem Anlagenteil generierter akustischer
Signale, wobei die Anlage 2 Mittel zur Generierung der
akustischen Signale zur Indikation eines Zustandes der Anlage 2 oder
eines auf der Anlage 2 laufenden Prozesses aufweist.