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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme für die Kombinatorik von digitalen Ausgangsdaten zur autonomen Ermittlung von Prozesszyklen und zur automatischen Identifikation von einzelnen Prozessschritten.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes.
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Technischer Hintergrund
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Die Energiedatenerfassung ist ein gängiges Mittel, um den Energieverbrauch von Anlagen oder auch nur Anlagenteilen beispielsweise einer technischen Produktionsanlage zu ermitteln.
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Ziel ist häufig mit möglichst wenigen Messmitteln auf den Verbrauch einzelner Anlagenteile der technischen Produktionsanlage zu schließen, und sogar Anomalien von einzelnen Verbrauchern durch Abweichungen der momentanen Verbrauchswerte von Sollwerten oder Erfahrungswerten zu ermitteln.
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Hier sind die Methoden, insbesondere die Mathematik, sehr komplex und die darauf basierenden Methoden sind häufig nicht allgemein für jegliche Realprobleme anwendbar.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes breitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung und eine Auswertungseinrichtung.
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Die Messeinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Vielzahl von Abfolgen von Schaltzuständen einer Vielzahl von Ein- und Ausgangssignalen des Steuergerätes zu erfassen.
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Die Auswertungseinrichtung ist dazu ausgebildet, in der erfassten Vielzahl der Abfolgen der Schaltzustände der Vielzahl der Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes eine Kombinatorik zu ermitteln und basierend auf der ermittelten Kombinatorik die von dem Steuergerät durchgeführten Prozessschritte zu bestimmen.
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In der Automatisierungstechnik ist es üblich, einzelne Verbraucher und Aktoren über digitale Ausgänge anzusteuern. Diese Ausgänge kann man unabhängig vom Steuerungsprogramm abgreifen und analysieren.
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Jeder Prozessschritt wird eine andere Datenumformung und/oder -transformation der Eingangsdaten zu den Ausgangsdaten aufweisen. Jede unterschiedliche Datenumformung und - transformation weist folglich auf die Verwendung und Durchführung von unterschiedlichen Prozessschritten hin.
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Wiederholen sich beispielsweise die Abfolgen der Prozessschritte, so kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft dadurch auch den Zyklus der Automatisierungslösung identifizieren, etwa wenn sich auch entsprechende, nachweisebare Datenumformungen und Datentransformationen in den Ausgangsdaten oder Schaltzuständen zeigen und von der Auswertungseinrichtung identifiziert und erfasst werden.
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Dies kann unabhängig von der Programmierung und ohne Zutun eines Experten für die Automatisierungslösung durch eine automatisierte Abfrage erfolgen. Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Verfahren ist daher unabhängig von der Anwendung und ohne spezielle Kenntnisse der Automatisierungsaufgabe nachrüstbar.
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Mit dieser Methode bekommt man in Verbindung mit Energiedaten ein klares Bild über die Energieverbräuche der einzelnen Prozessschritte und kann bessere Rückschlüsse auf die Energieverbrauchswerte der im einzelnen Prozessschritt beteiligten Verbraucher ziehen und entsprechende Verbrauchsdaten ermitteln.
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Durch die automatische Identifizierung der Prozessschritte und die automatische Identifikation der Prozesszyklen bekommt der Betreiber bei Nachrüstung eines hier beschriebenen Messsystems nach der Einrichtungsphase einen Vorschlag für die vom Steuergerät durchgeführten Prozesszyklen und die entsprechenden Prozessphasen, welche anhand der erfolgreichen automatisierten Identifikation individuell bezeichnet werden können.
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Abweichungen im Prozess können somit genau auf Prozessschritte und beteiligte Verbraucher zurückverfolgt und identifiziert werden und auch angezeigt werden. Damit wird eine zustands- und/oder betriebsabhängige Wartung und auch eine prädiktive Wartung möglich.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, eine Kombinatorik von digitalen Ein- und/oder Ausgangsdaten zu bestimmen zur autonomen Ermittlung von Prozesszyklen und von einzelnen Prozessschritten eines Steuergerätes zu verwenden, um einen Energieverbrauch einer mit dem Steuergerät gesteuerten Produktionsanlage zu analysieren und zu minimieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf der ermittelten Kombinatorik mindestens einen Prozesszyklus zu ermitteln, wobei der mindestens eine Prozesszyklus eine Vielzahl der von dem Steuergerät durchgeführten Prozessschritte umfasst.
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Dies ermöglicht vorteilhaft auch Voraussagen über die gesamte Automatisierungslösung wie vom Steuergerät verwendet bereitzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes Schaltzustände von Ein- und Ausgängen des Steuergerätes umfassen. Dies ermöglicht vorteilhaft Schaltzustände zu berücksichtigen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner dazu ausgebildet ist, mit digitalen und/oder analogen Ein- und Ausgängen des Steuergerätes gekoppelt zu werden. Dies ermöglicht vorteilhaft, eine spätere Nachrüstung von bereits verwendeten Steuergeräten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, mindestens eine Abfolge der erfassten Vielzahl der Abfolgen der Schaltzustände der Vielzahl der Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes mit in einer Datenbankeinrichtung abgespeicherten Ein- oder Ausgangsdatenabfolgen zu vergleichen, wobei jede abgespeicherte Ein- oder Ausgangsdatenabfolge einem vorbestimmten Prozessschritt des Steuergerätes zuordenbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die ermittelten Kombinatorik mit einer Vielzahl an in einer Datenbankeinrichtung abgespeicherten Ein- oder Ausgangsdatenkombinatoriken zu vergleichen, wobei jede abgespeicherte Ein- oder Ausgangsdatenkombinatorik einem vorbestimmten Prozessschritt des Steuergerätes zuordenbar ist. Dies ermöglicht vorteilhaft, eine gespeicherte Vielzahl von bereits ermittelten Prozesszyklen und zugehörigen Schaltzuständen mit momentan erfassten Abfolgen von Schaltzuständen einer Vielzahl von Ein- und Ausgangssignalen des Steuergerätes zu vergleichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand der ermittelten Kombinatorik eine Automatisierungslösung des Steuergerätes zu ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten Vielzahl der Abfolgen der Schaltzustände der Vielzahl der Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes einen Gesamtenergieverbrauch von mit dem Steuergerät gekoppelten elektrischen Verbrauchern zu ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Gesamtenergieverbrauch der mit dem Steuergerät gekoppelten elektrischen Verbrauchern anhand von Einzelenergieverbrauchswerten der mit dem Steuergerät gekoppelten elektrischen Verbrauchern und anhand von Betriebsintervallen der elektrischen Verbraucher zu ermitteln, wobei die Auswertungseinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, die Betriebsintervalle der elektrischen Verbraucher aus den Abfolgen der Schaltzustände der Vielzahl der Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes zu ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die bestimmten und von dem Steuergerät durchgeführten Prozessschritte zu speichern und im Falle einer Softwareaktualisierung des Steuergerätes die abgespeicherten Prozessschritte an das Steuergerät zu übertragen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf den abgespeicherten Prozessschritten eine automatisch generierte Bezeichnung für die Prozessschritte zu erzeugen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner eine Anzeigeneinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die automatisch generierte Bezeichnung für die Prozessschritte anzuzeigen; und/oder wobei die Vorrichtung ferner dazu ausgebildet ist, die automatisch generierte Bezeichnung für die Prozessschritte an das Steuergerät zu übermitteln.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes vorgesehen, wobei das Verfahren folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Als ein erster Verfahrensschritt erfolgt ein Erfassen von einer Vielzahl von Abfolgen von Schaltzuständen einer Vielzahl von Ein- und Ausgangssignalen des Steuergerätes mittels einer Messeinrichtung.
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Als ein zweiter Verfahrensschritt erfolgt ein Ermitteln einer Kombinatorik in der erfassten Vielzahl der Abfolgen der Schaltzustände der Vielzahl der Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes mittels einer Auswertungseinrichtung.
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Als ein dritter Verfahrensschritt erfolgt ein Bestimmen der von dem Steuergerät durchgeführten Prozessschritte basierend auf der ermittelten Kombinatorik mittels der Auswertungseinrichtung.
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Nach einem dritten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, dass die Schritte des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt oder einer beliebigen Ausführungsform des zweiten Aspektes ausgeführt werden.
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Nach einem vierten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt oder einer beliebigen Ausführungsform des zweiten Aspektes ausgeführt werden.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der vorliegenden Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsformen beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermitteln.
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Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der vorliegenden Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Figuren der Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Figuren der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 2: eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3: eine schematische Darstellung eines Hardware-Aufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 4: eine schematische Darstellung von einer Web-Basierten Benutzeroberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Der Begriff „Kombinatorik“ wie von der vorliegenden Erfindung verwendet bezeichnet beispielsweise endliche oder abzählbar unendliche diskrete Strukturen innerhalb der erfassten Abfolgen von Schaltzuständen. Mit anderen Worten, eine oder mehrere Abfolgen von Schaltzuständen werden nach einem Muster wiederholt, d.h. einem Prozess des mehrfachen Wiederholens gleicher oder ähnlicher Prozessschritte.
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Der Begriff „Schaltzustand“ wie von der vorliegenden Erfindung verwendet bezeichnet beispielsweise das Arbeitsprinzip eines Schalters, das heißt eine Betätigung eines Schalters führt beispielsweise zu einem Schaltzustand offen oder geschlossen.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung 100 umfasst eine Messeinrichtung 10 und eine Auswertungseinrichtung 20. Die Vorrichtung 100 kann mit einem Steuergerät 1000 gekoppelt werden.
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Die Messeinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, eine Vielzahl von Abfolgen von Schaltzuständen einer Vielzahl von Ein- und Ausgangssignalen des Steuergerätes 1000 zu erfassen.
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Die Auswerteeinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, in der erfassten Vielzahl der Abfolgen der Schaltzustände der Vielzahl der Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes 1000 eine Kombinatorik zu ermitteln.
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Ferner ist die Auswertungseinrichtung 20 dazu ausgebildet, basierend auf der ermittelten Kombinatorik die von dem Steuergerät 1000 durchgeführten Prozessschritte zu bestimmen
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht eine automatische Identifizierung und Analyse der von einem Steuergerät durchgeführten Prozessschritte und/oder Prozesszyklen bereitzustellen.
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Die Messeinrichtung 10 ist beispielsweise als eine Messvorrichtung zum Detektieren eines Ein- oder Ausgangssignals ausgebildet.
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Die Auswerteeinrichtung 20 ist beispielsweise dazu ausgebildet, ein Zuordnen von digitalen repräsentativen Daten zu den von einem Steuergerät 1000 durchgeführten Prozessschritte und/oder Prozesszyklen vorzunehmen.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zur automatischen Ermittlung von Prozessschritten eines Steuergerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Als ein erster Verfahrensschritt erfolgt ein Erfassen S1 von einer Vielzahl von Abfolgen von Schaltzuständen einer Vielzahl von Ein- und Ausgangssignalen des Steuergerätes mittels einer Messeinrichtung 10.
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Als ein zweiter Verfahrensschritt erfolgt ein Ermitteln S2 einer Kombinatorik in der erfassten Vielzahl der Abfolgen der Schaltzustände der Vielzahl der Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes mittels einer Auswertungseinrichtung.
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Als ein weiterer, dritter Verfahrensschritt erfolgt ein Bestimmen S3 der von dem Steuergerät durchgeführten Prozessschritte basierend auf der ermittelten Kombinatorik mittels der Auswertungseinrichtung 20.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Hardware-Aufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Der in der 3 gezeigte Hardware-Aufbaus stellt einen Aufbau eines Steuergerätes gekoppelt mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
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Ein Energiemessgerät EMM wird mit einem Cloud-Gateway IOT-GW und digitalem Eingangsmodul DI/O zur Auswertung von Ausgangssignalen einer Steuerung bzw. eines Steuergerätes gekoppelt.
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Das Cloud-Gateway hat eine Schnittstelle zum Internet und Kommunikationsschnittstellen zu üblichen Bussystemen um auch mit einer Steuerung zu kommunizieren.
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Das ist notwendig, da nicht alle Verbraucher über physikalische 24V - Ausgange angesteuert werden, sondern auch direkt über ein BUS-System und somit virtuellen I/Os. Alle Daten werden in eine Cloud übertragen und kennen unabhängig von der Automatisierungslösung ausgewertet werden
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung von einer Web-Basierten Benutzeroberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der Visualisierung der Cloud-Daten werden Zykluszeit und einzelne Prozessphasen automatisch ermittelt, und können vom Betreiber individuell bezeichnet werden. In diesem Beispiel wird ein Prozesszyklus mit 8 Prozessschritten dargestellt. Die einzelnen Schritte wurden unterschiedlich bezeichnet und es sind jeweils unterschiedliche Verbraucher beteiligt. Eine Wiederholung der Abfolge der einzelnen Prozessschritte lässt auf die Länge des gesamten Zyklus schlieren.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung generiert beispielsweise gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Vorschlag für einen identifizierten Prozesszyklus und der Betreiber definiert daraus den Anfang und das Ende des von dem Steuergerät gesteuerten Prozesszyklus, bezeichnet die einzelnen Prozessschritte des Prozesszyklus, und ordnet den einzelnen Ausgängen des Steuergerätes die jeweiligen Verbraucher zu.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird wie in 4 dargestellt die Ausgangschaltung eines Schaltgerätes erfasst:
- Beispielsweise sei eine Bezeichnung der Prozessschritte wie folgt definiert:
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Die folgende dargestellte Abfolge von Schaltzuständen einer Vielzahl von Ein- und Ausgangssignalen des Steuergerätes kann beispielsweise wie folgt erfasst werden.
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Hier kann vom Betreiber die Kombination 0100 als Anfang und die Kombination 1000 als Ende definiert werden. Der dargestellte Prozess besitzt nur 4 Einzelschritte.
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Der zugehörige Energieverbrauch, Main power usage, ist in der 4 ebenfalls dargestellt.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht Produkte und Lösungen für eine predictive Maintenance. Produktionsanlage müssen hierbei nicht erst ausfallen, bevor sie repariert wurde. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass intelligente Systeme eine Störung schon, bevor sie auftritt erkennen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine energieeffiziente Produktion zu entwickeln.
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Ein ambitioniertes Teilziel ist die Disaggregation oder Aufschlüsselung von einzelnen Verbrauchern ausschließlich aus der Analyse des Gesamtenergieverbrauchs von Mischlasten.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
