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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Parametrieren mindestens einer Vorrichtung. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, um jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen und ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Stand der Technik
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Verschiedene Umgebungsbedingungen beeinflussen die Effizienz von Vorrichtungen wie beispielweise Maschinen und Anlagen. Derartige Vorrichtungen weisen Parameter auf, die zur Steuerung und/oder Regelung von Aktoren und/oder Sensoren der Vorrichtung verwendet werden. Allerdings unterliegen die Vorrichtungen Umwelteinflüssen, die sich beispielsweise über den Tag, nach Jahreszeit oder nach Wetterlage ändern können. Dies führt dazu, dass die Parameter immer wieder neu eingestellt werden müssen, um sie an die geänderten Umgebungsbedingungen anzupassen. Solche Parameteränderungen werden manuell vorgenommen. Eine derartige manuelle Änderung von Parametern bringt allerdings die Problematik mit sich, dass unberechtigte Veränderungen von Parametern an der Vorrichtung nicht erkannt werden können. Zudem fehlt es an einer Dokumentation von Änderungen.
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Automatisierte Änderungen von Parametern werden dann vorgenommen, wenn beispielsweise beim Tausch eines Sensors einer Vorrichtung ein für den Betrieb mit dem neuen Sensor gesicherter Parametersatz automatisiert heruntergeladen wird. Dieser gesicherte Parametersatz ist jedoch ebenfalls statisch und passt sich nicht den jeweiligen Umgebungsbedingungen an. Die Parameter müssen also an der Vorrichtung manuell nachjustiert werden, bis das gewünschte Betriebsverhalten unter den vorliegenden Umgebungsbedingungen erreicht ist.
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Die
DE 10 2011 006 784 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einstellen einer Anlage. Diese Anlage weist mehrere Betriebsmodi auf. Solange sich bestimmte mittels Sensoren überwachte Umgebungswerte innerhalb vorgegebener Bereiche befinden, kann die Anlage in allen Betriebsmodi betrieben werden, sodass einem Bediener alle Funktionen der Anlage zur Auswahl stehen. Verlassen die Umgebungsbedingungen hingegen den Sollbereich, so weist dies auf einen Fehler der Anlage hin. Eine zu hohe Temperatur kann beispielsweise auf eine Überhitzung eines Motors hinweisen und zu starke Vibrationen können darauf hinweisen, dass ein in der Anlage bearbeitetes Produkt nicht richtig befestigt wurde. Wird ein solcher Fehlerfall erkannt, dann wird die Anzahl der zur Verfügung stehenden Betriebsmodi begrenzt. Zum einen können einzelne Funktionen der Anlage nur noch in leistungsreduzierten Betriebsmodi zur Verfügung gestellt werden, um das Risiko eines Ausfalls der Anlage zu verringern. Zum anderen können einzelne Funktionen auch komplett gesperrt werden, solange die Umgebungswerte außerhalb des Sollbereichs liegen. Dieses Verfahren arbeitet zwar automatisiert, kann aber nur auf bekannte Störfallszenarien in einer vorprogrammierten Weise reagieren. Tritt eine Störung durch eine bisher unbekannte Änderung von Umgebungswerten auf, so muss auf diese durch einen manuellen Eingriff reagiert werden. Das gilt auch dann, wenn dieselben anormalen Umgebungsbedingungen wiederholt auftreten sollten.
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Die
DE 10 2019 121 800 B3 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Sensor. In einer Datenbank wird ein Datenmodell des Sensors erstellt. In diesem Datenmodell wird ein Umgebungswert berücksichtigt, der aus einem sekundären Sensorelement des Sensors gewonnen wird. Während ein primäres Sensorelement dazu dient, gemäß einer Hauptfunktion des Sensors Daten zu erfassen, hat das sekundäre Sensorelement die Aufgabe, Umwelteinflüsse auf den Sensor zu erkennen. Der Einfluss dieser Umwelteinflüsse auf ein Alterungsverhalten des Sensors wurde zuvor ermittelt und in der Datenbank hinterlegt. Wenn es sich bei dem Sensor um einen optischen Sensor handelt, der als primäres Sensorelement ein optisches Sensorelement und als sekundäres Sensorelement ein Temperatursensorelement erhält, dann wird im Datenmodell die Alterung des primären Sensorelements in Abhängigkeit von der Temperatur simuliert. Fällt die Qualität der optischen Detektion mittels des primären Sensorelements unter einen Wert, der aufgrund der Alterungssimulation zu erwarten wäre, so wird ein Fehler des Sensors erkannt. Dieses Verfahren ermöglicht also lediglich die Erkennung eines Fehlerfalls unter Verwendung von Umgebungsdaten, nicht jedoch eine automatisierte Reaktion auf den Fehlerfall durch Änderungen von Parametern. Zudem ist es eine Voraussetzung dieses Verfahrens, dass der Zusammenhang zwischen dem beobachteten Umgebungswert und dem Alterungsverhalten des Sensors bereits bekannt ist und in der Datenbank hinterlegt wurde.
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In der
DE 10 2019 116 664 A1 wird ein Verfahren zur applikationsspezifischen Anpassung eines Sensors an eine Prozessumgebung der Automatisierungstechnik beschrieben. Hierbei wertet der Sensor ein Messsignal aus, um einen applikationsunspezifischen Prozesswert zu ermitteln. In einem Lernmodus wird nun ein funktionaler Zusammenhang des applikationsunspezifischen Prozesswertes mit einem applikationsspezifischen Prozesswert gesucht.
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Hierzu können mehrere Sensoren zur Erfassung verschiedener Umgebungswerte vorgesehen sein. Dieses Verfahren ermöglicht also die Anpassung des Betriebs eines Sensors an Umgebungswerte, die mittels anderer Sensoren erfasst werden. Es ist jedoch nicht für eine automatisierte Parametrierung von Anlagen und Maschinen geeignet.
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Die
DE 10 2018 129 942 A1 und die
DE 10 2018 129 944 A1 offenbaren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Automatisierungssystems. Hierbei werden nicht nur Automatisierungsdaten des Automatisierungssystems, sondern mittels weiterer Sensoren auch Umgebungsdaten gemessen. Unter Verwendung der Umgebungsdaten kann ein Qualitätswert der Automatisierungsdaten erstellt werden. Hierzu muss der Zusammenhang zwischen den Umgebungsdaten und der Qualität der Automatisierungsdaten allerdings bereits bekannt sein und in einer Datenbank hinterlegt sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Parametrieren mindestens einer Vorrichtung bereitzustellen, in dem das Parametrieren automatisiert durchgeführt werden kann. Soweit im Einzelfall manuelle Eingriffe erforderlich sein sollten, soll das Verfahren sicherstellen, dass in einer gleichen Situation zukünftig kein erneuter Benutzereingriff mehr erforderlich sein wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in einem Aspekt der Erfindung durch ein, insbesondere computerimplementiertes Verfahren zum Parametrieren mindestens einer Vorrichtung gelöst. Unter einer Vorrichtung wird dabei insbesondere eine Maschine oder Anlage verstanden, welche mindestens einen Aktor aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Produktionsvorrichtung für die Lebensmittelindustrie. Ein Sensor soll hingegen insbesondere nicht als zu parametrierende Vorrichtung im Sinne der Erfindung verstanden werden. Die Vorrichtung weist jedoch mindestens einen Sensor auf, welcher allerdings in dem Verfahren nicht parametriert wird.
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In dem Verfahren wird mindestens ein Umgebungswert der Vorrichtung mittels des mindestens eines Sensors und/oder der Automatisierungskomponente, die multiple sekundäre Daten mitliefert, ermittelt. Unter einem Umgebungswert wird dabei ein Wert verstanden, welcher eine Umgebungsbedingung der Vorrichtung quantifiziert. Vorzugsweise ist der Umgebungswert ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Temperatur, Feuchtigkeit, insbesondere Luftfeuchtigkeit, Druck, insbesondere Luftdruck, Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere Luftströmungsgeschwindigkeit, chemischer Zusammensetzung eines Gases, insbesondere der Luft, Helligkeit, insbesondere aufgrund von Sonneneinstrahlung, Vibration, Neigung und elektromagnetischer Feldstärke.
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Nachdem der mindestens eine Umgebungswert ermittelt wurde, wird geprüft, ob dem mindestens einen Umgebungswert in einer Parameterdatenbank Parameter zugeordnet sind. Die Parameterdatenbank ist in einer Ausführungsform des Verfahrens auf einem maschinenlesbaren Speichermedium der Vorrichtung gespeichert. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Parameterdatenbank auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert, welches drahtlos oder drahtgebunden mit der Vorrichtung verbunden ist. Hierbei kann es sich insbesondere um eine IO-Link-Verbindung handeln. Ein Standard für eine intelligente Sensor/Aktorschnittstelle mit der Bezeichnung „IO-Link“ ist als internationaler offener Standard in der Norm IEC 61131-9 genormt. IO-link-Devices werden danach über Beschreibungsdateien IODD (IO-Link Device Description) beschrieben. Die IODD als Beschreibungssprache ist zudem in der Norm ISO 15745 als offener Standard genormt. In der bestehenden „IO-Wireless-System-Extensions“ Spezifikation wird auch bereits ein IO-Link-Wireless-Master mit Feldbusinterface beschrieben. Ein IO-Link stellt eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung für die Signalübertragung zwischen Sensoren und Aktoren und der IO Ebene zur Verfügung. Grundsätzlich überträgt ein IO-Link-System Daten zwischen einem sogenannten IO-Link-Master und einem angeschlossenem IO-Link-Device. Als IO-Link-Master stehen sowohl Feldbusmodule als auch SPS-Schnittstellenbaugruppen (Speicherprogrammierbare Steuerung) zur Verfügung.
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Unter Parametern werden insbesondere Werte verstanden, die in einer Steuerung und/oder Regelung mindestens eines Aktors der Vorrichtung verwendet werden.
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Wenn dem mindestens einen Umgebungswert in der Parameterdatenbank bereits Parameter zugeordnet sind, so erfolgt ein Parametrieren der Vorrichtung mit diesen Parametern aus der Parameterdatenbank. Durch eine computerimplementierte Ausführung des Verfahrens kann dieses Parametrieren also automatisiert erfolgen, ohne dass ein Eingriff eines Benutzers notwendig wäre. Parametrieren bedeutet hierbei, dass einer Steuereinrichtung und/oder Regeleinrichtung der Vorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Parameter zu verwenden, diese Parameter bereitgestellt werden. Bei dem Bereitstellen kann gegebenenfalls ein bisher von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung verwendeter Parametersatz überschrieben werden.
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Wenn hingegen dem mindestens einen Umgebungswert in der Parameterdatenbank noch keine Parameter zugeordnet sind, dann erfolgt ein Parametrieren der Vorrichtung mit neuen Parametern auf andere Weise. Hierfür stellt das Verfahren in unterschiedlichen Ausführungsformen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung, die im Folgenden beschrieben werden. Die neuen Parameter werden anschließend in der Parameterdatenbank dem mindestens einen Umgebungswert zugeordnet. Wenn bei einem späteren erneuten Durchlauf des Verfahrens nochmals ein Umgebungswert ermittelt wird, der diesem Umgebungswert entspricht, so kann auf die nun in der Parameterdatenbank hinterlegten Parameter zurückgegriffen werden und die Parametrierung diesmal vollständig automatisiert ablaufen. Das Verfahren ermöglicht es also auf der einen Seite, bei Auftreten von Umgebungswerten für die bereits gesicherte Parametersätze in der Parameterdatenbank hinterlegt sind, eine vollautomatisierte Parametrierung der Vorrichtung durchzuführen und andererseits beim Auftreten neuer Umgebungsbedingungen die für diese Umgebungsbedingungen optimalen Parameter zu lernen und die Parameterdatenbank auf diese Weise ständig zu erweitern. Es kommt auf diese Weise nur noch selten zu einem Stillstand der Vorrichtung, da notwendige Neuparametrierungen aufgrund geänderter Umgebungsbedingungen überwiegend automatisiert ablaufen. Der Automatisierungsgrad der Parametrierung nimmt dabei mit der Zeit zu.
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Soll eine neue Vorrichtung in Betrieb genommen werden, so ist es nicht erforderlich, diese manuell mit einer geeigneten Parameterdatenbank zu verbinden. Vielmehr ist es bevorzugt, dass in einem Initialisierungsschritt des Verfahrens die Vorrichtung und der Sensor und/oder die Automatisierungskomponente jeweils mittels digitaler Identifikationsdaten erkannt werden, die aus einem Netzwerk ausgelesen werden können. Der Vorrichtung wird dann automatisch eine für diesen Vorrichtungstyp vorgesehene Parameterdatenbank zugeordnet. Mehrere Parameterdatenbanken können dabei in Abhängigkeit davon bereitgestellt werden, welche Umgebungswerte mittels des mindestens eines Sensors und/oder der Automatisierungskomponente erfasst werden können. Es wird dann für die installierte Kombination aus Vorrichtung und Sensor und/oder Automatisierungskomponente eine Parameterdatenbank ausgewählt, in der die für diese Vorrichtung vorgesehenen Parameter mit Umgebungswerten assoziiert sind, welche mittels des mindestens eines vorhandenen Sensors und/oder der Automatisierungskomponente tatsächlich gemessen werden können.
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Aufgrund der Komplexität des Zusammenhangs zwischen Umgebungsbedingungen und optimalen Parametern für den Betrieb einer Vorrichtung, ist es bevorzugt, dass mehrere Umgebungswerte ermittelt werden und geprüft wird, ob einer Kombination aller Umgebungswerte in der Parameterdaten Parameter zugeordnet sind. Es ist also bevorzugt, dass hierbei eine UND-Verknüpfung der Umgebungswerte genutzt wird. Bei Nutzung mehrerer Umgebungswerte wird vorzugsweise vermieden, eine Parameterauswahl nur aufgrund eines Umgebungswertes zu treffen. Allerdings können einzelne Umgebungswerte, die sich außerhalb eines Soll-Bereichs befinden, einen Hinweis darauf darstellen, dass die aktuellen Betriebsbedingungen der Vorrichtung von einem Benutzer genauer überwacht werden sollten, um das Auftreten von Fehlern zu vermeiden. Es ist daher weiterhin bevorzugt, dass bei Ermitteln mehrerer Umgebungswerte eine Warnung ausgegeben wird, wenn sich zumindest einer der Umgebungswerte außerhalb eines Sollbereichs befindet. Hierbei wird also vorzugsweise eine ODER-Verknüpfung der Umgebungswerte verwendet.
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Zum Ermitteln mehrerer Umgebungswerte kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass jeder Umgebungswert mit einem eigenen Sensor oder einer eigenen Automatisierungskomponente ermittelt wird. Es ist allerdings ebenfalls möglich, Sensoren und/oder Automatisierungskomponenten zu verwenden, die mehrere Sensorelemente zur Erfassung unterschiedlicher Umgebungswerte aufweisen, sodass ein Sensor oder eine Automatisierungskomponente gleichzeitig mehrere Umgebungswerte ermitteln kann.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Parameterdatenbank als dynamische Parameterdatenbank ausgeführt. Aus Eingangsgrößen werden dabei über mindestens einen Algorithmus Ausgangsgrößen ermittelt und als Parameter in die Parameterdatenbank geschrieben. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Algorithmus um einen deterministisch vorprogrammierten Algorithmus. Dies bedeutet, dass mindestens eine mathematische Funktion in der Parameterdatenbank hinterlegt ist, in der Umgebungswerte als Argumente verwendet werden und Parameter als Funktionswerte verwendet werden. Die Funktion weist dabei Freiheitsgrade auf. Bei den Freiheitsgraden handelt es sich insbesondere um Koeffizienten bei einer Reihenentwicklung oder bei einem Polynom. Die Koeffizienten können beispielsweise mittels Curve-Fitting von Modellfunktionen an gemessenen Kurven bestimmt werden.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist die Parameterdatenbank als eindimensionale Look-up-Tabelle ausgeführt, in der Parameter einem Umgebungswert zugeordnet sind oder sie ist als mehrdimensionale Look-up-Tabelle ausgeführt, in der Parameter einer Kombination von Umgebungswerten zugeordnet sind. Falls ein Parametrieren der Vorrichtung in einer Situation erfolgen soll, in der dem einen Umgebungswert in der eindimensionalen Look-up-Tabelle kein Parameter zugeordnet ist oder in der einer Kombination mehrerer Umgebungswerte in der mehrdimensionalen Look-up-Tabelle kein Parameter zugeordnet ist, so erfolgt das Parametrieren der Vorrichtung vorzugsweise dadurch, dass Zwischenwerte interpoliert werden. Weiterhin kann ein Parametrieren der Vorrichtung durch Extrapolieren von Werten vorgenommen werden.
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In den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens können dann, wenn mehrere Umgebungswerte ermittelt werden, in der Parameterdatenbank Verknüpfungen von Parametern mit einer so großen Zahl von Umgebungswerten vorliegen, dass es nur selten gelingt, aufgrund einer Übereinstimmung aller aktuell ermittelten Umgebungswerte mit einer Kombination von Umgebungswerten in der Parameterdatenbank dieser unmittelbar Parameter zum Parametrieren der Vorrichtung zu entnehmen. Um eine höhere Trefferquote beim Adressieren der Parameterdatenbank zu erreichen, ist es deshalb bevorzugt, dass beim Zuordnen der Parameter Abhängigkeiten zwischen Umgebungswerten mittels einer Hauptachsentransformation (Principal Component Analysis; PCA) analysiert werden und dabei neue Größen definiert werden, die voneinander unabhängig sind. In einer Liste können die neuen Größen in der Reihenfolge ihrer Bedeutung dargestellt werden. Dann können nur die wichtigsten Größen berücksichtigt werden. Auf diese Weise können die Parameter weniger Umgebungswerten zugeordnet werden als mittels des mindestens eines Sensors und/oder der Automatisierungskomponente ermittelt werden.
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In noch einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Zuordnen von Parametern mittels eines Lernmodells (Machine Learning; ML). Ein solches Lernmodell wird auch als probabalistisches Modell bezeichnet und kann durch ein neuronales Netz realisiert werden. Alle Umgebungswerte werden hierbei als Größe einer Eingabeschicht verwendet. Die Parameter ergeben sich dann aus einer Ausgabeschicht. Ein solches Lernmodell weist zwischen der Eingabeschicht und der Ausgabeschicht verborgene Schichten auf. Knoten in den verborgenen Schichten werden durch Gewichtung der Summierung von Eingabeknoten bestimmt. Die Gewichte können in eine Trainingsphase des Lernmodells bestimmt werden. Es kann also sein, dass für die Bestimmung eines Parameters in der Ausgabeschicht ein oder mehrere Umgebungswerte in der Eingabeschicht kaum eine Rolle spielen, weil ihre Gewichtung sehr klein oder sogar gleich null ist.
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Das Lernmodell kann auch durch andere Methoden des maschinellen Lernens realisiert werden. In Frage kommen Vector support machine oder random forest.
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Das Lernmodell kann insbesondere von einem Urzustand starten, in dem die Vorrichtung fehlerfrei läuft. Dies kann beispielsweise nach ihrer ersten Inbetriebnahme, am Morgen eines Tages oder am Wochenanfang sein. Alle Parameter dieses Urzustandes werden in der Parameterdatenbank abgespeichert und mit den aktuell vorliegenden Umgebungswerten verknüpft. Den Umgebungswerten können außerdem Grenzwerte und/oder Toleranzbereiche zugeordnet werden, sodass der Parametersatz nicht nur exakt bei den vorliegenden Umgebungsbedingungen Gültigkeit hat, sondern auch dann verwendet werden kann, wenn es zu kleinen Abweichungen der Umgebungswerte kommt. Grenzwerte können dabei insbesondere durch statische Verfahren bestimmt werden. Hierzu werden der Mittelwert und die Standardabweichung eines Umgebungswerts gleitend bestimmt. Ein oberer beziehungsweise unterer Grenzwert ergibt sich dann, indem zum Mittelwert die Standardabweichung addiert beziehungsweise subtrahiert wird, wobei eine Multiplikation der Standardabweichung mit einem Faktor vorgesehen sein kann. Dieser Faktor gibt die Unempfindlichkeit eines Parameters gegenüber einem bestimmten Umgebungswert an. Je unempfindlicher ein Parameter auf Änderungen eines bestimmten Umgebungswertes reagiert, desto größer kann dieser Faktor gewählt werden. Ist eine Lernphase der Vorrichtung vorgesehen, in der die Parameterdatenbank mit Werten befüllt wird, bevor die Vorrichtung in eine Betriebsphase übergeht, so können die Grenzwerte auch automatisch während der Trainingsphase generiert werden. Wird in der Trainingsphase beispielsweise das Trainingsverfahren „vector support machine“ eingesetzt, so werden dabei Hyperflächen im Umgebungswerteraum gebildet, die Zustände voneinander trennen. Dies bedeutet, dass dann, wenn durch Eingabe eines Bedieners oder durch die Lernfähigkeit eines Algorithmus bei einer Warnung oder einem Problem auf Basis der zu diesem Zeitpunkt erfassten Umgebungswerte ein angepasster Parametersatz in der Parameterdatenbank hinterlegt wird, gleichzeitig auch die Grenzwerte und/oder Toleranzbereiche für diesen Parametersatz generiert werden und gegebenenfalls Grenzwerte und/oder Toleranzbereiche anderer bereits hinterlegter Parametersätze angepasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein Parametrieren der Vorrichtung mit neuen Parametern in einer Situation, in der mindestens einem Umgebungswert in der Parameterdatenbank noch keine Parameter zugeordnet sind, dadurch ermöglicht, dass ein digitales Abbild der Vorrichtung erstellt wird. Ein solches digitales Abbild, das auch als digitaler Zwilling bezeichnet werden kann, bildet die reale Vorrichtung in der digitalen Welt ab, um ihre Leistungsmerkmale vorherzusagen. Die neuen Parameter werden dann so gewählt, dass ein Ist-Zustand der Vorrichtung an einen im digitalen Abbild hinterlegten Soll-Zustand der Vorrichtung angeglichen wird. Dies kann durch Simulation des Betriebs geschehen. Die so gewählten Parameter können anschließend dauerhaft mit den aktuell ermittelten Umgebungswerten verknüpft und in der Parameterdatenbank hinterlegt werden. Die Parameter werden dabei in Echtzeit durch sekundäre Daten immer wieder aktualisiert. Dadurch kann eine Verbesserung des Automatisierungsgrades und der Stabilität der Prozesse stattfinden, ohne die reale Vorrichtung zu beanspruchen.
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Ein Vorteil des Verfahrens besteht in all seinen Ausführungsformen darin, dass die Parameterdatenbank beim Betreiben der Vorrichtung immer weiter mit Parametern befüllt wird. Dies gilt nicht nur für eine eventuelle initiale Trainingsphase, sondern auch für den anschließenden laufenden Betrieb der Vorrichtung. Soll eine weitere Vorrichtung in Betrieb genommen werden, die einer bereits unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens betriebenen Vorrichtung gleicht und die Sensoren und/oder Automatisierungskomponenten aufweist, mittels derer dieselben Umgebungswerte ermittelt werden können, die beim Parametrieren der bereits vorhandenen Vorrichtung Verwendung finden, so kann die bereits vorhandene Parameterdatenbank der neuen Vorrichtung vorteilhafterweise zur Verfügung gestellt werden. Jede der Vorrichtungen wird ihre Kopie der Parameterdatenbank anschließend bei Auftreten neuer bisher noch nicht in der Parameterdatenbank erfasster Umgebungsbedingungen kontinuierlich weiter mit Daten befüllen.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen. Das Computerprogramm kann auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ablaufen, welches Teil der Vorrichtung ist oder welches drahtlos oder drahtgebunden mit der Vorrichtung verbunden ist.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Von diesem maschinenlesbaren Speichermedium kann es auf einem Rechengerät oder Steuergerät einer Vorrichtung übertragen werden. Vorzugsweise sind auf dem maschinenlesbares Speichermedium weiterhin Parameterdatenbanken gespeichert, aus denen eine zum Parametrieren der Vorrichtung geeignete Parameterdatenbank ausgewählt werden kann.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt schematisch den Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Trainingsphase einer Vorrichtung.
- 4 zeigt schematisch den Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Betriebsphase einer Vorrichtung.
- 5 zeigt schematisch ein Lernmodell, das in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt eine übliche Reaktion auf sich ändernde Umgebungsbedingungen einer Maschine gemäß dem Stand der Technik. Ein Ändern 10 der Umgebungsbedingung führt dazu, dass Parameter der Maschine angepasst werden müssen 11. Daraufhin sind zwei Reaktionen möglich:
- Zum einen kann ein manuelles Ändern 21 der Parameter der Maschine durch einen Benutzer vorgenommen werden.
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Zum anderen ist es möglich, dass für die geänderten Umgebungsbedingungen bereits ein neuer Parameterersatz vorliegt. Dieser wird von einem Benutzer manuell aus einer Parameterdatenbank heruntergeladen 22 und der Maschine zugeführt.
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Beide Optionen führen zu einem vorübergehenden Stillstand der Maschine.
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Unterschiedliche Ausführungsbespiele des erfindungsgemäßen Verfahrens reagieren auf die Änderung 10 der Umgebungsbedingungen in der in 2 dargestellten Weise. Auch hier ist es erforderlich, dass Parameter angepasst werden müssen 11. Zugleich ist es auch möglich, dass ein Modell und/oder eine Datenbank der Maschine nicht mehr aktuell sind 12. Unter Verwendung von Sensoren der Vorrichtung, die als Automatisierungskomponenten ausgeführt sind, welche multiple sekundäre Daten mitliefern, erfolgt nun ein Ermitteln 13 von mehreren Umgebungswerten der Vorrichtung. Eine Parameterdatenbank der Vorrichtung wird nun nach einem Parametersatz durchsucht, welcher den ermittelten Umgebungswerten zugeordnet ist. Wenn ein solcher nicht gefunden, so werden die benötigten Parameter mittels einer dynamischen Parameterdatenbank 14, eines Lernmodells 15 oder durch dynamische Anpassung eines digitalen Abbilds 16 in Echtzeit ermittelt. Dann erfolgt ein Parametrieren 17 der Vorrichtung, indem der neue Parametersatz dieser zur Verfügung gestellt wird. Anschließend erfolgt ein Weiterbetreiben 18 der Vorrichtung mit den neuen Parametern. Dies ist ohne einen Stillstand der Vorrichtung möglich.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Produktionsvorrichtung für Tiefkühlfisch. Ändert sich die Temperatur als Umgebungswert, so wirkt sich dies auf das Gleitverhalten des Tiefkühlfisches auf einem Förderband der Vorrichtung aus. Beim Einführen des Tiefkühlfisches in einen Verpackungsschlauch, kann der Tiefkühlfisch dadurch früher zum Stillstand kommen als üblich. Dadurch trifft ein Siegelwerkzeug nicht auf die Lücke zwischen zwei Tiefkühlfischen, sondern auf einen Tiefkühlfisch in der Verpackung. Dies führt zu einem Maschinenstillstand, Ausschuss und eventuell zu einem Schaden am Siegelwerkzeug. Herkömmlicherweise erfolgt die Ermittlung der Fehlerursache manuell durch den Maschinenbediener. Die Stoßkraft eines Pushers, der den Tiefkühlfisch auf das Förderband befördert, wird in diesem Fall als Parameter erhöht. Tritt dieser Vorfall im erfindungsgemäßen Verfahren auf, so wird der problematische Umgebungswert der Temperatur mit dem geänderten Parameter der Pusher-Stoßkraft in der Parameterdatenbank verknüpft. Bei einem erneuten Auftritt einer solchen Temperatur wird dieser Parameter automatisch angewendet, sodass zukünftige manuelle Eingriffe vermieden werden können.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei der Vorrichtung um eine mobile Vorrichtung in Form eines Müllfahrzeugs. Ein Umgebungswert, der in dem Verfahren ermittelt wird, ist auch in diesem Ausführungsbeispiel die Temperatur. Eine Erwärmung durch Sonneneinstrahlung oder einer Abkühlung durch Witterungseinflüsse kann zu Veränderungen der Viskosität eines Hydrauliköls in einer hydraulischen Anlage des Müllfahrzeugs sowie zu Längenausdehnungen von mechanischen Komponenten wie Achsen oder Stangen führen. Dies führt dazu, dass bestimmte räumliche Punkte von der Müllpresse des Müllfahrzeugs nicht wie gewünscht erreicht werden. Stattdessen fallen Bewegungen zu kurz oder zu lang aus. Außerdem wird von zeitlichen Verläufen der Anfahrprofile abgewichen. Auf Basis der Sensormesswerte der Temperatur und mithilfe der weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können der Systemdruck und der Volumenstrom als Parameter des hydraulischen Antriebs geändert werden, sodass Endpunkte nun wieder mit der gewünschten Genauigkeit angefahren werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Anlage zur Kohlendioxidbegasung von Lebensmitteln in einer Verpackung. Das Volumen des Gases hängt von der Temperatur und seinem Druck ab. In Rohrleitungsnetzen oder industriellen Prozessen sind diese beiden Größen jedoch nicht konstant. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auf der Grundlage dieser Umgebungswerte Regelparameter der Vorrichtung kontinuierlich anzupassen, um so einen störungsfreien Betrieb der Anlage zu ermöglichen und die notwendige Menge an Gas einzubringen.
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Wenn ein Lernverfahren 15 in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung kommt, kann zunächst eine Trainingsphase der Vorrichtung vorgesehen sein, bevor diese in einer Betriebsphase zum Einsatz kommt. Der Ablauf der Trainingsphase ist in 3 dargestellt. Die Vorrichtung 30 wird durch externe Umgebungswerte 31 beeinflusst. Wenn noch keine Parameter zum Betrieb der Vorrichtung 30 unter den vorliegenden Umgebungswerten 31 bekannt sind, so nimmt ein Benutzer 40 eine Anpassung 50 der Parameter in einer Parameterdatenbank 32 vor. Über diese erfolgt dann ein Parametrieren 51 der Vorrichtung 30. Es erfolgt ein Auslesen 52 dieser Parameter, um sie einem probabilistischen Modell 33 zur Verfügung zu stellen. Diesem werden außerdem die Umgebungswerte 31 als Sensorwerte 53 von der Vorrichtung 30 zur Verfügung gestellt.
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Nach Abschluss der Trainingsphase erfolgt eine Betriebsphase gemäß 4. Die Vorrichtung 30 ermittelt mittels Sensoren kontinuierliche Umgebungswerte 31. Sind in der Parameterdatenbank 32 bereits Parameter hinterlegt, welche diesen Umgebungswerten 31 zugeordnet sind oder in einem Toleranzbereich um diese Umgebungswerte 31 liegen, so wird die Vorrichtung 30 mittels dieser Parameter parametriert 51. Andernfalls erfolgt die Weitergabe der Umgebungswerte 31 als Sensormesswerte 53 in das probabilistische Modell 33, welches für die vorliegenden Umgebungswerte 31 die Parameter anpasst und der Parameterdatenbank 32 zur Verfügung stellt 54. Anschließend erfolgt ein Parametrieren 51 der Vorrichtung 30 mit diesen geänderten Parametern.
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Das probabilistische Modell 33 ist ein Lernmodell, das durch ein neuronales Netz realisiert wird und dessen Struktur in 5 dargestellt ist. Es weist eine Eingabeschicht 61, verborgene Schichten 62 und eine Ausgabeschicht 63 auf. Jede der Schichten 61, 62, 63 besteht aus Knoten 60. Die Umgebungswerte 31, welche als Sensormesswerte 53 bereitgestellt werden, werden der Eingabeschicht 61 bereitgestellt, wobei jeder Knoten 60 der Eingabeschicht 61 einem Umgebungswert 31 entspricht. Dies ist für drei Umgebungswerte 31 dargestellt. In jeder verborgenen Schicht 62 erfolgt in allen Knoten einer Schicht eine Assoziierung von Werten mit allen Werten der Eingabeschicht 61, beziehungsweise allen Werten der vorangehenden verborgenen Schicht 62. Unter gewichteter Summierung der Umgebungswerte 31 werden dabei in der Ausgabeschicht 63 Parameter für die Vorrichtung 30 erzeugt. Alternativ zur Gewichtung können nichtlineare Funktionen verwendet werden. Dies ist mit drei Knoten in der Ausgabeschicht 63 für drei Parameter dargestellt.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein deterministisches Modell 14 verwendet, um die Vorrichtung 30 zu parametrieren 51, wenn in der Parameterdatenbank 32 noch keine mit den aktuellen Umgebungswerten 31 assoziierten Parameter hinterlegt sind. Der Verfahrensablauf folgt dabei der Darstellung in 4, wobei es sich bei dem Modell 33 nicht um ein probabilistisches Modell, sondern um das deterministische Modell handelt.
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In noch einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein digitales Abbild 16 der Vorrichtung 30 in Echtzeit dynamisch angepasst, um Parameter für die Vorrichtung 30 zu generieren, falls diese in der Parameterdatenbank 32 für die aktuellen Umgebungswerte 31 noch nicht vorhanden sein sollten. In diesem digitalen Abbild werden die ermittelten Umgebungswerte 31, die Parameter der Vorrichtung 30 sowie alle Automatisierungswerte der Vorrichtung 30, welche darauf hinweisen, wie sich die aktuellen Parameter unter den aktuellen Umgebungswerten 31 auf den Betrieb der Vorrichtung 30 auswirken, feinkörnig gesammelt. Weitere Daten zur Beschreibung der Vorrichtung 30 können grobkörnig gesammelt werden, um so die für die Generierung neuer Parameter wichtigen Daten aus der über die Vorrichtung 30 verfügbaren Datenmenge herauszufiltern.
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Eine mit Daten befüllte Parameterdatenbank 32 und gegebenenfalls das mit ihr verknüpfte Modell 33 können in allen Ausführungsbeispielen des Verfahrens von einer Vorrichtung 30 auf eine andere Vorrichtung 30 übertragen werden. Hierzu erkennt ein Software-Agent anhand von Identifikationsdaten die Vorrichtung 30 und ihre Sensoren, womit auch erkannt wird, welche Umgebungswerte 31 beim Betrieb der Vorrichtung 30 ermittelt werden können. Die Identifikationsdaten können dabei vom Software-Agenten durch ein standardisiertes Protokoll für den Datenaustausch über eine Netzwerkverbindung ausgelegt werden. Bei diesem Protokoll kann es sich in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens um OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) handeln. Der neu in Betrieb zu nehmenden Vorrichtung 30 wird dann eine bereits erstellte Parameterdatenbank 32 mit einer geeigneten Kombination von Umgebungswerten 31 und Parametern sowie gegebenenfalls ein Modell 33 zur Verfügung gestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011006784 A1 [0004]
- DE 102019121800 B3 [0005]
- DE 102019116664 A1 [0006]
- DE 102018129942 A1 [0008]
- DE 102018129944 A1 [0008]
