DE102019208922A1 - Method and device for controlling a production process - Google Patents
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Abstract
Verfahren (10) zum Kontrollieren eines Produktionsprozesses (20), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- im ersten Prozessschritt (Mk) werden erste Messwerte(xiMk)und im zweiten Prozessschritt (Mj) zweite Messwerte(xiMj)erfasst (11),- mit den ersten Messwerten(xiMk)und zweiten Messwerten(xiMj)wird durch unüberwachtes Lernen ein probabilistisches Modell trainiert (12) und- anhand des Modelles werden im Produktionsprozess (20) auftretende Qualitätsmängel in einem laufenden Produktionsbetrieb fallweise erkannt (13).Method (10) for controlling a production process (20), characterized by the following features: - in the first process step (Mk) first measured values (xiMk) and in the second process step (Mj) second measured values (xiMj) are recorded (11), - with the First measured values (xiMk) and second measured values (xiMj), a probabilistic model is trained by unsupervised learning (12) and - on the basis of the model, quality defects occurring in the production process (20) are recognized on a case-by-case basis (13).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren eines Produktionsprozesses. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.The present invention relates to a method for controlling a production process. The present invention also relates to a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.
Stand der TechnikState of the art
Als Produktionsprozess wird in der Produktionswirtschaft jedwede standardisierte Fertigungsmethode bezeichnet, mit der beispielsweise in einem Industriebetrieb durch maschinelle oder manuelle Be- und Verarbeitung von Rohstoffen oder Zwischenprodukten ein verwertbares Produkt hervorgebracht wird. Die in einem derartigen Produktionsprozess mit Qualitätsmängeln behafteten Endprodukte, Fertigerzeugnisse, Halbfabrikate, Zwischenprodukte, Werkstoffe oder Werkstücke werden als Fehlproduktion oder Ausschuss (defect production) bezeichnet.In the production industry, any standardized manufacturing method is referred to as a production process, with which, for example in an industrial company, a usable product is produced through mechanical or manual processing of raw materials or intermediate products. The end products, finished products, semi-finished products, intermediate products, materials or workpieces that are afflicted with quality defects in such a production process are referred to as defective production.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Kontrollieren eines Produktionsprozesses, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.The invention provides a method for controlling a production process, a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium according to the independent claims.
Das vorgeschlagene Verfahren fußt auf der Erkenntnis, dass eine typische Produktionskette bereits mit verschiedenen Sensoren ausgestattet ist oder mit vertretbarem Aufwand mit derlei Sensoren ausgestattet werden kann. Deren Messwerte können genutzt werden, um ein prädiktives Modell zu trainieren, dass die Produktqualität vorhersagt. Das Training eines solchen Modelles erfolgt herkömmlicherweise im Wege des sogenannten überwachten Lernens (supervised learning) und benötigt daher Trainingsdatensätze, deren erklärte oder Zielvariablen (labels) die resultierende Qualität des Produktes angeben.The proposed method is based on the knowledge that a typical production chain is already equipped with different sensors or can be equipped with sensors of this type with reasonable effort. Their measured values can be used to train a predictive model that predicts product quality. The training of such a model is conventionally carried out by means of so-called supervised learning and therefore requires training data sets whose declared or target variables (labels) indicate the resulting quality of the product.
Der nachfolgend beschriebene Ansatz trägt dem Umstand Rechnung, dass mitunter keine derartige Datenbasis vorliegt, zumal letztere in der Regel spezifisch auf eine Produktart bezogen ist. Hinzu kommt, dass gattungsmäßige Sensoren typischerweise für eine Regelung, nicht aber für eine Qualitätskontrolle eingerichtet sind. Dies bedeutet, dass selbst dann, wenn Labels erstellt werden, die Messwerte nicht zwingend mit diesen Labels korrelieren. Die vorhandenen Sensoren könnten für eine Qualitätskontrolle vielmehr nutzlos sein. Für eine datenbasierte Qualitätskontrolle nach dem Stand der Technik müssen daher oft zusätzliche Sensoren angebracht werden, z. B. Kameras, Beschleunigungs- oder Kraftsensoren.The approach described below takes into account the fact that there is sometimes no such database, especially since the latter is usually specific to one type of product. In addition, generic sensors are typically set up for regulation, but not for quality control. This means that even if labels are created, the measured values do not necessarily correlate with these labels. The existing sensors could rather be useless for quality control. For a data-based quality control according to the state of the art, additional sensors must therefore often be attached, e.g. B. cameras, acceleration or force sensors.
Einer Ausführungsform der Erfindung liegt somit die Einsicht zugrunde, dass eine hundertprozentige Qualitätskontrolle mittels klassischer Methoden in der Regel nicht möglich ist. Insbesondere die Prüfung der Qualität nach jedem einzelnen Prozessschritt ist besonders aufwendig und nicht wirtschaftlich. Zwar sind die einzelnen Maschinen mit Sensoren ausgestattet, aber diese sind für die Regelung und nicht für die Qualitätskontrolle ausgelegt. Die gemessenen Werte lassen nicht unbedingt eine Aussage über die Produktqualität zu. Außerdem ist es oft nicht wirtschaftlich, die Daten mit Qualitätslabeln zu versehen, da dies zeitaufwendig sein kann, Expertenwissen und teilweise sogar Fehlproduktionen erfordert.One embodiment of the invention is thus based on the insight that one hundred percent quality control using classical methods is generally not possible. In particular, checking the quality after each individual process step is particularly time-consuming and not economical. The individual machines are equipped with sensors, but these are designed for regulation and not for quality control. The measured values do not necessarily allow a statement about the product quality. In addition, it is often not economical to provide the data with quality labels, as this can be time-consuming, requires expert knowledge and sometimes even incorrect productions.
Die vorgeschlagene Lösung geht vor diesem Hintergrund von einem Fertigungsprozess aus, in dem mehrere Prozessschritte in Reihe oder parallelgeschaltet sind. Die Maschinen bzw. die Prozessschritte benutzen hierbei verschiedene Sensoren für die Regelung. Die nachfolgenden Ausführungen beschreiben, wie man mit den existierenden Sensordaten mögliche Abweichungen vom normalen Produktionsverhalten der Prozessschritte erkennt. Die Methode kann feststellen, welcher Prozessschritt vom vorgesehenen Normalverhalten abweicht und damit die Gesamtqualität gefährdet. Zusätzlich wird für jedes einzelne Produkt eine Wahrscheinlichkeit errechnet, die auf einzelne Produkte hinweist, die möglicherweise mangelhaft sind und aussortiert werden.Against this background, the proposed solution is based on a manufacturing process in which several process steps are connected in series or in parallel. The machines or the process steps use different sensors for the control. The following explanations describe how to use the existing sensor data to identify possible deviations from the normal production behavior of the process steps. The method can determine which process step deviates from the intended normal behavior and thus endangers the overall quality. In addition, a probability is calculated for each individual product, which indicates individual products that may be defective and will be rejected.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt darin, dass ohnehin zur Regelung einzelner Prozessschritte bzw. Produktionsmaschinen vorhandene Sensoren für die Qualitätskontrolle genutzt werden können. Die hierzu verwendete Methode benötigt hierzu keine von Experten klassifizierten Trainingsdatensätze. Daher ist ihr Einsatz auch in der Produktion möglich, wo nach dem Stand der Technik nur die Qualität einer sehr kleinen Menge der Endprodukte geprüft werden kann. Eine Qualitätskontrolle von individuellen Prozessschritten ist hierbei typischerweise gar nicht vorgesehen, wird vom vorgestellten Ansatz aber ebenso ermöglicht, was wiederum einen Hinweis auf problematische einzelne Prozessschritte erlaubt.One advantage of this solution is that existing sensors can be used for quality control to control individual process steps or production machines. The method used for this does not require any of Experts classified training data sets. They can therefore also be used in production, where, according to the state of the art, only the quality of a very small amount of the end products can be checked. A quality control of individual process steps is typically not provided here, but is also made possible by the approach presented, which in turn allows an indication of problematic individual process steps.
Während bekannte Methoden eine unmittelbare Korrelation zwischen Messwerten und Qualität voraussetzen und die Abhängigkeiten zwischen Prozessen nicht berücksichtigen, funktioniert der nachfolgend vorgestellte Ansatz auch dann, wenn die individuellen Sensordaten nicht mit der Qualität korrelieren. Zusätzliche Sensoren, wie sie im Rahmen anderer Ansätze zur datenbasierten Qualitätskontrolle mitunter erforderlich sind, sind so verzichtbar. Selbst für neue Produkte muss nicht zwingend ein neues Modell trainiert werden, solange diese dieselbe Prozesskette durchlaufen.While known methods require a direct correlation between measured values and quality and do not take into account the dependencies between processes, the approach presented below also works if the individual sensor data do not correlate with the quality. Additional sensors, as they are sometimes required in the context of other approaches to data-based quality control, can be dispensed with. Even for new products, a new model does not necessarily have to be trained as long as they go through the same process chain.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich.The measures listed in the dependent claims enable advantageous developments and improvements of the basic idea specified in the independent claim.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 das Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. -
2 das Diagramm einer Produktionsprozesskette mit verschiedenen Prozessschritten. -
3 schematisch ein Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
1 the flow chart of a method according to a first embodiment. -
2 the diagram of a production process chain with various process steps. -
3 schematically a control device according to a second embodiment.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Ein Grundgedanke des vorgeschlagenen Verfahrens (
Die Abweichungen zwischen Vorhersage und tatsächlichem Messwert werden sodann genutzt, um einzelne mangelhafte Produkte auszusortieren oder um eine Notausschaltung (im Folgenden kurz „Not-Aus“) einzuleiten.The deviations between the prediction and the actual measured value are then used to sort out individual defective products or to initiate an emergency shutdown (hereinafter referred to as “emergency shutdown”).
Den Ausgangspunkt der folgenden Betrachtungen bildet eine aus mehreren Produktionsschritten bestehende Prozesskette, von denen mindestens zwei Prozessschritte zum Beispiel zum Zwecke der Regelung mit Sensoren überwacht werden. Bekannt sei ferner ein Layout, das beschreibt, wie die Prozessschritte voneinander abhängen. Vorausgesetzt sei ferner, dass in den einzelnen Prozessschritten erfasste Messdaten vorliegen und eine Kommunikation zumindest zwischen benachbarten Prozessschritten möglich ist, damit Sensordaten und Vorhersagen weitergegeben werden können.The starting point of the following considerations is a process chain consisting of several production steps, of which at least two process steps are monitored with sensors, for example for the purpose of control. A layout is also known that describes how the process steps depend on one another. A further prerequisite is that measurement data recorded in the individual process steps are available and communication is possible at least between adjacent process steps so that sensor data and predictions can be passed on.
In
Zum Zwecke der Regelung werden die Prozessschritte (M1, M2, M3) durch Sensoren überwachtet. Die - statistisch eine mehrdimensionale Zeitreihe variabler Länge bildenden - Messwerte für das Produkt i im Prozessschritt Mj seien im Folgenden mit
Für die in
Im laufenden Produktionsbetrieb wird das einmal trainierte Modell wie folgt genutzt: Die Steuerung von Mj kann das gelernte Modell ausführen. In Echtzeit bekommt sie die im Prozessschritt Mk erfassten Messwerte und vergleicht, ob die neuen Messwerte der prädizierten Verteilung
Grundsätzlich ist hierzu ein einziges Modell hinreichend. Dennoch kann die Effektivität des Verfahrens (
Im Produktionsbetrieb kann anstelle der Rohdaten
Das solchermaßen kodierte Signal wird sodann mit einem Schreiber (decoder), der ebenfalls eine rekurrente Architektur aufweist, wieder dekodiert. Dabei werden für jeden Zeitpunkt ein Mittelwert und eine Varianz vorhergesagt; das Modell ist somit probabilistisch. Seine Ausgabe ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. Das Modell wird hierauf trainiert, indem eine geeignete Bewertungsregel (proper scoring rule, scoring function) oder Plausibilitätsfunktion (likelihood function) optimiert wird.The signal encoded in this way is then decoded again with a writer (decoder) which also has a recurrent architecture. A mean value and a variance are predicted for each point in time; the model is therefore probabilistic. Its output is a probability distribution. The model is trained on this by optimizing a suitable scoring rule (scoring function) or plausibility function (likelihood function).
Diese Modellarchitektur funktioniert gleichermaßen, wenn x eindimensional ist und wenn es mehrere Arten von Sensoren gibt. Gibt Nj die Dimensionalität der Messwerte im Prozessschritt Mj an, so kann für ein gegebenes Paar von Prozessschritten entweder ein einziges der beschriebenen Architektur entsprechendes Modell mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (multiple input multiple output), oder es können Nk · Nj eindimensionale Modelle trainiert werden. Zusätzlich können Modelle für andere Kombinationen (Mk, Mj) von Prozessschritten trainiert werden.This model architecture works equally when x is one-dimensional and when there are multiple types of sensors. If N j indicates the dimensionality of the measured values in process step M j , then for a given pair of process steps either a single model corresponding to the described architecture with multiple inputs and multiple outputs (multiple input multiple output), or N k · N j one-dimensional models are trained. In addition, models for other combinations (M k , M j ) of process steps can be trained.
Für den Benutzer einstellbare Parameter umfassen die Schwellenwerte der Wahrscheinlichkeit, anhand derer entschieden wird, welches Produkt aussortiert wird, sowie die Art und Weise, in welcher die verschiedenen Modelle und ihre Vorhersagen kombiniert werden, um ein Not-Aus einzuleiten. Beispielhafte Benutzereinstellungen könnten zum Beispiel vorsehen, dass das betreffende Bauteil oder das Endprodukt aussortiert werden, falls die Messdaten des Produktionsprozesses (
Dieses Verfahren (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102009024101 A1 [0003]DE 102009024101 A1 [0003]
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DE (1) | DE102019208922A1 (en) |
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