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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Zeitspanne bis zur nächsten Wartung/Kalibrierung und/oder zur Ermittlung der Restlebensdauer eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik.
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In Automatisierungsanlagen, insbesondere in Prozess- und Fabrikautomatisierungsanlagen, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen eines gasförmigen, flüssigen oder festen Mediums werden Sensoren verwendet, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, Spektrometer, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit, chemische Zusammensetzung des Mediums erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die in einer Automatisierungsanlage angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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In Industrieanlagen erfolgt die Kommunikation zwischen zumindest einer übergeordneten Steuereinheit und den Feldgeräten in der Regel über ein Bussystem, wie beispielsweise Profibus® PA, Foundation Fieldbus® oder HART®. Die Bussysteme können sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgestaltet sein. Die übergeordnete Steuereinheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte und wird auch als Konfigurier-/Managementsystem bezeichnet. Auch ist es bekannt geworden, Feldgeräte mit Internetschnittstellen zwecks Kommunikation und/oder Energieversorgung auszurüsten.
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In zunehmendem Maße sind Feldgeräte der Automatisierungstechnik auch mit einer Nahfeldkommunikationsschnittstelle ausgestattet. Bevorzugt handelt es sich bei einer entsprechenden Nahfeldkommunikationsschnittstelle (NFC Schnittstelle) um eine standardisierte Schnittstelle, z.B. eine Bluetooth- bzw. eine Bluetooth Low Energy- (BLE) Schnittstelle. Unter Verwendung einer entsprechenden App sind die Feldgeräte dann mittels handelsüblicher Kommunikationstools (Smartphone, Tablet, Laptop, ...) bedienbar.
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Die einwandfreie Funktion der Feldgeräte bzw. aller an ein Feldbussystem angeschlossenen Einheiten ist von entscheidender Bedeutung für einen reibungslosen und sicheren Prozessablauf in einem Unternehmen. Störungen im Prozessablauf aufgrund von Fehlfunktionen einzelner Feldgeräte können erhebliche Kosten verursachen.
Um eine einwandfreie Funktion der Feldgeräte sicherzustellen, werden diese in regelmäßigen Abständen, sog. Serviceintervallen, überprüft. Im Rahmen dieser regelmäßigen Servicearbeiten, die normalerweise von einem Servicetechniker ausgeführt werden, werden Verschleißteile ausgetauscht und besonders fehleranfällige Komponenten im Detail überprüft.
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In bestimmten Fällen, z. B. wenn wichtige Funktionsteile eines Feldgerätes repariert oder ausgetauscht werden müssen, ist eine erneute Kalibrierung des entsprechenden Feldgeräts notwendig. Eine Neu-Kalibrierung ist auch dann angebracht, wenn ein Feldgerät physikalisch beschädigt ist und/oder das Kalibriersiegel verletzt wurde.
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Feldgeräte besitzen weiterhin Diagnosefunktionen, die die Notwendigkeit einer Neu-Kalibrierung frühzeitig melden. Feldgeräte mit integrierter Predicitive Maintenance Funktion nutzen üblicherweise statistische oder physikalische Modelle, um Aussagen darüber zu machen, zu welchem Zeitpunkt ein Serviceeinsatz erforderlich wird.
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Aus der
EP 1743226 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Länge von Serviceintervallen für Feldgeräte der Automatisierungstechnik bekannt geworden. Bei dem bekannten Verfahren wird für ein Feldgerät oder für einen Typ eines Feldgerätes ein definiertes Serviceintervall vorgegeben. Das vorgegebene Serviceintervall wird dadurch festgelegt, dass gerätespezifische Parameter und anwendungsspezifische Parameter des Feldgerätes mittels Vorgabelisten ausgewählt und einer Recheneinheit zugeführt werden. Anhand der eingegebenen Parameter wird die Länge des Serviceintervalls für das vorgegebene Feldgerät bzw. den vorgegebenen Feldgerätetyp mit Hilfe eines auf der Rechnereinheit ablaufenden Computerprogramms bestimmt und ausgegeben. Die gewonnenen Serviceinformationen für das Feldgerät oder für den Typ des Feldgeräts werden statistisch ausgewertet, und aufgrund der Auswertung der entsprechenden Daten der Serviceinformationen wird ermittelt, ob eine Anpassung des vorgegebenen Serviceintervalls erforderlich ist. So wird das das Serviceintervall, also die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Serviceeinsätzen, beibehalten oder unter Umständen verlängert, wenn ein gewisser Prozentsatz der Daten der Serviceinformationen innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt; das Serviceintervall wird verkleinert wird, wenn ein gewisser Prozentsatz der Daten der Serviceinformationen außerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs liegt. Die getroffenen Aussagen gelten immer für ein Feldgerät oder einen bestimmten Feldgerätetyp. Eine vorausschauende Aussage für eine Vielzahl unterschiedlicher Feldgeräte, die beispielsweise in einer Automatisierungsanlage integriert sind, ist zwar möglich, aber sehr aufwändig. Darüber hinaus werden die tatsächlichen Bedingungen im Prozess oder in der Umgebung des Prozesses bei der bekannten Lösung nicht berücksichtigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorausschauende Aussage bezüglich der Länge eines Service-Intervalls und/oder der Restlebensdauer eines beliebigen Feldgeräts zu machen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung der Zeitspanne bis zur nächsten Wartung/Kalibrierung und/oder zur Ermittlung der Restlebensdauer eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- Bereitstellen von Kalibrierdaten, Parametrierdaten, Messdaten und/oder Betriebsdaten, von Fehlermeldungen und/oder Ausfallmeldungen einer Vielzahl von Feldgeräten, die in zumindest einer Automatisierungsanlage an definierten Messpositionen angeordnet sind und die jeweils zumindest eine physikalische oder chemische Prozessgröße zumindest eines Mediums bestimmen oder überwachen, wobei jedes der Feldgeräte -abgestimmt auf die jeweilige Mess- oder Überwachungsfunktion in der jeweiligen Applikation mit spezifischen Parametrierdaten parametriert ist,
- Bereitstellen von Umgebungsinformationen, denen jedes der Feldgeräte an seiner Messposition ausgesetzt ist,
- Abspeichern der bereitgestellten Daten zu jedem der Feldgeräte in einem zentralen Datenspeicher,
- Klassifizieren bzw. Einordnen der Vielzahl der unterschiedlichen Feldgeräte in Klassen entsprechend der Häufigkeit von auftretenden Fehlermeldungen und/oder Ausfallmeldungen und von durchgeführten Wartungsarbeiten in Abhängigkeit von den Messdaten und/oder Betriebsdaten der Feldgeräte, den Kalibrierdaten der Feldgeräte und den bereitgestellten Umgebungsinformationen aus der Umgebung der Messpositionen der Feldgeräte.
- Ermitteln der Zeitspanne bis zur nächsten an einem der Feldgeräte durchzuführenden Wartung oder Ermitteln der Restlebensdauer des Feldgeräts basierend auf der Klassifizierung der Vielzahl der Feldgeräte unter Zuhilfenahme zumindest eines mathematischen Modells.
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Was unter Feldgeräten im Zusammenhang mit der Erfindung zu verstehen ist, wurde bereits in der Beschreibungseinleitung dargelegt. Auf eine Wiederholung wird verzichtet. Als Umgebungsinformationen werden insbesondere physikalische oder chemische Prozessgrößen/Prozessvariablen herangezogen, die Einfluss auf das Feldgerät, insbesondere auf die Alterung des Feldgeräts haben. Die Umgebungsinformationen sind quantitativ und/oder qualitativ bestimmbar. Quantitativ bedeutet hierbei, dass die Größen von Messgeräten gemessen werden; qualitativ bedeutet, dass ihre Auswirkungen auf die Feldgeräte hinreichend genau bestimmt werden. Als Beispiel kann hier eine zeitweise betriebene Pumpe genannt werden, die während des Betriebs leichte, mittlere oder starke Vibrationen verursacht.
Weiterhin können die Informationen die Beschaffenheit des Mediums betreffen, die Dimensionen und die Positionen der Innenbauten in einem Behälter (z.B. bei einem Radar-Füllstandsmessgerät), usw. Jedes der Feldgeräte ist z.B. über eine eindeutige Kennzeichnungsnummer definiert.
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Bei der Bereitstellung der Information über die Service-Intervalle der Feldgeräte werden also sowohl gerätespezifische Informationen, wie Messwerte, Betriebswerte - also alle mit einem Feldgerät ausgelieferten technischen Informationen -, Kalibrierdaten, Fehlermeldungen also auch Informationen über den Prozess bzw. die Anwendung/Applikation, in der das Feldgerät montiert ist, erfasst, sofern sie Auswirkungen auf die Serviceintervalle oder die Restlebensdauern der Feldgeräte haben können. Die Daten/Informationen können beispielsweise Umgebungstemperaturen an den Messorten oder Temperaturen der Messmedien sein, ebenso Umgebungsdrücke oder Prozessdrücke der Messmedien. Sind die Feldgeräte im Freien montiert, können Wetterdaten aus dem Internet herangezogen werden. Weiterhin sind u.U. die chemische Zusammensetzung der Umgebungsatmosphären der Feldgeräte von Interesse. Gleiches gilt für Informationen bezüglich Vibrationen/Erschütterungen, Luftfeuchte, UV-Einstrahlung, Strahlenbelastung, usw. an den Messorten der Feldgeräte. Einen erheblichen Einfluss kann natürlich auch die Beschaffenheit des Mediums selbst haben; so spielen mitunter der pH-Wert, die Aggressivität oder die Abrasivität des Mediums eine wichtige Rolle.
Allgemein gesprochen werden als Umgebungsinformationen insbesondere physikalische oder chemische Prozessvariablen/Prozessgrößen herangezogen, die Einfluss auf die Alterung und/oder die metrologischen Eigenschaften, also die Messeigenschaften, der Feldgeräte haben.
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Erfindungsgemäß werden die einzelnen Umgebungseinflüsse (Stressparameter) und Geräteparameter, die Auswirkungen auf die Lebensdauer und/oder die Serviceintervalle der Feldgeräte haben, ermittelt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich die Serviceintervalle optimal an das jeweilige Feldgerät oder den jeweiligen Feldgerättyp und an die am Messort herrschenden Umgebungsbedingungen anpassen. Die gelieferten Information sind in hohem Maße zuverlässig und belastbar. Einem Anlagenbetreiber können verlässliche Informationen bezüglich der Wartungsintervalle oder des Austauschs von Feldgeräten oder Feldgerätekomponenten gemacht werden, wodurch die Planungssicherheit auf Seiten des Betreibers, aber ebenso auch auf Seiten des Herstellers der Feldgeräte erhöht wird. Ein Stillstand einer Automatisierungsanlage wird sehr unwahrscheinlich, da Feldgeräte rechtzeitig vor einer Fehlfunktion oder einem Totalausfall ausgetauscht oder gewartet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die bereitgestellten Daten mit einem Zeitstempel versehen in der Datenbank abgespeichert. Hierdurch werden auch Änderungen der erfassten Daten/Informationen über die Zeit ersichtlich und können bei der Ermittlung der Serviceintervalle oder der Restlebensdauer berücksichtigt werden.
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Bevorzugt wird die Datenbank, in der die Daten der Feldgeräte und die Umgebungsinformationen aus der Umgebung der Feldgeräte abgespeichert werden, einer Cloudanwendung, einem Edge Device, das insbesondere die Kommunikation zwischen den in einem definierten Bereich einer Automatisierungsanlage angeordneten Feldgeräten und zumindest einem externen Server sicherstellt, einem der Feldgeräte oder einem lokalen Server zugeordnet.
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Im Rahmen von „Industrial Internet of Things (IIoT)“ und „Industrie 4.0“ gewinnen cloudfähige Datenbanken zur Speicherung und Verarbeitung großer Datenmengen (Big Data), die aus industriellen Automatisierungsanlagen stammen, zunehmend an Bedeutung. Als cloudfähige Datenbank wird eine Datenbank bezeichnet, die kompatibel zur Cloud-Computing-Technologie ist. Unter Cloud Computing wird in diesem Fall das Verarbeiten und Speichern von Informationen und das Zugreifen auf die gespeicherten Informationen über das Internet verstanden.
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Zum Zugriff auf eine cloudfähige Datenbank und zum Austausch der Daten werden sogenannte Schnittstellen zur Anwendungsprogrammierung (engl.: „Application Programm Interface“, kurz „API“) verwendet. Diese definieren die erlaubten Befehle und Zugriffsarten auf die cloudfähige Datenbank. Vor dem Zugriff verlangt die API eine Authentifikation des Benutzers. Diese Authentifikation wird üblicherweise über einen Schlüssel (einen sogenannten „API key“) realisiert.
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Obwohl die cloudfähige Datenbank als bevorzugte Lösung gelten darf, ist es natürlich auch möglich, dass die „zentrale“ Datenbank einem Edge Device, einem der Feldgeräte oder einem lokalen Server zugeordnet ist. Ein Edge Device stellt übrigens insbesondere die Kommunikation zwischen den in einem definierten Raumbereich einer Automatisierungsanlage angeordneten Feldgeräten und zumindest einem internen oder externen Server sicher. Es hat also die Funktion eines zwischengeschalteten Datensammlers und ggf. Übersetzers von einem Kommunikationsprotokoll auf ein anderes, z.B. zwischen einem Feldbusprotokoll und einem Internet-/Intranet-Protokoll.
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Als vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens erachtet, wenn das mathematische Modell unter Zuhilfenahme der Methoden der Künstlichen Intelligenz erstellt wird. Bevorzugt wird das mathematische Modell unter Verwendung der Methode des Machine Learning oder zumindest eines neuronalen Netzes erstellt. Alternative Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erstellen das mathematische Modell unter Verwendung der Nearest Neighbor Methode, unter Verwendung von Entscheidungsbäumen und/oder unter Verwendung einer Support Vector Machine. Weitere Varianten, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung einsetzbar sind, sind die Methoden der Linear oder Nonlinear Regression, Ensembles, Naive Bayes oder Logistic Regression. Bevorzugt erfolgt die Erstellung des mathematischen Modells zur Bestimmung der Serviceintervalle oder der Restlebensdauer in einer Cloudanwendung.
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Unterschiedliche Möglichkeiten zur Datenkommunikation von Feldgeräten sind bereits an vorhergehender Stelle genannt worden. Die Übertragung der ermittelten Daten, die Bereitstellung der Information über die Restlebensdauer oder den Zeitpunkt der nächsten Wartung des Feldgeräts können je nach Ausgestaltung der Feldgeräte drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Findet eine Cloudlösung Anwendung und haben die Feldgeräte geeignete Schnittstellen, so ist ein direkter Datenaustausch über Internet/Intranet möglich. Andernfalls kommt ein Edge Device zum Einsatz.
Aus Sicherheitsgründen erfolgt die Übertragung der bereitgestellten Daten oder der Information über die Restlebensdauer oder den Zeitpunkt der nächsten Wartung der Feldgeräte verschlüsselt.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Verfahrensschritte des Verfahrens zyklisch oder iterativ wiederholt werden, so dass aufgrund nachfolgend bereitgestellter Daten das mathematische Modell und die Vorhersagen bezüglich der Restlebensdauer eines jeden Feldgeräts oder bezüglich des Zeitpunkts der nächsten Wartung eines Feldgeräts verifiziert und/oder angepasst werden können.
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Anhand der bereitgestellten Daten und der über das mathematische Modell generierten Vorhersagen bezüglich der Restlebensdauer eines Feldgeräts oder bezüglich des Zeitpunkts der nächsten Wartung des Feldgeräts wird von dem mathematischen Modell bevorzugt zumindest eine der folgenden Handlungsempfehlungen generiert und ausgegeben:
- - Optimierung des Prozesses, in dem das Feldgerät /die Feldgeräte angeordnet sind - hier könnte z.B. als Handlungsempfehlung eine verkürzte Zeitspanne bis zur nächsten Reinigung der Rohrleitung, in der sich das Messmedium befindet, gegeben werden;
- - Optimierung der Produktionsplanung in der Automatisierungsanlage, in der das Feldgerät/die Feldgeräte installiert sind - da die Standzeiten hinreichend genau bekannt sind, können frühzeitig Ersatzbestellungen getätigt werden;
- - Festlegung von spezifischen Wartungsintervallen für das Feldgerät/die Feldgeräte in Abhängigkeit von der jeweiligen Klassenzuordnung,
- - Festlegung von spezifischen Kalibrierintervallen für das Feldgerät/die Feldgeräte in Abhängigkeit von ihrer Klassenzuordnung,
- - Festlegung eines Zeitpunkts für den Austausch des Feldgeräts.
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Die Erfindung wird anhand der 1 näher erläutert. 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Visualisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Zeitspanne dt bis zur nächsten Wartung/Kalibrierung und/oder zur Ermittlung der Restlebensdauer RT von Feldgeräten 1 der Automatisierungstechnik.
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Die Feldgeräte 1 können in einer Automatisierungsanlage AL installiert sein, sie können jedoch auch in unterschiedlichen Automatisierungsanlagen AL, ggf. in weltweit verteilten Automatisierungsanlagen AL, installiert sein. Jedes der Feldgeräte 1 ist so ausgelegt, dass es zumindest eine physikalische oder chemische Prozessgröße/Prozessvariable eines Messmediums 2 über ein entsprechend ausgestaltetes Sensorelement erfasst und unter Verwendung eines definierten Messalgorithmus' bestimmt oder überwacht.
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Feldgerätedaten I, wie z.B. Kalibrierdaten, Parametrierdaten, Messdaten und/oder Betriebsdaten, Fehlermeldungen und/oder Ausfallmeldungen einer Vielzahl von Feldgeräten 1, die an definierten Messpositionen MPn angeordnet sind und die jeweils zumindest eine physikalische oder chemische Prozessgröße zumindest eines Messmediums 2 bestimmen oder überwachen, werden bereitgestellt. Jedes der Feldgeräte 1 ist -abgestimmt auf die jeweilige Mess- oder Überwachungsfunktion in der jeweiligen Anwendung- mit spezifischen Parametrierdaten parametriert. Zumindest die Messdaten, Kalibrier- und Parametrierdaten können üblicherweise von den Feldgeräten 1 direkt bereitgestellt gestellt werden; anderweitige Daten, insbesondere Betriebsdaten, Ausfallmeldungen oder Fehlermeldungen, sind bevorzugt über eine Datenbank via Internet beziehbar. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet hinsichtlich seiner Vorhersagen umso exakter je größer und diversifizierter die zur Verfügung stehende Datenbasis ist.
Neben den Feldgerätedaten I werden Umgebungsinformationen A bereitgestellt, denen jedes der Feldgeräte 1 an seiner jeweiligen Messposition MP ausgesetzt ist.
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Alle bereitgestellten Daten I, A werden in einem zentralen Datenspeicher DB abgespeichert und klassifiziert. Die Klassifizierung bzw. Einordnung der Vielzahl der Daten der Feldgeräte 1 erfolgt in Klassen Kn entsprechend der Häufigkeit von auftretenden Fehlermeldungen und/oder Ausfallmeldungen und von durchgeführten Wartungsarbeiten in Abhängigkeit von den Feldgerätedaten I der einzelnen Feldgeräte 1 und den bereitgestellten Umgebungsinformationen A aus der Umgebung der jeweiligen Messposition MPn der Feldgeräte 1. Eine Klassifizierung könnte beispielsweise so aussehen: Eine definierte Ausführung eines Füllstandsmessgerät misst den Füllstand eines definierten Messmedium in einem definierten Behälter mit definierten Störeinbauten unter definierten Umgebungsbedingen.
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Anhand der Vielzahl der klassifizierten Daten wird anschließend die Zeitspanne dt bis zur nächsten an den einzelnen Feldgeräten 1 durchzuführenden Wartungen ermittelt. Additiv oder alternativ wird werden die Restlebensdauern RT der einzelnen Feldgeräte 1 ermittelt. Die Ermittlungen erfolgen unter Zuhilfenahme zumindest eines mathematischen Modells MM. Aufgrund der Komplexität der Berechnungen wird basierend auf der Klassifizierung der Vielzahl der Feldgeräte 1 eine der bekannten Berechnungsmethoden der Künstlichen Intelligenz verwendet. Beispiele wurden bereits an vorhergehender Stelle genannt.
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Auf Anfrage durch ein Bedientool BT (Mobile Phone oder Pad, Laptop, ...) werden dem Servicepersonal die ermittelten Daten über die einzelnen in einer Anlage AL installierten Feldgeräte 1 zur Verfügung gestellt. Es werden Empfehlungen vermittelt, wann der nächste Serviceeinsatz bei welchem Feldgerät 1 erfolgen muss; ebenso werden Informationen über die Restlebensdauer RT eines jeden der installierten Feldgeräte 1 zur Verfügung gestellt. Bevorzugt erfolgt bereits eine Clusterung, z.B. bei welchen Feldgeräte 1 innerhalb von 30 Tagen eine Wartung erforderlich ist. Auf diese Weise ist der fortlaufende Betrieb einer Automatisierungsanlage AL sichergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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