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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, welches mehrere Sensoren aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Stand der Technik
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In der Lebensmittelindustrie spielt die Prozesssicherheit eine übergeordnete Rolle. Sie ist einerseits die Voraussetzung, damit gesetzliche Vorschriften oder Richtlinien, beispielsweise zur Hygiene, eingehalten werden können und andererseits, dass das Lebensmittel während des Herstellungsprozesses so behandelt wird, dass eine gewünschte oder geforderte Endqualität erreicht werden kann. Diese Anforderung führt dazu, dass eine Vielzahl von Parametern des Lebensmittelherstellungsprozesses nahezu umfänglich sensortechnisch erfasst wird. Diese Erfassung dient zur Kontrolle, Überwachung und Dokumentation der Prozessparameter. Dazu werden zunehmend intelligente Sensorsysteme eingesetzt, welche beispielsweise ihren eigenen Betriebszustand überwachen. Dies führt dazu, dass eine Vielzahl von Daten erhoben wird, welche nicht zur Überwachung des Primärprozesses genutzt werden.
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Die
DE 10 2007 024 006 A1 beschreibt ein Messgerät zur Erfassung einer primären Messgröße, welches mittels eines passiven Sensors weiterhin eine sekundäre Messgröße erfassen kann. Die sekundären Messergebnisse liefern Aufschluss über den Zustand des Messgeräts, über den Zustand der Messstelle und über den Zustand des Mediums, in dem die Messung erfolgt.
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Neben dem Primärprozess laufen in einem System zur Lebensmittelherstellung üblicherweise einer oder mehrere Sekundärprozesse (Supportprozesse) ab. Solche Sekundärprozesse dienen beispielsweise der Reinigung, der Fehlerbehebung und Wartung des Systems. Zum Steuern und Überwachen der Sekundärprozesse werden ebenfalls Sensoren benötigt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, in einem System, in dem neben einem Primärprozess auch Sekundärprozesse ablaufen, weniger Sensoren zu verwenden, als dies in herkömmlichen Systemdesigns der Fall ist, oder bei Verwendung einer unveränderten Anzahl von Sensoren, mehr Informationen bereitzustellen, als dies in herkömmlichen Systemdesigns möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben eines Systems gelöst, welches mehrere Sensoren aufweist. Die Sensoren stellen einem Primärprozess erste Sensordaten bereit. Dabei wird unter dem Primärprozess der Prozess verstanden, welcher zur Durchführung der Hauptfunktion des Systems dient. Die ersten Sensordaten können im Primärprozess verwendet werden, um diesen zu steuern, zu regeln, zu kontrollieren, zu überwachen oder zu dokumentieren.
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Weiterhin stellen die Sensoren zweite Sensordaten bereit. Dies kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass ein Sensor in seinem Gehäuse mehrere Sensorelemente aufweist, die unterschiedliche Sensordaten messen. Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass die zweiten Sensordaten in einem Rechenelement des Sensors unter Verwendung der ersten Sensordaten rechnerisch ermittelt werden. Insbesondere kann es sich bei den Sensoren um intelligente Sensoren beziehungsweise Smartsensoren oder um virtuelle Sensoren handeln.
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Zumindest ein Teil der ersten Sensordaten und ein Teil der zweiten Sensordaten wird in dem Verfahren einer Analyse unterworfen. Die Analyse ist vorzugsweise eine Musterabfrage. In dem Vergleich wird mindestens ein Sensordatenmuster mit mindestens einem Referenzmuster verglichen. Referenzmuster werden dabei erhalten, indem ein Sollverlauf der jeweiligen Daten mit der Zeit hinterlegt wird. Das Erzeugen von Referenzmustern findet insbesondere in einem Lernprozess oder Trainingsprozess statt. Das Ergebnis des Vergleichs besteht in einem Maß der Übereinstimmung zwischen Sensordatenmuster und Referenzmuster. Das Ergebnis der Analyse wird mindestens einem Sekundärprozess des Primärprozesses bereitgestellt, um in diesem verwendet zu werden.
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Je nach Art des Sekundärprozesses kann ein anderer Teil der ersten und zweiten Sensordaten für diesen relevant sein. Der Teil der ersten und zweiten Sensordaten wird deshalb in Abhängigkeit von dem Sekundärprozess ausgewählt.
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Musterabfragen können insbesondere unter Verwendung einer support vector machine, eines Entscheidungsbaums, von machine learning (maschinelles Lernen), eines neuronalen Netzwerks, einer Fuzzy-Logik oder einer KI-Anwendung (künstliche Intelligenz) generiert werden.
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Eine bevorzugte Verwendung des Ergebnisses des Vergleichs besteht darin, dass der Sekundärprozess in Abhängigkeit von dem Ergebnis ausgelöst wird und/oder beendet wird. Wenn es möglich ist, mehrere verschiedene Sekundärprozesse auszulösen, dann können parallel mehrere Vergleiche für die unterschiedlichen Sekundärprozesse durchgeführt werden, bis festgestellt wird, dass die Bedingung für das Starten eines der Sekundärprozesse erfüllt ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass für die Prüfung der Startbedingung jedes Sekundärprozesses ein anderer Teil der ersten Sensordaten und der zweiten Sensordaten ausgewertet wird. Wurde ein Sekundärprozess bereits gestartet, so ist im Folgenden bekannt, welcher Teil der ersten Sensordaten und der zweiten Sensordaten einer Analyse unterworfen werden soll, um zu prüfen, ob der Sekundärprozess wieder beendet werden soll. Nur diese Analyse muss dann noch durchgeführt werden.
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Das Auslösen kann in einer Ausführungsform des Verfahrens unmittelbar erfolgen, indem ein Auslösebefehl an eine Steuerung des Systems übermittelt wird. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Auslösen mittelbar, indem der Auslösebefehl einem Bediener des Systems visualisiert wird. Dieser kann das Auslösen anschließend manuell vornehmen.
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Das Ergebnis der Analyse kann vorzugsweise auch zum Überwachen des Sekundärprozesses verwendet werden. Dazu kann nach dem Start des Sekundärprozesses ein für die Überwachung relevanter Teil der ersten Sensordaten und der zweiten Sensordaten ausgewählt und einer Analyse unterworfen werden, wobei Maßnahmen in Abhängigkeit vom Ergebnis der Analyse durchgeführt werden können. Wenn die Analyse eine Musterabfrage ist, ist es insbesondere bevorzugt, dass der Sekundärprozess angepasst wird, wenn eine Abweichung zwischen dem Sensordatenmuster und dem Referenzmuster eine vorgebbare Abweichungstoleranz überschreitet. In einer besonders einfachen Ausführung des Vergleichs wird eine solche Toleranzüberschreitung bereits dann angenommen, wenn die Abweichung zwischen dem Sensordatenmuster und dem Referenzdatenmuster zu einem beliebigen Zeitpunkt einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Eine weitere Implementierung des Vergleichs kann darin bestehen, dass um das Referenzmuster herum Maximalwerte und Minimalwerte definiert werden und eine Anpassung ausgelöst wird, wenn ein Wert des Sensordatenmusters einen Maximalwert überschreitet und/oder einen Minimalwert unterschreitet.
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Das Anpassen des Sekundärprozesses kann auch dadurch erfolgen, dass der Sekundärprozess vollständig mittels des Ergebnisses der Analyse gesteuert wird.
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Weiterhin kann das Ergebnis der Analyse insbesondere auch dazu verwendet werden, um den Sekundärprozess zu dokumentieren.
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Ebenfalls ist es bevorzugt, dass das Ergebnis verwendet wird, um eine Ereignismitteilung des Sekundärprozesses zu erzeugen. Bei der Ereignismitteilung kann es sich sowohl um eine Ereignismitteilung des laufenden Sekundärprozesses handeln als auch um eine Ereignismitteilung, die im Rahmen der Prüfung, ob der Sekundärprozess gestartet werden soll, erzeugt wird. So kann die Ereignismitteilung insbesondere auch darin bestehen, dass die Analyse zu dem Ergebnis geführt hat, dass ein Start des Sekundärprozesses nicht erforderlich ist.
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Die Musterabfrage stellt eine Anomalieerkennung dar, bei der Fehlinterpretationen auftreten können. Durch Bewertung dieser Fehlinterpretationen können neben bereits bekannten Sollzuständen des Systems weitere Sollzustände ermittelt werden. Es ist deshalb bevorzugt, dass während des Sekundärprozesses das mindestens eine Referenzmuster durch einen Lernprozess angepasst wird. Dieses Anpassen kann insbesondere darin bestehen, dass das Referenzmuster verändert wird oder dass einer Gruppe von Referenzmustern ein weiteres Referenzmuster hinzugefügt wird.
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Um zu vermeiden, dass eine Fehlfunktion eines Sensors die hinterlegten Referenzmuster negativ beeinflusst, indem eine auf fehlerhaften Sensordaten basierende empirische Anpassung erfolgt, ist es bevorzugt, dass das mindestens eine Sensordatenmuster mit gespeicherten historischen Sensordatenmustern verglichen wird. Dieser Vergleich kann automatisiert erfolgen oder durch einen Betreiber des Systems manuell ausgelöst werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei Vorhandensein redundanter Sensoren, welche Sensordaten desselben Typs bereitstellen, eine Plausibilisierung der Sensordaten erfolgt.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm gelöst, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf herkömmlichen Rechengeräten und Steuergeräten, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Um das Computerprogramm auf ein Rechengerät oder Steuergerät aufzuspielen, ist in noch einem Aspekt der Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen, auf welchem das Computerprogramm abgespeichert ist.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein System, welches mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.
- 2 zeigt schematisch Datenströme in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ein in 1 dargestelltes System, in dem ein Primärprozess und ein oder mehrere Sekundärprozesse ablaufen können, weist eine Steuerung 10 auf, welche den Primärprozess und die Sekundärprozesse steuert. Drei Sensoren 21, 22, 23 stellen der Steuerung 10 erste Daten 11 zur Verfügung, welche von dieser verwendet werden, um den Primärprozess zu steuern und zu überwachen. Neben diesen ersten Daten 11 erfasst jeder der Sensoren 21, 22, 23 weiterhin zweite Daten 12. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Sensoren 21, 22, 23 in ihrem Gehäuse mehrere Sensorelemente aufweisen, die mehrere unterschiedliche Messgrößen erfassen. Aus den ersten Daten 11 und den zweiten Daten 12 wird eine Teilmenge gebildet und einer Analyse 13 in Form einer Musterabfrage unterworfen. In 1 ist in einem Diagramm dargestellt, wie sich der Verlauf eines Sensordatenmusters 14 mit der Zeit t von einem Referenzmuster 15 unterscheidet, mit dem es in der Musterabfrage verglichen wird. Das Ergebnis 16 dieses Vergleichs wird der Steuerung 10 zur Verfügung gestellt, um es in den Sekundärprozessen zu verwenden. Dabei findet die Verwendung des Ergebnisses 16 in unterschiedlichen Schritten jedes Sekundärprozesses statt.
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Die dabei fließenden Datenströme sind in 2 dargestellt. Einzelwerte P der ersten Daten 11 werden von den Sensoren 21, 22, 23 bereitgestellt. Diese werden dem Primärprozess 31 zur Verfügung gestellt. Außerdem werden Einzelwerte S der zweiten Daten 12 von den Sensoren 21, 22, 23 bereitgestellt. Diese werden mit den ersten Daten 11 zu einer Datenmenge 32 zusammengeführt. Eine Teilmenge dieser Datenmenge 32 wird der Analyse 13 unterworfen. Das Ergebnis 16 der Analyse 13 wird dem Sekundärprozess 33 zur Verfügung gestellt. Der Ablauf des Primärprozesses 31 und/oder des Sekundärprozesses 33 kann im Folgenden zu Änderungen der ersten Daten 11 und/oder der zweiten Daten 12 führen, die wiederum von den Sensoren 21, 22, 23 gemessen werden können.
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Die Verwendung des Ergebnisses 16 ist in 3 in einem Ausführungsbeispiel für einen generischen Sekundärprozess 33 dargestellt. Nach einem Start 40 des Verfahrens erfolgt ein Auswählen 41 von Teilmengen der ersten Sensordaten 11 und der zweiten Sensordaten 12, um Analysen 13 durchzuführen, aufgrund deren Ergebnisse 16 entschieden werden kann, ob ein Sekundärprozess 33 gestartet werden soll. Außerdem werden die Sensoren 21, 22 ,23 ausgewählt, welche zum Detektieren dieser Sensordaten am besten geeignet sind. Es werden außerdem Grenzwerte und Toleranzen für die Musterabfragen definiert. Dann erfolgt ein Durchführen 42 der Musterabfragen, was im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise mittels eines neuronalen Netzwerkes geschieht. In einer Auswertung 43 wird geprüft, ob eines der Ergebnisse 16 in einer hinreichenden Übereinstimmung zwischen einem Sensordatenmuster 14 und einem Referenzdatenmuster 15 für den Start eines der Sekundärprozesse 33 besteht. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt ein Erzeugen 44 einer Ereignismitteilung, mittels derer diese Ergebnisse 16 der Musterabfrage 13 in einem Rechengerät hinterlegt werden kann. Dann erfolgt ein Beenden 45 des Verfahrens.
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Wenn jedoch eine hinreichende Übereinstimmung zwischen einem Sensordatenmuster 14 und mindestens einem Referenzmuster 15 für den Start eines Sekundärprozesses 33 gefunden wurde, so erfolgt ein Auslösen 50 dieses Sekundärprozesses 33. Dann werden in Abhängigkeit von diesem Sekundärprozess 33 erneut Teilmengen der ersten Daten 11 und der zweiten Daten 12 ausgewählt 51, die im weiteren Verlauf des Verfahrens für Musterabfragen 13 verwendet werden sollen. Weiterhin werden den ausgewählten Sensordaten Referenzmuster 15 zugewiesen. Es erfolgt nun ein wiederholtes Durchführen 52 von Musterabfragen 13 zwischen den Sensordatenmustern 14 aufgrund der neu zusammengestellten Teilmengen und den Referenzmustern 15 und deren Ergebnisse 16 werden zwei Prüfungen 53, 55 unterzogen. Wenn die erste Prüfung 53 ergibt, dass das Sensordatenmuster 14 so weit vom Referenzmuster 15 abweicht, dass eine Anpassung des Sekundärprozesses 33 erforderlich ist, so wird diese Anpassung 54 durchgeführt. Wenn die zweite Prüfung 55 ergibt, dass das Sensordatenmuster 14 hinreichend mit einem Referenzmuster 15 für das Beenden des Sekundärprozesses 33 übereinstimmt, so wird dieser beendet 56, eine Ereignismitteilung erzeugt 57 und anschließend das Verfahren beendet 45. Die Ergebnisse 16 der Musterabfragen 13 werden außerdem zum Dokumentieren des Sekundärprozesses 33 gespeichert.
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In dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens handelt es sich bei dem Primärprozess 31 um einen Herstellungsprozess für Lebensmittel. Weiterhin sind vier Sekundärprozesse 33 vorgesehen, die mittels Ergebnissen 16 von Musterabfragen 13 ausgelöst, überwacht und dokumentiert werden können:
- Bei dem ersten Sekundärprozess 33 handelt es sich um eine Reinigung eines der Sensoren 21, 22, 23, der als kapazitiver oder optoelektronischer Sensor ausgeführt ist. Die Teilmenge der Sensordaten, welche zum Auslösen des ersten Sekundärprozesses 33 verwendet wird, beinhaltet hierbei die Signalqualität des Sensors. Sinkt diese unter einen Schwellenwert, so weist dies auf eine Verschmutzung auf dem Sensor hin und die Reinigung wird ausgelöst. Beim Überwachen des ersten Sekundärprozesses 33 beinhaltet die Teilmenge der Sensordaten die Temperatur am zu reinigenden Sensor. Wird diese so hoch, dass eine Beschädigung des Sensors droht oder so niedrig, dass sie für eine Reinigung nicht mehr ausreichend ist, so ist ein Anpassen des ersten Sekundärprozesses 33 erforderlich. Die Abweichung eines Sensordatenmusters 14 der Temperatur von einem Referenzmuster 15 wird außerdem im ersten Sekundärprozess 33 dokumentiert.
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Ein zweiter Sekundärprozess 33 besteht in einer unmittelbaren Fehlerbehebung, die durch einen Bediener durchgeführt werden soll. Hierbei handelt es sich beispielsweise um das Zurückbiegen eines der Sensoren 21, 22, 23 in seine Sollposition, das Entfernen eines falschen Teils aus dem System, das Nachziehen einer Mutter oder das neue Einstellen der Spannung eines Fließbandes. Die Teilmenge der Sensordaten zum Auslösen des zweiten Sekundärprozesses 33 beinhaltet Vibrations-, Neigungs- und Temperaturdaten. Das Auslösen erfolgt dabei, indem die Notwendigkeit der unmittelbaren Fehlerbehebung dem Bediener visualisiert wird. Beim Überwachen beinhaltet die Teilmenge ebenfalls Neigungs-, Temperatur- und Vibrationsdaten. Aufgrund dieser wird dem Bediener kontinuierlich visualisiert, ob sich diese Sensordaten wieder im Sollbereich befinden. Eine Neigungsänderung beim Zurückstellen in die korrekte Position wird dokumentiert.
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Der dritte Sekundärprozess 33 besteht in der Durchführung einer regelmäßigen Wartung. Hierbei kann es sich um dieselben Maßnahmen handeln, die auch bei einer unmittelbaren Fehlerbehebung vorgenommen werden müssen. Das Auslösen des dritten Sekundärprozesses 33 erfolgt unter Verwendung derselben Teilmenge der Sensordaten wie im zweiten Sekundärprozess 33, also Vibrations-, Neigungs- und Temperaturdaten. Ist das Auslösen erforderlich, so wird dem Bediener allerdings nicht die Notwendigkeit eines sofortigen Eingreifens visualisiert, sondern stattdessen wird er aufgefordert, die Maßnahme erst beim nächsten geplanten Wartungstermin vorzunehmen. Hinsichtlich Überwachen und Dokumentieren des dritten Sekundärprozesses 33 werden dieselben Sensordaten wie im zweiten Sekundärprozess 33 verwendet.
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Der vierte Sekundärprozess 33 besteht in einer Nachjustierung von Prozessparametern des Primärprozesses 31 wie beispielsweise einem zurückgelegten Weg eines Antriebs beim Falten eines Kartons, in dem die Lebensmittel verpackt werden sollen. Die Teilmenge der Sensordaten zum Auslösen des vierten Sekundärprozesses 33 beinhaltet die Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Während der Nachjustierung erfolgt eine Überwachung durch Sensordaten eines Positionssensors, um die neue nachjustierte Position zu erfassen. Dieselben Positionsdaten werden auch dokumentiert.
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Im Folgenden werden zwei weitere Sekundärprozesse 33 beschrieben, die mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht und dokumentiert werden können, deren Auslösen jedoch nicht aufgrund des Ergebnisses einer Musterabfrage 13 erfolgt:
- In einem fünften Sekundärprozess 33, bei dem es sich um einen Umrüstprozess, einen Formatwechsel oder einen Rezeptwechsel des zuzubereitenden Lebensmittels handeln kann, soll ein RFID-Lesekopf in eine neue Position gebracht werden. Beim Überwachen dieses fünften Sekundärprozesses 33 wird die Neigung des RFID-Lesekopfes erfasst und dessen Position weiter variiert, wenn die Neigung noch nicht ihrem Sollwert entspricht. Die Neigung wird auch dokumentiert.
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Bei einem sechsten Sekundärprozess 33 handelt es sich um einen Einrichtbetrieb. In einem solchen Einrichtbetrieb erfolgt eine Produktion mit verringerter Geschwindigkeit bei geöffneter Tür zum Maschinenraum. Eine Sicherheitseinrichtung ist dabei ausgeschaltet. Der Einrichtbetrieb wird mittels einer Teilmenge der Sensordaten überwacht, welche Vibrationsdaten, Neigungsdaten, Temperaturdaten und Luftfeuchtigkeitsdaten beinhalten. Hierbei handelt es sich um eine Überwachung von Umgebungsdaten (Condition Monitoring). Dieselbe Teilmenge der Sensordaten liegt auch der Dokumentation zugrunde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007024006 A1 [0003]
