DE112018001085T5 - Vorrichtung und system mit mehreren vorrichtungen zur überwachung und steuerung von maschinen in industrieanlagen - Google Patents

Vorrichtung und system mit mehreren vorrichtungen zur überwachung und steuerung von maschinen in industrieanlagen Download PDF

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Abstract

Ein System zum Überwachen des Betriebs mindestens einer Maschine einer Industrieanlage oder zum Überwachen des Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine basierend auf dem Überwachen wird offenbart. Das System umfasst ein Netzwerk, das einen Server und eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst, die einen Computercluster bilden. Mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl der Vorrichtungen sind mit einer Maschine der Industrieanlage verbindbar. Jede Vorrichtung der mindestens einen Vorrichtungen umfasst: einen ersten Prozessor, der konfiguriert ist, um in Echtzeit mit Daten, die von der Maschine, mit der die Vorrichtung verbunden ist, erworben werden können, eine erste Verarbeitungsaufgabe zu berechnen, um eine erste Abfrage zu lösen; und einen zweiten Prozessor, der konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Netzwerk zu teilen und, wenn vom Server zugewiesen, mindestens einen Thread einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zu berechnen, um eine zweite Abfrage zu lösen. Der Server ist konfiguriert, um: den Computercluster zu steuern; die zweite Verarbeitungsaufgabe in eine Vielzahl von Threads aufzuteilen; und einen oder mehrere Threads der Vielzahl von Threads dem zweiten Prozessor von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen zuzuordnen. Eine Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs von mindestens einer Maschine einer Industrieanlage wird ebenfalls offenbart. Eine Industrieanlage wird ebenfalls offenbart, umfassend: eine Vielzahl von Maschinen; und ein Netzwerk zum Überwachen des Betriebs von mindestens einer Maschine aus der Vielzahl von Maschinen oder zum Überwachen und Betätigen der mindestens einen Maschine, wobei das Netzwerk einen Server und eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst, die einen Rechencluster bilden.

Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich von Vorrichtungen Überwachung und Steuerung in Industrieanlagen. Insbesondere handelt es sich um Vorrichtungen mit hoher Verfügbarkeit zur Erfassung und Verarbeitung von Daten in Echtzeit in industriellen Umgebungen, die große Datenmengen erzeugen. Diese Vorrichtungen können besonders vorteilhaft für die Implementierung intelligenter Dienste sein, wie z.B. energetische Effizienz und vorausschauende Wartung in Industriemaschinen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Netzwerke, Systeme und Industrieanlagen einschließlich dieser Vorrichtungen.
  • STAND DER TECHNIK
  • In den 90er Jahren (1990er Jahre) wurde das Konzept eines Netzwerks aus intelligenten Vorrichtungen entwickelt und ein Begriff geprägt, der dieses Konzept definiert: das „Internet der Dinge (loT)“. Das loT bezieht sich auf physische Objekte oder Vorrichtungen, die mit dem Internet verbunden werden können und sich mit der sogenannten Machine-to-Machine- oder M2M-Kommunikation mit anderen Objekten oder Vorrichtungen identifizieren können. Das loT kann definiert werden als das Netzwerk von physischen Objekten, die mit Elektronik, Software, Sensoren und Netzwerkverbindungen eingebettet sind, die es diesen Objekten ermöglichen, Daten zu sammeln und auszutauschen. Die zum loT gehörenden Objekte können über bestehende Netzwerkinfrastruktur fernbedient erfasst und gesteuert werden. Jedes „Ding“ ist durch sein integriertes Computersystem eindeutig identifizierbar und kann mit Hilfe der bestehenden Internet-Infrastruktur betrieben werden. Derzeit vereint das loT mehrere Technologien, die sowohl drahtlose als auch drahtgebundene Kommunikation und Netzwerke, Sensoren und eingebettete Systeme sowie mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) umfassen. Das loT ist auf viele verschiedene Umgebungen anwendbar, darunter Heim (Smart Homes), öffentliche Infrastrukturen (wie Smart Cities, einschließlich z.B. Umweltaufsicht) und Industrie (entweder im spezifischen Sinne der Industrie, wie z.B. Smart Grids, oder im weiteren Sinne der Industrie, einschließlich einiger öffentlicher Infrastrukturen, wie z.B. intelligenter Verkehr).
  • Bei der Anwendung des loT auf industrielle Infrastrukturen (im weitesten Sinne) wird der spezifische Begriff Industrial Internet of Things (lloT), auch als Industrie 4.0 bezeichnet, verwendet. Wenn Industrieanlagen in das IloT integriert werden, sind Maschinen in der Lage, über ihren Betriebszustand an übergeordnete Überwachungssysteme zu informieren und ermöglichen so vorhersagende intelligente Dienste wie die Qualitätskontrolle in Echtzeit (RT), wie sie von Acatech (National Academy of Science and Engineering), Smart Service Welt, März 2014, benannt werden. Dies wiederum wird es den Herstellern von Industrieausrüstungen ermöglichen, zu Anbietern fortschrittlicher Dienstleistungen zu werden. Der Hauptunterschied zwischen IloT und loT besteht darin, dass die Vorrichtungen und Maschinen, die IloT umfassen, Systeme sein können (oder Teil davon sein können), deren Ausfall oder Fehlfunktion unter anderem zu mindestens einem Verlust oder zu schweren Schäden an Vorrichtungen/Eigentum, zu Umweltschäden und/oder zu schweren Produktionsausfällen führen kann. In diesem Sinne erfordern die Systeme einer Industrieanlage Lösungen mit Echtzeitverhalten und Synchronisation zwischen verschiedenen Maschinen, so dass sie bei möglichen Fehlfunktionen, die zu einem der vorherigen Ereignisse führen können, betätigt werden. Nicht einschränkende Beispiele für solche Systeme sind Energieerzeugungsanlagen wie Kernkraftwerke, elektrische Energieübertragung und - transport, Ölraffinerien, Erdgasverarbeitungsanlagen, chemische Verfahrensanlagen sowie Produktions- und Montagelinien.
  • Insbesondere am Beispiel von Fertigungslinien kann eine beispielhafte Fehlfunktion, die zu einem kritischen Ereignis führt, der Ausfall einer Kugel in einem der vielen Lager einer Maschine sein, die in einem Bearbeitungsprozess eingesetzt wird. Die Maschine kann aus einer Vielzahl von Elementen und/oder mechanischen Baugruppen von hoher Komplexität bestehen, jedoch kann der Ausfall der Kugel (d.h. beschädigte Kugel) in einem Lager dazu führen, dass die Maschine außer Betrieb gesetzt wird und die gesamte Produktionslinie unterbrochen wird. In diesem Sinne kann eine einzelne abgenutzte Kugel eine Kette von Ereignissen auslösen, die am Ende die gesamte Maschine ruiniert. In einigen anderen Fällen ist die Maschine auch nach der Beschädigung des Balles noch funktionsfähig, aber im Gegensatz dazu führt dieses Ereignis zum Ausfall weiterer Elemente innerhalb derselben Maschine, die schließlich die Maschine beschädigen können. In diesen Situationen ist die Zeit, die vom genauen Zeitpunkt des Versagens der Komponente (z.B. Kugel) bis zur Anweisung zum Anhalten der Maschine benötigt wird, der kritischste Aspekt, um Ausfälle oder gar Katastrophen zu vermeiden. Ein weiteres Beispiel für ein kritisches Ereignis im Bereich der Zerspanungsprozesse ist das Brechen einer einzelnen Schneide eines Werkzeugs (oder sogar derselben beschädigten Kugel), was zu schwerwiegenden Qualitätsproblemen und Produktionsausfällen führen kann: Die von der Maschine verarbeiteten Waren werden falsch verarbeitet und werden dadurch fehlerhaft und entsprechen nicht den Mindestqualitätsanforderungen; es kann vorkommen, dass niemand erkennt, dass die Waren fehlerhaft sind oder dass sie erkannt werden, aber erst, nachdem sie an die Händler oder Endkunden geliefert wurden. Daher müssen solche Fehler in Echtzeit erkannt werden, so ist eine schnelle Erkennung und Reaktion auf (je nach Art der Maschine und des Fehlers, dies kann einige Millisekunden dauern) den Ausfall von Komponenten ein Muss in industriellen Umgebungen. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass Industriesysteme irgendwie vorhersagen können, wann die Komponenten in Maschinen ausfallen werden, so dass sie vor ihrem Ausfall ausgetauscht werden können.
  • Wenn Maschinen von Industrieanlagen IloT umfassen, neigen diese dazu, große Datenmengen zu erzeugen (eine einzelne Maschine kann Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Sensoren umfassen), was neue herausfordernde Geschäftsmöglichkeiten schafft. Solche Datenmengen bringen die konsequente Notwendigkeit einer schnellen Verarbeitungszeit der Daten und eine zunehmende Notwendigkeit einer schnellen Indexierung, Speicherung und Verarbeitung dieser Daten mit sich, da sonst die erzeugten Daten bedeutungslos werden können. So kann beispielsweise eine Werkzeugmaschine, die Tausende von Variablen ausgeben kann, d.h. Tausende von verschiedenen potenziellen Informationen, die von Sensoren und/oder Vorrichtungen bereitgestellt werden, die den Betrieb der Werkzeugmaschine steuern, vor dem Ausfall oder wenige Augenblicke nach dem Ausfall gestoppt werden, wenn diese Variablen (oder eine Teilmenge dieser Variablen) schnell verarbeitet werden und eine Bedeutung aus der Kombination einiger oder aller Variablen gewonnen wird. Betrachtet man den Einzelfall einer Werkzeugmaschine mit 3 Servomotoren und einer Bearbeitungsspindel, so beträgt die Anzahl der Ausgangsgrößen 78. Beträgt der Durchsatz pro Probe 2,8 MB/Zyklus, beträgt die Menge der erfassten Daten pro Jahr etwa 1 TB. Die Verzögerung bei der Verarbeitung der Variablen und bei der Reaktion auf die anschließende Extraktion von Wissen aus den Variablen bestimmt, ob der Ausfall wirksam verhindert wird oder nicht, wobei sie bestimmt, wie hoch die Kosten für den eingetretenen Ausfall sein werden. Wie in den obigen Beispielen beschrieben, gilt: Je später der Fehler erkannt wird, desto höher sind die Kosten, die bei der Lösung der daraus resultierenden Probleme anfallen.
  • Der aktuelle Ansatz für den Umgang mit großen Datenmengen basiert auf einem pyramidenförmigen Berechnungsstapel 190, wie in 1 dargestellt. In einer ersten Stufe erfassen Sensoren kontinuierlich Daten von einem Gerät oder einer Maschine einer Industrieanlage (kritisches System im Allgemeinen) unter Überwachung/Qualitätskontrolle. Eine zweite Ebene ist die lokale Steuerungsebene, die beispielsweise mit SPSen (Programmable Logic Controllers) oder Computer Numerical Control (CNC)-Tools implementiert ist, wobei Sensorsignale in digitale Daten umgewandelt werden. Die von den Sensoren erfassten Daten werden über die SPS/CNC-Ebene an ein Industrial Control System (ICS), wie beispielsweise SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), übermittelt. SCADA ist ein zentrales computergestütztes System zur Fernüberwachung und -steuerung von industriellen Prozessen (die auch über große Bereiche verteilt sein können), wie z.B. Fertigung, Energieerzeugung, Infrastrukturprozesse, elektrische Energieübertragung und Transport. Lokale Steuerungsaktionen werden von der SPS/CNC durchgeführt, während SCADA für globale Steuerungsaktionen verantwortlich ist, die das gesamte System betreffen.
  • Die SCADA-Schicht befasst sich mit Informationen, während die untere Schicht (PLC/CNC) direkt mit Daten arbeitet. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „Daten“ auf Rohwerte (wie z.B. einen Spannungswert oder andere), die von der entsprechenden Quelle (z.B. Sensor, SPS/CNC oder Gerät im Allgemeinen) bereitgestellt werden, während sich der Begriff „Informationen“ auch auf Daten bezieht, jedoch in einer kontextualisierten Form. So ist beispielsweise die Spannung, die aus einem Thermistor resultiert, Daten (insbesondere Rohdaten), und die Spannung, sobald ihr eine Bedeutung gegeben wird (d.h. wie hoch ist die Temperatur für diese bestimmte Spannung), ist ebenfalls eine Information.
  • Die oberen Ebenen der Pyramide sind MES (Manufacturing Execution System) und ERP (Enterprise Resource Planning). MES sind computergestützte Systeme, die unter anderem für die Verwaltung von Produktdefinitionen, die Verwaltung von Ressourcen, die Planung, Disposition und Ausführung von Produktionsaufträgen, die Erfassung von Produktionsdaten und die Durchführung von Produktionsanalysen zuständig sind, während ERP sich auf betriebswirtschaftliche Software bezieht, die eine integrierte Sicht auf die Kerngeschäftsprozesse bietet. Es wird beispielsweise verwendet, um Daten aus verschiedenen Geschäftsaktivitäten wie Produktplanung, Marketing und Vertrieb, Bestandsmanagement sowie Versand und Zahlung zu sammeln, zu speichern, zu verwalten und zu interpretieren. Die oberen Schichten (MES und ERP) befassen sich nicht mehr mit Informationen als solche, sondern arbeiten mit geschäftsrelevanten Informationen (auch „Wissen“ genannt), die nach der Verarbeitung aus den Informationen selbst gewonnen werden können.
  • Die SCADA-Systeme des Standes der Technik müssen geringe Informationsmengen verwalten, die den aktuellen Zustand der überwachten Maschinen widerspiegeln (z.B. aktive/inaktive Vorrichtungen im Allgemeinen, Auf/Zu-Zustände von Ventilen, Druckniveau in Tanks usw.); diese Statuswerte können beispielsweise von einer SPS/CNC abgerufen werden. Wenn andere Aufgaben als die bloße Überwachung vorgesehen sind (z. B. die Durchführung einer vorausschauenden Wartung oder die Beurteilung, ob ein Gerät oder eine Maschine trotz einer scheinbar korrekten Gesamtleistung ordnungsgemäß funktioniert), ist es notwendig, alle oder die meisten der von den Sensoren und zugehörigen Vorrichtungen der Industriemaschine gelieferten Daten zu berücksichtigen. Eine einzelne Maschine kann Hunderte oder sogar Tausende von Sensoren beinhalten, von denen jeder mehr als eine Variable bereitstellen kann (z.B. hat ein Foto einer Digitalkamera so viele Variablen wie Pixel die Fotofunktionen). Dementsprechend wird eine große Datenmenge (d.h. Daten, die dann Informationen und Wissen liefern können) bereitgestellt. Beim Stand der Technik müssen die Daten in der Cloud gespeichert werden, wo sie mittels des so genannten Cloud Computing verarbeitet werden können. Cloud Computing ist ein Modell, das einen allgegenwärtigen, bedarfsorientierten Netzwerkzugriff, meist über das Internet, auf einen gemeinsamen Pool von konfigurierbaren Rechen- und Verarbeitungsressourcen wie Server, Netzwerke und Datenbanken ermöglicht. Aufgrund der Natur des Internets sind Fragen wie Netzwerklatenz, Sicherheit und Datenschutz den Cloud-Systemen inhärent. Im Allgemeinen sind Sicherheit und Datenschutz problematische Themen, wenn sensible Informationen und Daten in der Cloud gespeichert werden.
  • Aber selbst wenn diese beiden Fragen kein Problem darstellen würden, kann Cloud Computing keine angemessene Antwort auf die anspruchsvollen Bedingungen der Kontrolle von industriellen Umgebungen geben. Erstens ist die bloße Speicherung der Daten in der Regel überhaupt nicht möglich: Große Datenmengen werden von jeder Maschine einer Industrieanlage erzeugt, so dass die für die Übertragung der Daten in die Cloud erforderliche Bandbreite in der Regel unzureichend ist; ferner ist das System nicht nur durch den Kommunikationskanal, sondern auch durch alle Vorrichtungen, die die Übertragung der Daten in die Cloud ermöglichen, wie z.B. Switches, Router, etc. begrenzt. Dies ist besonders problematisch in Systemen wie den oben genannten, die als Reaktion auf ein anomales Verhalten gesteuert werden müssen, das nur mit den von der Maschine selbst gelieferten Rohdaten erkannt werden kann und die Erkennung in extrem kurzer Zeit durchführen. Und zweitens, weil es notwendig wäre, alle gespeicherten Daten zu verarbeiten, um ein solches anomales Verhalten zu erkennen, und trotz der Berechnungsmöglichkeiten von Cloud Computing reicht dies möglicherweise nicht aus, um eine Antwort zu geben, geschweige denn in kurzen Zeiträumen.
  • Um diese Nachteile zu mildern, wurde ein neues Paradigma entwickelt, das allgemein als Fog Computing oder Edge Computing bezeichnet wird und darauf abzielt, die Cloud näher an die Industrieanlagen heranzuführen. Fog/Edge Computing erweitert das Cloud Computing auf den physischen Standort der zum Netzwerk gehörenden Maschinen, stellt die Nähe zu den Endbenutzern und die Bündelung lokaler Ressourcen sicher und reduziert so die Netzwerklatenz, wie beispielsweise Pranali More in „Review of implementing Fog Computing", IJT: International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 04, Ausgabe 06, June 2015, berichtet. Fog/Edge Computing befasst sich mit einigen der Sicherheits- und Datenschutzprobleme oder Bedenken im Zusammenhang mit Cloud Computing, soweit Daten oder Informationen nicht in der Cloud gespeichert werden müssen. Dennoch erfordert Fog/Edge Computing den Einsatz einer großen Infrastruktur, die extrem teuer sein kann und ohnehin nicht alle Probleme des Cloud Computing löst. Insbesondere sind die gleichen Bandbreiten- und Rechenprobleme auch beim Fog/Edge-Computing vorhanden. Nun ist es richtig, dass die Netzwerklatenz niedriger sein kann als beim Cloud Computing, aber die Bandbreite des Kommunikationskanals kann sich als nicht ausreichend für die in einer Industrieanlage erzeugten Durchsätze erweisen. Wenn das Netzwerk die Datenmenge der gesamten Industrieanlage irgendwie bewältigen könnte, müsste diese Datenmenge wiederum rechtzeitig verarbeitet werden, um ein anomales Verhalten der Maschinen zu erkennen.
  • Als Beispiel zeigt 2 ein Schema der heutigen Architektur, die die industriellen Netzwerke und die Cloud verbindet. Als Beispiel werden vier Endpunkte gezeigt, die jeweils ein anderes Beispiel für industrielle Netzwerke darstellen: ein Windkraftwerk, eine Lokomotive, eine Werkzeugmaschine und eine Zelle zum Einlegen von Komponenten in ein Werkstück mit einem Roboter. Jeder Endpunkt ist mit einem Cyber-Physical Production System (CPPS) verbunden, das für die Datenerfassung von den Endpunkten und die lokale Vorverarbeitung der erfassten Daten zuständig ist. Beispiele für die Vorverarbeitung konventioneller CPPSs sind die Eliminierung fehlerhafter Daten für platzsparende und einfache Sample-Transformationen (Signalverarbeitung mit z.B. Mittelwerten, Mittelwerten, Standardabweichungen, Domänenänderungen wie z.B. von Zeit- in Frequenzbereich mit Fast Fourier Transforms, FFT). Zwischen dem CPPS und der Cloud wird eine gesicherte Kommunikation bereitgestellt, um die vorverarbeiteten Daten zur weiteren Speicherung und Verarbeitung an die Cloud zu senden. In vielen Anwendungen ist es erforderlich, dass mehrere CPPSs miteinander verbunden sind, z.B. über ein Ethernet-Netzwerk. Es gibt derzeit mehrere Unternehmen, die Vorrichtungen anbieten, die wie das veranschaulichte CPPS arbeiten und sich mit benachbarten Vorrichtungen verbinden können. Beispiele für solche Vorrichtungen sind DESwitch Akro 6/0 TSN von TTTech, CPPS-Gate40 von SoCe und eWON Flexy von eWON.
  • Armando Astarloa et. al. haben ein CPPS mit dem Hochverfügbarkeitsprotokoll IEEE 1588 vorgeschlagen, das aus intelligenten Knoten besteht, die in der Lage sind, Multisensordaten zu erfassen und zu verarbeiten, und die Knoten in einem hochverfügbaren Ringnetzwerk sind, das in der Lage ist, die Synchronisation in Submikrosekunden zu unterstützen („1588-aware High-Availability Cyber Physical Production Systems“, Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS), 2015 IEEE International Symposium on, Beijing, 2015, pp. 25-30). Das Netzwerk erfüllt extrem hohe Synchronisationsanforderungen. Jeder Smart Node sendet eine große Menge an Sensordaten in Kombination mit ihren Zeitstempelwerten an einen Server in der Cloud, wo sie verarbeitet und verwaltet werden sollen.
  • Das Problem eines solchen Systems besteht darin, dass die Menge der in jedem Smart Node (CPPS) erzeugten Daten dazu führen kann, dass die Kommunikationsverbindung zwischen Smart Nodes und dem Server nicht wie erwartet funktioniert. Unter erneuter Bezugnahme auf das Beispiel einer Industriemaschine, die durch Tausende von Variablen pro Sekunde (Stichproben pro Submillisekunde) repräsentiert wird, kann der Server selbst nach der Vorverarbeitung der mit diesen Variablen verbundenen Daten in einem CPPS möglicherweise nicht in der Lage sein, diese Daten innerhalb der anspruchsvollen Zeiträume von Industrieumgebungen zu verarbeiten, wodurch bestimmte intelligente Dienste, wie Dienste zur Verbesserung der Gesamteffizienz der Anlagen und der vorausschauenden Wartung, unerreichbar werden.
  • Dieses Problem könnte durch den Einsatz einer riesigen Infrastruktur von Kommunikationskanälen und Switches angegangen werden, die genügend Kapazität bieten, um mit der enormen Menge an Daten fertig zu werden, die an die Cloud geliefert werden müssen (einschließlich der Daten, die von Sensoren erhältlich sind, wie in 1 dargestellt), und durch die Sicherstellung kurzer Zeiten für die Verarbeitung der Daten und die Extraktion von Wissen aus den Daten (das bedeutet, dass immer genügend Rechenressourcen verfügbar sein müssen und dass die Netzwerklatenz niedrig und stabil ist). Neben den erforderlichen großen wirtschaftlichen Investitionen in Ausrüstung und Wartung ist dies jedoch nur eine kurzfristige Lösung, die nicht einmal kostengünstig ist, da die Anforderungen an Kanalbandbreite und Rechenleistung kontinuierlich steigen, wenn neue Industriemaschinen zur Industrieanlage hinzukommen, so dass das System nicht skalierbar ist.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Vorrichtung, das Netzwerk und das System beabsichtigen, die Mängel der intelligenten Vorrichtungen des Standes der Technik und ihrer Netzwerke zu beheben. Die Vorrichtung, das Netzwerk und das System sind eine Vorrichtung, ein Netzwerk und ein System zur Überwachung des Betriebs von mindestens einer Maschine in einer Industrieanlage. Die Vorrichtung, das Netzwerk und das System der Erfindung können auch das Verhalten der mindestens einen Maschine vorhersagen oder die mindestens eine Maschine betätigen, beispielsweise durch eine Anweisung oder einen Befehl an die mindestens eine Maschine oder eine Komponente davon, um auf eine möglicherweise erkannte oder diagnostizierte Fehlfunktion zu reagieren. Jede der Vorrichtungen, Netzwerke und Systeme ist besonders geeignet für den Einsatz in industriellen Umgebungen, die intelligente Dienste erfordern, wie z.B. Dienste zur Verbesserung der Gesamteffizienz der Anlagen und vorbeugende Wartung, in einer kosteneffizienten Weise, wie aus der vorliegenden Beschreibung ersichtlich wird.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist der Begriff „überwachender Betrieb“ weit auszulegen und umfasst nicht nur die passive Überwachung einer oder mehrerer Maschinen in einer Industrieanlage, sondern auch die aktive Reaktion, Betätigung, Vorhersage, Vorschrift, Kontrolle oder Verwaltung auf einer oder mehreren Maschinen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Maschine“ auf jede Maschine, Maschinerie, Station, Zelle, Komponente oder Peripheriegerät, das mit einer Maschine, Maschinerie, Station oder Zelle einer industriellen Umgebung verbunden ist. In diesem Text soll der Begriff „Sensor“ nicht nur Sensoren im wörtlichen Sinne umfassen, sondern auch Vorrichtungen zur Integration einer Vielzahl von Sensoren, wie SPS und CNC, die alle Daten bereitstellen, die von diesen Maschinen ausgegeben werden können, einschließlich Sensordaten, die von den Vorrichtungen zur Integration von Sensoren erfasst worden sein könnten. Mit anderen Worten, „Sensoren“ gehören zu einer Stufe der Felddatenerfassung und umfassen alle Felddatenerfassungsmittel. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Daten“ auf Rohwerte (z.B. einen Spannungswert oder andere), die von der entsprechenden Quelle (z.B. Sensor, SPS/CNC oder Gerät im Allgemeinen) bereitgestellt werden, während sich der Begriff „Informationen“ auch auf Daten bezieht, jedoch in kontextualisierter Form. So sind beispielsweise die Spannungen, die aus einem Thermistor resultieren, Daten (insbesondere Rohdaten), und die Spannung, sobald ihr eine Bedeutung gegeben wird (d.h. wie hoch ist die Temperatur für diese bestimmte Spannung), ist ebenfalls eine Information. Offensichtlich umfasst der Begriff „Daten“ auch eine Probe oder einen Satz von Proben, die von Sensoren erhältlich sind, wenn es um digitalisierte Informationen geht, beispielsweise in Form von Bits oder Bytes.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs mindestens einer Maschine einer Industrieanlage oder zur Überwachung dieses Betriebs und zur Betätigung der mindestens einen Maschine auf der Grundlage dieser Überwachung. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Verarbeitungsaufgabe in Echtzeit mit Daten zu berechnen, die von einer Maschine, mit der die Vorrichtung verbunden ist, erfasst werden können, wobei die erste Verarbeitungsaufgabe das Lösen einer ersten Abfrage ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen zweiten Prozessor, der konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit einem Netzwerk zu teilen, an das die Vorrichtung anschließbar ist, und um mindestens einen Thread einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zu berechnen, wenn er von einer anderen Vorrichtung (in der vorliegenden Offenbarung als Server oder Master bezeichnet) des Netzwerks zugewiesen wird, wobei die zweite Verarbeitungsaufgabe das Lösen einer zweiten Abfrage ist.
  • Die Vorrichtung ist in der Lage, Fragen im Zusammenhang mit dem Betrieb der mindestens einen Maschine oder mindestens einen Komponente davon zu lösen. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Maschine, an die die Vorrichtung anschließbar ist, die mindestens eine Vorrichtung. Das Netzwerk, an das die Vorrichtung anschließbar ist, ist vorzugsweise ein Computer-Cluster-Netzwerk in einem Hochleistungsrechner-Kontext.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Überwachung des Betriebs mindestens einer Maschine einer Industrieanlage oder zur Überwachung dieses Betriebs und zur Betätigung der mindestens einen Maschine auf der Grundlage dieser Überwachung. Das System umfasst ein Netzwerk, das wiederum einen Server und eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst, die einen Computercluster bilden. Mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl der Vorrichtungen sind Vorrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. In diesem Sinne ist jede Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen mit einer Maschine der Industrieanlage verbindbar und umfasst: einen ersten Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Verarbeitungsaufgabe in Echtzeit mit Daten zu berechnen, die von der Maschine, an die die Vorrichtung angeschlossen ist, erhältlich sind, wobei die erste Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage dient; und einen zweiten Prozessor, der konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Netzwerk zu teilen und mindestens einen Thread einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zu berechnen, wenn er vom Server zugewiesen wird, wobei die zweite Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer zweiten Abfrage dient. Der Server des Netzwerks ist konfiguriert, um den Computercluster zu steuern, die zweite Verarbeitungsaufgabe in eine Vielzahl von Threads aufzuteilen und dem zweiten Prozessor von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen mindestens einen Thread zuzuweisen. In diesem Zusammenhang umfasst der Server einen Prozessor, der konfiguriert ist, um den Computercluster zu verwalten, die zweite Verarbeitungsaufgabe in eine Vielzahl von Threads aufzuteilen und mindestens einen Thread dem zweiten Prozessor von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen zuzuweisen und zu übertragen. Der in dem Server enthaltene Prozessor kann auch konfiguriert werden, um Ausgaben der Threads von den mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen zu empfangen; die Ausgaben der Threads zu verarbeiten, um die zweite Verarbeitungsaufgabe zu berechnen; und eine Lösung für die zweite Abfrage bereitzustellen.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Industrieanlage, die umfasst: eine Vielzahl von Maschinen; und ein Netzwerk zum Überwachen des Betriebs von mindestens einer Maschine aus der Vielzahl von Maschinen oder zum Überwachen eines solchen Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine basierend auf einer solchen Überwachung, wobei das Netzwerk einen Server und eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst, die einen Computercluster bilden. Mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl von Vorrichtungen sind mit einer Maschine aus der Vielzahl von Maschinen verbindbar, wobei jede Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen umfasst: einen ersten Prozessor, der konfiguriert ist, um in Echtzeit mit den von der Maschine, mit der die Vorrichtung verbindbar ist, erfassbaren Daten eine erste Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage zu berechnen; und einen zweiten Prozessor, der konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Netzwerk zu teilen und, wenn er vom Server zugewiesen wird, mindestens einen Thread einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer zweiten Abfrage zu berechnen. Der Server des Netzwerks ist konfiguriert, um den Computercluster zu steuern, die zweite Verarbeitungsaufgabe in eine Vielzahl von Threads aufzuteilen und einen oder mehrere Threads der Vielzahl von Threads dem zweiten Prozessor von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen zuzuordnen. Der Server kann auch konfiguriert werden, um Ausgaben der Threads von den mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen zu empfangen; die Ausgaben der Threads zu verarbeiten, um die zweite Verarbeitungsaufgabe zu berechnen; und eine Lösung für die zweite Abfrage bereitzustellen. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die mindestens einigen Vorrichtungen jede Vorrichtung aus der Vielzahl der Vorrichtungen. Darüber hinaus ist in einigen dieser bevorzugten Ausführungsformen jede Vorrichtung aus der Vielzahl von Vorrichtungen des Netzwerks (des Systems oder der Industrieanlage) eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
  • Die Vorrichtung kann Abfragen in Echtzeit lösen, während sie Daten von der Maschine in Echtzeit erhält, was wiederum eine Reaktion in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit ermöglicht, z.B. um zu verhindern, dass ein kritisches Ereignis eintritt oder dass ein bereits aufgetretenes kritisches Ereignis Schäden an der Industrieanlage oder an Bedienern innerhalb der Industrieanlage verursachen kann; in diesem Sinne kann die Vorrichtung aus solchen Abfragen eine Anweisung für die Maschine ableiten (z.B. Einstellen von Parametern einer Komponente, Abschalten der Maschine, etc.). Die Vorrichtung kann auch in ein Computer-Cluster-Netzwerk integriert werden, um zur Lösung von Abfragen beizutragen, die aufgrund ihrer Komplexität oder Rechenlast nicht in Echtzeit gelöst werden können, sondern aufgrund des Computer-Cluster-Netzwerks in der Prozesszeit, d.h. während eines industriellen Prozesses (ein Prozess einer Maschine der Industrieanlage), gelöst werden können, wodurch eine Reaktion im Prozess ermöglicht wird. Bei den Abfragen kann es sich um Abfragen zur Überwachung des Betriebs mindestens einer Maschine (oder mindestens einer Komponente einer Maschine) in einer Industrieanlage oder um Abfragen zur Vorhersage des Verhaltens der mindestens einen Maschine oder Komponente oder zur Betätigung der mindestens einen Maschine oder Komponente handeln, oder um Abfragen, deren Antwort von der Vorrichtung oder dem Server, der die Vorrichtungen steuert, zur Reaktion auf eine möglicherweise erkannte oder diagnostizierte Fehlfunktion oder zur Betätigung an der Maschine oder Komponente oder zur Vorschrift einer Betätigung an der Maschine oder Komponente verwendet wird. Da Daten aus der Industrieanlage innerhalb des Computercluster-Netzwerks gespeichert werden können, kann die Vorrichtung auch zur Lösung von Abfragen beitragen, die keine Lösung in Echtzeit oder in der Prozesszeit erfordern, die aber Informationen über Verschlechterung, mögliche Ausfälle oder mögliche Verbesserungen in einem bestimmten Zeithorizont liefern können.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Echtzeit“ auf eine Zeit, die in einem Bereich liegt, der zwischen einem Minimalwert Vmin und einem oberen Wert von 100 ms (Millisekunden) liegt, wie beispielsweise einem Bereich, der zwischen einem Minimalwert Vmin und einem oberen Wert von 50 ms liegt, einem Bereich, der zwischen einem Minimalwert Vmin und einem oberen Wert von 5 ms liegt, oder einem Bereich, der zwischen einem Minimalwert Vmin und einem oberen Wert von 1 ms liegt. Unter Berücksichtigung der aktuellen Technologie kann der Mindestwert Vmin beispielsweise 1 µs (Mikrosekunden) betragen. Dennoch wird ein Fachmann verstehen, dass die Weiterentwicklung der Technologie es ermöglichen kann, den Minimalwert Vmin des Bereichs auf einen Minimalwert kleiner als 1 µs zu reduzieren, wie beispielsweise einen Minimalwert von 500 ns, einen Minimalwert von 100 ns, einen Minimalwert von 20 ns oder einen Minimalwert von 1 ns.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Abfragen, die in Echtzeit von einer einzigen Vorrichtung gelöst werden können (vorzugsweise die Vorrichtung, die die erforderlichen Daten zur Lösung der Abfragen von der damit verbundenen Maschine erhält), als erste Abfragen bezeichnet, während Abfragen, die in der Bearbeitungszeit gelöst werden können, als zweite Abfragen bezeichnet werden.
  • Zweite Abfragen sind mit einer Aufgabe verbunden, die durch Aufteilung in einen oder mehrere Teile (d.h. Threads) parallelisiert werden kann, was bedeutet, dass ein oder mehrere Threads der Aufgabe zur Lösung der zweiten Abfrage bereitgestellt und verschiedenen Vorrichtungen eines Computercluster-Netzwerks zugewiesen werden können. Jeder dieser Threads kann verteilt (z.B. in verschiedenen Vorrichtungen) berechnet werden. Wenn ein zweiter Prozessor einer Vorrichtung einen Thread berechnet, kann das Ergebnis des Threads mit anderen Threads (z.B. an einem Gerät oder am Server des Computer-Cluster-Netzwerks) derselben Aufgabe integriert werden, so dass die Abfrage gelöst werden kann. Die Zeit, die benötigt wird, um eine Abfrage durch Parallelisierung der Berechnung ihrer Aufgabe zu lösen, kann kürzer sein als die Lösung ohne Parallelisierung.
  • Der zweite Prozessor der Vorrichtung ist konfiguriert, um mindestens einen Thread einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zu berechnen, wenn der Server (eines Netzwerks, mit dem die Vorrichtung verbunden und/oder verbunden ist) der Vorrichtung diesen Thread zuweist. Die Zuordnung von Threads durch den Server erfolgt unter Berücksichtigung der verfügbaren Rechenleistung der das Netzwerk bildenden Vorrichtungen. Da der zweite Prozessor zur Lösung einer zweiten Abfrage beiträgt, indem er einen Teil der entsprechenden zweiten Verarbeitungsaufgabe berechnet, ist der zweite Prozessor konfiguriert, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Computercluster-Netzwerk zu teilen, mit dem die Vorrichtung verbunden ist und/oder mit dem die Vorrichtung verbunden ist. Wenn das Computer-Cluster-Netzwerk beispielsweise Knoten in Form der Vorrichtung des ersten Aspekts der Erfindung aufweist, kann die Rechenleistung des zweiten Prozessors mit den zweiten Prozessoren gleicher Vorrichtungen innerhalb des Computer-Cluster-Netzwerks geteilt werden. Auch wenn das Computer-Cluster-Netzwerk vorzugsweise so viele Knoten umfasst, wie es Vorrichtungen und einen Server gibt, kann das Computer-Cluster-Netzwerk weitere Knoten in Form von z.B. Ethernet-Switches, Routern, Datenspeichervorrichtungen, Vorrichtungen mit nicht mit dem Computer-Cluster-Netzwerk geteilter Rechenleistung usw. umfassen.
  • Die Integration von Multisensordatenerfassung und lokalen Verarbeitungsfunktionen (im ersten Prozessor) und verteilten Verarbeitungsfunktionen (im zweiten Prozessor) in ein und derselben Vorrichtung führt zu einem neuen Konzept der pyramidenförmigen Berechnung für die hochverfügbare Datenverarbeitung, das die traditionelle Pyramide ersetzt: Während eine große Menge von Geschäftsentscheidungen (Wissen) weiterhin in der Cloud gespeichert und verarbeitet werden kann und/oder bestimmte Informationen (z.B. als Ergebnis der Verarbeitung von Rohdaten, die von Maschinenschnittstellen gesammelt wurden, um eine globale Sicht auf die Industrieanlage unter Qualitätskontrolle zu erhalten) weiterhin im Fog/Edge gespeichert und verarbeitet werden können, wurde eine neue Berechnungsschicht entwickelt und definiert: das Ground Computing.
  • Was den Server des Systems betrifft, so beinhaltet er ferner Mittel zur Verbindung mit dem Netzwerk (z.B. einen Ein-/Ausgangsport oder eine Netzwerkschnittstellensteuerung), über die der Server verbindbar und/oder mit dem Netzwerk verbunden ist. Der Server und sein Prozessor können ferner konfiguriert werden, um die Leistung des Rechenclusters zu optimieren, indem die Last der Vorrichtungen innerhalb des Rechenclusters ausgeglichen wird. In diesem Sinne kann jede Vorrichtung Informationen über ihre Rechenlast an den Server senden, so dass der Prozessor des Servers die Rechenlast jeder Vorrichtung kennen kann und somit den Vorrichtungen in Abhängigkeit von ihrer Rechenlast alle Threads zugewiesen werden. Die Rechenfähigkeiten des Rechenclusters werden dadurch optimiert, da es vorkommen kann, dass einige Vorrichtungen fast ungenutzt sind, während andere Aufgaben nahe ihrer Rechenleistung ausführen. Die Verarbeitungs- oder Rechenleistung des Netzwerks steigt, wenn zusätzliche Vorrichtungen in das Netzwerk eingebunden werden, wenn neue Vorrichtungen und Maschinen in der Industrieanlage eingesetzt werden. Dies wiederum kann die Lösung komplexerer Abfragen ermöglichen, da die Daten nicht aus dem Netzwerk genommen werden müssen (die Daten bleiben im Basisbereich).
  • Die Vorrichtung und das System der vorliegenden Offenbarung können ein neues Berechnungsschema bereitstellen, das durch eine lokale Berechnungsebene gebildet wird, in der Sensordaten (Sensorik im weitesten Sinne bereits spezifiziert, und Daten als umhüllende Proben) zuerst erhalten und dann zum lokalen Lösen einer oder mehrerer erster Abfragen verwendet werden, und eine verteilte Berechnungsebene gebildet wird, in der es eine verteilte Lösung einer oder mehrerer zweiter Abfragen gibt. Dieses neue Berechnungsschema kann die Reaktionszeit auf jede Abfrage und die Reaktionszeit zum Lösen (und Ableiten einer Anweisung) einer Abfrage innerhalb der Industrieanlage, der das Netzwerk zugeordnet ist, verkürzen. Mit anderen Worten, die Vorrichtungen und das verteilte Rechnen (als High Performance Computing, d.h. HPC, angesehen), das von den im Computing-Cluster-Netzwerk arbeitenden Vorrichtungen durchgeführt wird, erhöhen die Gesamtrechenleistung, die sich aus der vorausschauenden Steuerung/Überwachung der Industrieanlage ergibt. Dementsprechend wird dem aktuellen pyramidenförmigen Rechenstapel 190 von 1 eine neue Rechenschicht hinzugefügt. Diese neue Rechenschicht wird als Ground Computing bezeichnet und umfasst die Verarbeitung des zweiten Prozessors jeder Vorrichtung im Netzwerk. Mit anderen Worten, das Ground Computing beinhaltet das High Performance Computing, das von den im Netzwerk enthaltenen Vorrichtungen durchgeführt wird, um zweite Abfragen innerhalb der Ground Computing-Schicht zu lösen. Die Ground Computing-Schicht ist auf der untersten Schicht aufgebaut, nachstehend als Liquid Computing-Schicht bezeichnet, die die Verarbeitung des ersten Prozessors jeder Vorrichtung im Netzwerk umfasst. Die Liquid Computing-Schicht berechnet Aufgaben zur Lösung der ersten Abfragen in Echtzeit mit Daten, die von der Maschine bezogen werden können, an die die Vorrichtung angeschlossen werden kann. Um die Anforderung zu erfüllen, die ersten Abfragen in Echtzeit zu lösen, kann vorteilhaft ein erster Prozessor mit programmierbarer Hardware/Elektronik eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine feldprogrammierbare integrierte Schaltung wie ein FPGA (d.h. ein feldprogrammierbares Gate-Array) als Hardwarebeschleuniger verwendet werden. Dies ermöglicht die Berechnung von Aufgaben, die mit ersten Abfragen in Bearbeitungszykluszeiten verbunden sind, wie z.B. zwischen 1/1,5 GHz und 1/0,8 GHz, d.h. zwischen 0,67 ns (Nanosekunden) und 1,25 ns. Somit kann die Überwachung einer Maschine oder eines Teils davon in Echtzeit erfolgen.
  • Außerdem, weil große Datenmengen, die in komplexen Industrieanlagen erzeugt werden, innerhalb des Rechenclusters (d.h. näher an der Maschine als Cloud/Fog-Computing) in zwei verschiedenen Schichten verarbeitet werden (Liquid Computing, Lösung von Abfragen, die eine Echtzeitverarbeitung erfordern und somit eine Reaktion auf ein Ereignis in nahezu Echtzeit ermöglichen, z.B. in der Größenordnung von Millisekunden; und Ground Computing, Lösen von Abfragen, die ohne paralleles Rechnen in einer für eine schnelle Reaktion unzureichenden Zeit gelöst würden, und auch in einigen Fällen, falls erforderlich, Lösen von Abfragen mit weniger anspruchsvollen Zeitantworten, die eine In-Prozess-Reaktion ermöglichen, d.h. während der Zeit, die für die Durchführung eines Prozesses benötigt wird), kann die Datenmenge, die an Vorrichtungen geliefert wird, die Edge/Fog/Cloud Computing durchführen (die offline für eine Off-Prozess-Reaktion behandelt werden sollen, d.h. in einer Zeit, die länger ist als die Zeit, die für die Durchführung eines Prozesses benötigt wird), reduziert werden. Tatsächlich ist es nicht erforderlich, dass Rohdaten zur Verarbeitung an die Cloud/Fog/Edge übertragen werden, weshalb die Telekommunikationsinfrastruktur zwischen den verschiedenen Schichten eine geringere Kapazität und/oder höhere Latenz aufweisen kann. Im Gegenteil, im Wesentlichen verlassen nur kontextualisierte Informationen den Rechencluster (Ground Computing) zur Weiterverarbeitung oder Berechnung in der Edge/Fog/Cloud. Das beschriebene neue Rechenschema kann daher mit bestehenden Paradigmen wie Cloud Computing und Fog/Edge Computing koexistieren, aber diese sind der verfeinerten Verarbeitung gewidmet (d.h. der fortgeschrittenen Verarbeitung von Informationen, um Kenntnisse über das zu analysierende Industriesystem zu erlangen).
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die erste Verarbeitungsaufgabe: Vorverarbeitung der ersten Daten zu einem Datensatz zur Lösung der ersten Abfrage. Das heißt, der erste Prozessor der Vorrichtung ist ferner konfiguriert, um die ersten Daten vorzuverarbeiten, um einen Datensatz zur Lösung der ersten Abfrage zu bilden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die erste Verarbeitungsaufgabe: Vorverarbeitung der ersten Daten zu einem Datensatz; und Auswahl einer Teilmenge von Daten aus dem Datensatz zur Lösung der ersten Abfrage. Das heißt, der erste Prozessor der Vorrichtung ist ferner konfiguriert, um die ersten Daten vorzuverarbeiten, um einen Datensatz zu bilden, und um einen Teil der Daten aus dem Datensatz zur Lösung der ersten Abfrage auszuwählen.
  • Die Vorrichtung erhält die erforderlichen Daten (im Allgemeinen Sensordaten), verarbeitet die erhaltenen Daten vor, wodurch die Größe der Daten reduziert wird, und löst Abfragen mit den vorverarbeiteten Daten (d.h. den Daten mit reduzierter Größe). Darüber hinaus kann ein Teil oder eine Gesamtheit der vorverarbeiteten Daten auch an Fog/Cloud-Computerausrüstung geliefert werden, so dass bei Fog- und/oder Cloud-Computing die Weiterverarbeitung beispielsweise für geschäftsbezogene Abfragen oder Operationen vorgesehen werden kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der zweite Prozessor der Vorrichtung ferner konfiguriert, um lokal eine dritte Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer Abfrage zu berechnen (eine Abfrage, die nicht mit parallelem Rechnen verknüpft ist, die in der vorliegenden Offenbarung auch als dritte Abfrage bezeichnet wird), d.h. der zweite Prozessor ist nicht auf das Lösen von Aufgaben beschränkt, die sich auf eine zweite Abfrage parallelisierbarer Natur beziehen.
  • In einigen dieser Ausführungsformen beinhaltet die dritte Verarbeitungsaufgabe die Verarbeitung der von einer beliebigen Vorrichtung des Netzwerks (einschließlich des Servers oder der gleichen Vorrichtung) erhältlichen Daten, um einen Datensatz zur Lösung der Abfrage zu bilden (nicht mit parallelem Rechnen verbunden, d.h. dritte Abfrage), d.h. der zweite Prozessor der Vorrichtung kann ferner konfiguriert werden, um die von jeder Vorrichtung des Netzwerks erhältlichen Daten zu verarbeiten, um einen Datensatz zur Lösung der Abfrage zu bilden, der nicht mit parallelem Rechnen verbunden ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der erste Prozessor der Vorrichtung ferner konfiguriert, um nach dem Lösen der ersten Abfrage einen Befehl abzuleiten. Der erste Prozessor der Vorrichtung ist ferner konfiguriert, um den Befehl entweder an die mit der Vorrichtung verbindbare Maschine, das Netzwerk oder an eine mit einer anderen Vorrichtung der Vielzahl von Vorrichtungen (des Netzwerks) verbindbare Maschine zu übertragen. In einigen Fällen kann der erste Prozessor den Befehl zunächst an den zweiten Prozessor senden, der seinerseits weiterhin konfiguriert ist, um den Befehl an die mit der Vorrichtung verbindbare Maschine und/oder an eine andere Vorrichtung aus der Vielzahl von Vorrichtungen zu übertragen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der zweite Prozessor der Vorrichtung ferner konfiguriert, um eine Lösung für die erste Abfrage bereitzustellen, die vom ersten Prozessor einer gleichen Vorrichtung an das Netzwerk oder den Server derselben empfangen werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die Vorrichtung ferner eine Datenspeichervorrichtung mit mindestens einem nichtflüchtigen Speicher, wie beispielsweise eine Festplatte (HDD) oder vorzugsweise ein Solid-State-Laufwerk (SSD). Der zweite Prozessor der Vorrichtung kann Daten im nichtflüchtigen Speicher speichern und Daten aus dem nichtflüchtigen Speicher abrufen; als Beispiel kann der zweite Prozessor alle Daten, die an das Netzwerk übertragen werden müssen, puffern, wenn der Kommunikationskanal keine freie Bandbreite zur Verfügung hat, und alle Daten puffern, die vor der Verarbeitung der Daten vom Netzwerk empfangen werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der zweite Prozessor ferner konfiguriert, um Daten an den Server zu senden, um die zweite Verarbeitungsaufgabe zu erzeugen, wobei die an den Server gesendeten Daten Daten von der Maschine sind, an die die Vorrichtung angeschlossen werden kann, und/oder eine Lösung für die erste Abfrage sind.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst der Server des Systems oder ist mit einer Datenspeichervorrichtung verbunden, die mindestens einen nichtflüchtigen Speicher beinhaltet. In diesen Ausführungsformen können alle innerhalb der Vorrichtungen des Netzwerks erzeugten Daten im nichtflüchtigen Speicher des Servers gespeichert werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist jede Vorrichtung des Netzwerks konfiguriert, um eine Datenerfassung (von der Maschine, an die die Vorrichtung angeschlossen werden kann) durchzuführen, die mit der Datenerfassung durch andere Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen synchronisiert ist (von der Maschine aus ist jede der anderen Vorrichtungen mit ihr verbindbar). Um synchron zu arbeiten, implementiert jede Vorrichtung des Netzwerks ein Protokoll (z.B. im zweiten Prozessor oder in Mitteln zur Verbindung mit einem Netzwerk) zur Synchronisierung von Uhren im gesamten Netzwerk und zur gleichzeitigen Erfassung von Daten, damit jede Vorrichtung Daten von einer Maschine zum gleichen Zeitpunkt wie andere Vorrichtungen des Netzwerks erfassen kann. Dieses Protokoll kann beispielsweise Precision Time Protocol (PTP) (IEEE 1588), White Rabbit oder Time Sensitive Network (TSN) sein. In besonderen Ausführungsformen, beinhaltet jede Vorrichtung einen synchronisierten Timer zum Synchronisieren, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrosekunden, mit dem Server und mit anderen Vorrichtungen im Netzwerk.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet der Server einen ersten Prozessor und einen zweiten Prozessor. In einigen Ausführungsformen ist der Server eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Server einen Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Befehlssatzarchitektur auszuführen, die sich von einer zweiten Befehlssatzarchitektur unterscheidet, die vom zweiten Prozessor jeder Vorrichtung von mindestens einigen Vorrichtungen oder allen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen ausgeführt wird. Der Server beinhaltet ferner eine Netzwerkschnittstelle, die mit dem Netzwerk verbunden werden kann (z.B. mit einer Vorrichtung innerhalb des Computerclusters), wobei die Netzwerkschnittstelle konfiguriert ist, um Anweisungen von der ersten Befehlssatzarchitektur in die zweite Befehlssatzarchitektur zu konvertieren und umgekehrt. Die Netzwerkschnittstelle ermöglicht, dass die Vielzahl von Vorrichtungen des Netzwerks eine Befehlssatzarchitektur ausführt, die sich von der Befehlssatzarchitektur des Servers unterscheidet; dies ist von Vorteil, da der Server mit anderen Vorrichtungen (z.B. Vorrichtungen für Fog- und/oder Cloud-Computing) verbunden sein kann, die eine (allgegenwärtige) Befehlssatzarchitektur wie x86 ausführen. Daher kann der Server unabhängig von der im Netzwerk ausgeführten Befehlssatzarchitektur alle im Netzwerk erzeugten Daten an andere Vorrichtungen außerhalb des Netzwerks übermitteln, indem er (mit der Netzwerkschnittstelle) die Anweisungen in die entsprechende Befehlssatzarchitektur umwandelt. Nicht einschränkende Beispiele für mögliche Befehlssatzarchitekturen sind ARM, Arduino, Raspberry PI, x86, PowerPC, SoC-Geräte usw.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet der erste Prozessor der Vorrichtung eine von: einer zentralen Verarbeitungseinheit oder mindestens einem Core davon, einer Grafikverarbeitungseinheit, einer feldprogrammierbaren integrierten Schaltung wie einem FPGA (d.h. einem feldprogrammierbaren Gate-Array), als Hardwarebeschleuniger oder einer eingebetteten Schaltung (z.B. einem System-on-Chip, einem Multiprozessor-System-on-Chip) - z.B. Zynq, MPSoC von Xilinx- und einer Kombination davon. In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet der zweite Prozessor der Vorrichtung eine von: einer zentralen Verarbeitungseinheit oder mindestens einem Core davon, einer Grafikverarbeitungseinheit, einer feldprogrammierbaren integrierten Schaltung wie einem FPGA oder einer eingebetteten Schaltung (z.B. einem System-on-Chip, einem Multiprozessor-System-on-Chip) und einer Kombination davon. In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die Vorrichtung ferner eine Multicore-Verarbeitungseinheit und der erste Prozessor beinhaltet mindestens einen Core der Multicore-Verarbeitungseinheit und der zweite Prozessor mindestens einen weiteren Core der Multicore-Verarbeitungseinheit.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet das Netzwerk des Systems eine Netzwerkgerät (z.B. einen Router, einen Switch usw.) zur Übertragung von Daten, die durch die Ausführung der bereits beschriebenen Aufgaben am ersten Prozessor (Liquid Computing) und am zweiten Prozessor (Ground Computing) einer oder mehrerer Vorrichtungen (des Netzwerks) an ein externes Netzwerk oder einen Server derselben erhältlich sind. In diesem Sinne können die Daten, die sich innerhalb des Netzwerks befinden, an eine Computervorrichtung außerhalb des Netzwerks übertragen werden, zum Beispiel an eine Computervorrichtung, die für Fog- oder Cloud-Computing konfiguriert ist. Die Liquid Computing-Schicht und die Ground Computing-Schicht können somit mit dem Fog/Cloud Computing koexistieren, diese verbessern und Synergien nutzen. Das externe Netzwerk kann sich in der Cloud oder/und Fog befinden. Die Netzwerkgeräte können mit dem Server des Netzwerks des Systems verbunden sein, in diesem Fall überträgt der Server die Daten über die Netzwerkgeräte an das externe Netzwerk.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der zweite Prozessor der Vorrichtung ferner konfiguriert, um einen Teil der Rechenleistung für die Berechnung des mindestens einen Threads der zweiten Verarbeitungsaufgabe bereitzustellen, d.h. ein Teil der Rechenleistung des zweiten Prozessors ist für HPC bestimmt. In diesen Ausführungsformen kann der Teil des zweiten Prozessors, der nicht dem HPC zugeordnet ist, entweder der lokalen Berechnung einer dritten Verarbeitungsaufgabe gewidmet werden, die das Lösen einer Abfrage (nicht mit parallelem Rechnen verbunden) beinhaltet, oder, zusammen mit dem ersten Prozessor, der Vorverarbeitung von Daten und/oder Proben, die von der Vorrichtung erhältlich sind. Eine solche Vorverarbeitung kann besonders für kritische Systeme anwendbar sein, bei denen Vorrichtungen sehr große Datenmengen in sehr kurzen Zeitabständen empfangen, und daher werden relativ große Mengen an lokalen Ressourcen für die Erfassung und Vorverarbeitung von Daten benötigt.
  • Das Netzwerk kann deterministisch sein, was bedeutet, dass alle im Netzwerk erzeugten Daten Zeitstempel enthalten, die es ermöglichen, den genauen Zeitpunkt der Datenherkunft zu bestimmen. In einer bestimmten Ausführungsform kann das Netzwerk ein deterministisches Netzwerk vom Ethernet-Typ in Echtzeit sein, wie beispielsweise White Rabbit. In einer alternativen Ausführungsform kann das Netzwerk ein TSN-Netzwerk sein, das normalerweise in einem Industrial Ethernet-Netzwerk implementiert ist.
  • Der zweite Prozessor jeder Vorrichtung, die den Rechencluster des Netzwerks bildet, arbeitet asynchron. In einigen Ausführungsformen der Erfindung verarbeitet der zweite Prozessor jedoch Daten synchron zum zweiten Prozessor anderer Vorrichtungen, die das Computercluster-Netzwerk bilden.
  • Obwohl das Gerät für IloT geeignet ist, kann es den Anschluss von Maschinen und/oder Sensoren unterstützen, die nicht mit IP ausgestattet sind, d.h. Maschinen und/oder Sensoren, die keine IP-Pakete produzieren. Daher kann das Gerät an Maschinen und/oder Sensoren mit IP oder anderen Protokollen wie Modbus, PROFINET oder IO-Link-Kommunikation angeschlossen werden. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz der Vorrichtungen in einer Vielzahl von Industrieanlagen wie z.B. in der Fertigung, Chemie- und Energieerzeugung, Übertragung und im Transport, z.B. in Kernkraftwerken, Ölraffinerien in Windkraftanlagen, Erdgasverarbeitungsanlagen, chemischen Verfahrensanlagen und Fertigungslinien.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs mindestens einer Maschine einer Industrieanlage oder zur Überwachung des Betriebs und zur Betätigung der mindestens einen Maschine auf der Grundlage dieser Überwachung. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Verarbeitungsaufgabe in Echtzeit mit Daten zu berechnen, die von einer Maschine, mit der die Vorrichtung verbunden ist, erfasst werden können, wobei die erste Verarbeitungsaufgabe das Lösen einer ersten Abfrage ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen zweiten Prozessor, der konfiguriert ist, um lokal eine zweite Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer anderen Abfrage zu berechnen.
  • Die Vorrichtung kann die erste Abfrage und die andere Abfrage lokal mit dem ersten Prozessor bzw. dem zweiten Prozessor lösen, d.h. weder die erste Aufgabe noch die vom Prozessor berechnete zweite Aufgabe sind mit der Parallelisierung verknüpft.
  • Die Vorrichtung des vierten Aspekts der Erfindung kann mit (anderen) ähnlichen Vorrichtungen verbunden werden, um ein Netzwerk zu bilden. Die Vorrichtungen können so konfiguriert werden, dass sie Daten untereinander über das Netzwerk austauschen. Das Netzwerk kann einen Server umfassen. Der Server und mindestens einige der Vorrichtungen können einen Computer-Cluster bilden.
  • In einigen Ausführungsformen beinhalten die erste Verarbeitungsaufgabe und/oder die zweite Verarbeitungsaufgabe die Verarbeitung der Daten, die von jeder Vorrichtung des Netzwerks (einschließlich des Servers oder der gleichen Vorrichtung) erhältlich sind, um einen Datensatz zur Lösung der ersten und/oder der anderen Abfrage zu bilden. Das heißt, sowohl der erste Prozessor als auch der zweite Prozessor sind konfiguriert, um die von jeder Vorrichtung des Netzwerks erhältlichen Daten zu verarbeiten, um einen Datensatz zur Lösung einer Abfrage zu bilden (nicht verbunden mit parallelem Rechnen).
  • Die Vorrichtung ist in der Lage, Fragen im Zusammenhang mit dem Betrieb der mindestens einen Maschine oder mindestens einer Komponente davon zu lösen, in diesem Sinne kann sich die erste Abfrage und die andere Abfrage auf den Betrieb der mindestens einen Maschine oder mindestens einer Komponente davon beziehen.
  • Ein fünfter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein System zur Überwachung des Betriebs mindestens einer Maschine einer Industrieanlage oder zur Überwachung dieses Betriebs und zur Betätigung der mindestens einen Maschine auf der Grundlage dieser Überwachung. Das System umfasst ein Netzwerk, das eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst. Mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl der Vorrichtungen sind Vorrichtungen gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung. Jede Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen ist mit einer Maschine der Industrieanlage verbindbar und umfasst:
    • einen ersten Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Verarbeitungsaufgabe in Echtzeit mit Daten zu berechnen, die von der Maschine, an die die Vorrichtung angeschlossen werden kann, erlangt werden können, wobei die erste Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage dient; und einen zweiten Prozessor, der konfiguriert ist, um lokal eine zweite Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer anderen Abfrage zu berechnen (d.h. die zweite Verarbeitungsaufgabe ist nicht mit parallelem Rechnen verknüpft).
  • Ein sechster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Industrieanlage, die umfasst: eine Vielzahl von Maschinen; und ein Netzwerk zum Überwachen des Betriebs von mindestens einer Maschine aus der Vielzahl von Maschinen oder zum Überwachen eines solchen Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine basierend auf einer solchen Überwachung. Das Netzwerk umfasst eine Vielzahl von Vorrichtungen. Mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl der Vorrichtungen sind Vorrichtungen gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung. Jede Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen ist mit einer Maschine der Industrieanlage verbindbar und umfasst: einen ersten Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Verarbeitungsaufgabe in Echtzeit mit Daten zu berechnen, die von der Maschine, an die die Vorrichtung angeschlossen werden kann, erlangt werden können, wobei die erste Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage dient; und einen zweiten Prozessor, der konfiguriert ist, um lokal eine zweite Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer anderen Abfrage zu berechnen (d.h. die zweite Verarbeitungsaufgabe ist nicht mit parallelem Rechnen verknüpft).
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der zweite Prozessor einer Vorrichtung ferner konfiguriert, um seine Rechenleistung mit dem Netzwerk zu teilen, mit dem die Vorrichtung verbunden ist, und um mindestens einen Thread einer dritten Verarbeitungsaufgabe zu berechnen, wenn er von einer anderen Vorrichtung (d.h. dem Server) des Netzwerks zugewiesen wird, wobei die dritte Verarbeitungsaufgabe darin besteht, eine zweite Abfrage zu lösen. In diesen Ausführungsformen bildet das Netzwerk einen Computercluster mit mindestens einigen Vorrichtungen aus der Vielzahl der Vorrichtungen. Das Netzwerk umfasst ferner einen Server, der konfiguriert ist, um den Computercluster zu steuern, die dritte Verarbeitungsaufgabe in eine Vielzahl von Threads aufzuteilen und einen oder mehrere Threads der Vielzahl von Threads dem zweiten Prozessor von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen zuzuweisen. In diesem Zusammenhang umfasst der Server einen Prozessor, der konfiguriert ist, um den Computercluster zu verwalten, die dritte Verarbeitungsaufgabe in eine Vielzahl von Threads aufzuteilen und mindestens einen Thread dem zweiten Prozessor von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen zuzuweisen und zu übertragen.
  • Ein siebter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen und Steuern einer oder mehrerer industrieller Anwendungsmaschinen mit Sensoren, wobei die Vorrichtung umfasst: Ein-/Ausgabeports zum Anschluss an andere ähnliche Vorrichtungen; einen Datenerfassungsblock mit einer Sensorschnittstelle, der mit einer industriellen Anwendungsmaschine zum Empfangen von Multisensordaten von der Maschine verbunden ist; mindestens einen Speicher; einen ersten Prozessor, der die Multisensordaten empfängt und die Daten verwendet, um in Echtzeit eine erste Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage im Zusammenhang mit dem Betrieb der Maschine, mit der die Vorrichtung verbunden ist, zu berechnen; und einen zweiten Prozessor, der seine Verarbeitungsleistung mit einem Computercluster-Netzwerk teilt, das aus ähnlichen Vorrichtungen besteht, mit denen die Vorrichtung verbunden ist, und der, wenn er von einer Vorrichtung des Netzwerks zugewiesen wird, mindestens einen Thread einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer zweiten Abfrage berechnet.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung sendet der zweite Prozessor eine Lösung der zweiten Verarbeitungsaufgabe an die Vorrichtung des Netzwerks zur Lösung der zweiten Abfrage.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung stellt der erste Prozessor eine Lösung für die erste Abfrage an den zweiten Prozessor bereit und/oder leitet eine erste Anweisung aus einer Lösung für die erste Abfrage ab und stellt die erste Anweisung für die Maschine bereit, mit der er verbunden ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung erhält der erste Prozessor weiterhin eine zweite Anweisung aus dem Computercluster-Netzwerk oder dem zweiten Prozessor und stellt die zweite Anweisung der Maschine zur Verfügung, mit der er verbunden ist.
  • Ein achter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein System zum Überwachen und Steuern einer oder mehrerer industrieller Anwendungsmaschinen mit Sensoren unter Verwendung einer Vielzahl von separaten Rechenvorrichtungen, wobei das System umfasst: einen Server, der zur Kommunikation mit der Vielzahl von Vorrichtungen verbunden ist, die einen Computercluster bilden, wobei der Server den Betrieb der Vorrichtungen steuert; jede der Vorrichtungen Ein-/Ausgabeports zur Verbindung mit anderen ähnlichen Vorrichtungen aufweist; jede der Vorrichtungen einen Datenerfassungsblock mit einer Sensorschnittstelle aufweist, die mit einer Maschine zum Empfangen von Multisensordaten von der Maschine verbunden ist; jede der Vorrichtungen mindestens einen Speicher aufweist; jede der Vorrichtungen einen ersten Prozessor aufweist, der die Multisensordaten empfängt und die Daten verwendet, um in Echtzeit eine erste Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage in Bezug auf den Betrieb der Maschine, mit der die Vorrichtung verbunden ist, zu berechnen; wobei der Server mindestens einen Speicher und mindestens einen Prozessor zum Lösen einer zweiten Abfrage durch Aufteilung einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen der zweiten Abfrage in Threads und Zuweisen der Threads zu den Vorrichtungen zum kooperativen Rechnen der zweiten Verarbeitungsaufgabe aufweist; und jede der Vorrichtungen einen zweiten Prozessor aufweist, der seine Verarbeitungsleistung mit dem Rechencluster teilt, mindestens einen vom Server zugewiesenen Thread berechnet und eine Lösung davon zum Lösen der zweiten Abfrage an den Server sendet.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung stellt der erste Prozessor jeder Vorrichtung eine Lösung für die erste Abfrage an den zweiten Prozessor derselben Vorrichtung bereit und/oder leitet eine erste Anweisung aus einer Lösung für die erste Abfrage ab und stellt die erste Anweisung für die Maschine bereit, mit der sie verbunden ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung leitet der mindestens eine Prozessor des Servers eine zweite Anweisung aus einer Lösung für die zweite Abfrage ab und stellt die zweite Anweisung einer Maschine über die mit der Maschine verbundene Vorrichtung zur Verfügung. In einigen Ausführungsformen der Erfindung empfängt der mindestens eine Prozessor des Servers weiterhin Ausgaben der Threads von den Vorrichtungen, verarbeitet die Ausgaben zur Berechnung der zweiten Verarbeitungsaufgabe und stellt die Lösung für die zweite Abfrage bereit.
  • Ein neunter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein System zum Überwachen und Steuern einer oder mehrerer industrieller Anwendungsmaschinen mit Sensoren unter Verwendung einer Vielzahl von separaten Rechenvorrichtungen, wobei das System umfasst: einen Server, der zur Kommunikation mit der Vielzahl von Vorrichtungen verbunden ist, die einen Computercluster bilden, wobei der Server den Betrieb der Vorrichtungen steuert; jede der Vorrichtungen Ein-/Ausgabeports zur Verbindung mit anderen ähnlichen Vorrichtungen aufweist; jede der Vorrichtungen einen Datenerfassungsblock mit einer Sensorschnittstelle aufweist, die mit einer Maschine zum Empfangen von Multisensordaten von der Maschine verbunden ist; jede der Vorrichtungen mindestens einen Speicher aufweist; jede der Vorrichtungen einen ersten Prozessor aufweist, der die Multisensordaten empfängt und die Daten verwendet, um in Echtzeit eine erste Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage in Bezug auf den Betrieb der Maschine, mit der die Vorrichtung verbunden ist, zu berechnen; wobei der Server mindestens einen Speicher und mindestens einen Prozessor zum Lösen einer zweiten Abfrage durch Aufteilen einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen der zweiten Abfrage in Threads und Zuweisen der Threads zu einigen Vorrichtungen aus der Vielzahl von Vorrichtungen zum kooperativen Rechnen der zweiten Verarbeitungsaufgabe aufweist; und jede der Vorrichtungen einen zweiten Prozessor aufweist, der seine Verarbeitungsleistung mit dem Rechencluster teilt, mindestens einen vom Server zugewiesenen Thread berechnet und eine Lösung davon an den Server zum Lösen der zweiten Abfrage sendet.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung leitet der erste Prozessor jeder Vorrichtung eine erste Anweisung aus einer Lösung für die erste Abfrage ab und gibt die erste Anweisung an die Maschine, an die er angeschlossen ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung leitet der mindestens eine Prozessor des Servers eine zweite Anweisung aus einer Lösung für die zweite Abfrage ab und stellt die zweite Anweisung einer Maschine über die mit der Maschine verbundene Vorrichtung zur Verfügung. In einigen Ausführungsformen der Erfindung empfängt der mindestens eine Prozessor des Servers weiterhin Ausgaben des einen oder der mehreren Threads von den Vorrichtungen, verarbeitet die Ausgaben zur Berechnung der zweiten Verarbeitungsaufgabe und bietet eine Lösung für die zweite Abfrage.
  • Ein zehnter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs mindestens einer Maschine einer industriellen Anlage oder zum Überwachen eines solchen Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine basierend auf einer solchen Überwachung mittels eines Netzwerks, das einen Server und eine Vielzahl von Vorrichtungen umfasst, die einen Computercluster bilden, worin mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl von Vorrichtungen mit einer Maschine der industriellen Anlage verbindbar sind, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen von Sensordaten von der Maschine, an die die Vorrichtung anschließbar ist, in jeder Vorrichtung der mindestens einen Vorrichtungen; Berechnen einer ersten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage mit den erfassten Daten in Echtzeit bei einem ersten Prozessor jeder Vorrichtung der mindestens einen Vorrichtungen; Empfangen von mindestens einem Thread einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer zweiten Abfrage, wenn diese vom Server zugewiesen wird; Berechnen, bei einem zweiten Prozessor jeder Vorrichtung der mindestens einen Vorrichtungen, des mindestens einen empfangenen Threads, wobei der zweite Prozessor konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Netzwerk zu teilen; bei dem Server Steuern des Computerclusters, Aufteilen der zweiten Verarbeitungsaufgabe in eine Vielzahl von Threads und Zuweisen eines oder mehrerer Threads der Vielzahl von Threads zu dem zweiten Prozessor von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfassen die mindestens einen Vorrichtungen jede Vorrichtung aus der Vielzahl der Vorrichtungen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Berechnen der ersten Verarbeitungsaufgabe: Vorverarbeiten der Daten zur Bildung eines Datensatzes und Auswählen einer Teilmenge von Daten aus dem Datensatz zur Lösung der ersten Abfrage; oder Vorverarbeiten der Daten zur Bildung eines Datensatzes zur Lösung der ersten Abfrage. In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren ferner: beim ersten Prozessor das Ableiten eines Befehls nach dem Lösen der ersten Abfrage und das Übertragen des Befehls an den zweiten Prozessor einer gleichen Vorrichtung oder der an die Vorrichtung anschließbaren Maschine.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren ferner, beim zweiten Prozessor, das lokale Berechnen einer dritten Verarbeitungsaufgabe zur Lösung einer Abfrage. In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Berechnen der dritten Verarbeitungsaufgabe das Verarbeiten von Daten, die vom Server oder einer beliebigen Vorrichtung aus der Vielzahl von Vorrichtungen erhältlich sind, um einen Datensatz zur Lösung der Abfrage zu bilden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren ferner auf dem Server: Empfangen von Ausgaben des einen oder der mehreren Threads von den mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen; Verarbeiten der Ausgaben zum Berechnen der zweiten Verarbeitungsaufgabe; und Bereitstellen einer Lösung für die zweite Abfrage.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung führt jede Vorrichtung der mindestens einen Vorrichtung eine Datenerfassung von der Maschine durch, an die die Vorrichtung anschließbar ist, synchronisiert mit der Datenerfassung durch andere Vorrichtungen der mindestens einen Vorrichtung, von der Maschine aus jede der anderen Vorrichtungen ist anschließbar.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren ferner, mittels eines Netzwerkgerätes, das Übertragen von Daten innerhalb des Netzwerks an eine Computervorrichtung außerhalb des Netzwerks.
  • Darüber hinaus können ähnliche Vorteile wie für den ersten, zweiten und dritten Aspekt der Erfindung beschrieben auch für den vierten, fünften und sechsten Aspekt der Erfindung gelten.
  • Figurenliste
  • Um die Beschreibung zu vervollständigen und ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, wird ein Satz von Zeichnungen zur Verfügung gestellt. Diese Zeichnungen sind integraler Bestandteil der Beschreibung und veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung, die nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu interpretieren sind, sondern nur als Beispiele dafür, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. Die Zeichnungen bestehen aus den folgenden Figuren:
    • 1 zeigt das Pyramidenmodell, das das Paradigma der Datenverarbeitung in IoT- und/oder lIoT-basierten Industrienetzen nach dem Stand der Technik veranschaulicht.
    • 2 zeigt ein Schema einer Architektur des Standes der Technik für die Überwachung von Industrieanlagen.
    • 3 zeigt schematisch ein System, das aus einer Vielzahl von Knoten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gebildet wird.
    • Die 4 und 5 zeigen schematisch Systeme, die aus einer Vielzahl von Knoten gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung gebildet sind, mit den Maschinen, mit denen die Knoten, die jeweilige Netzwerke bilden, verbunden sind, sowie die Verbindung der jeweiligen Netzwerke mit der Cloud / Fog.
    • 6A veranschaulicht ein Schema einer Maschine einer Industrieanlage, an die die Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung anschließbar ist. 6B veranschaulicht ein Schema der weltweiten industriellen Infrastruktur eines Unternehmens; die Infrastruktur kann durch die Vorrichtungen und das System der vorliegenden Offenbarung in Zusammenarbeit mit bestehenden Cloud-/Fog-Anlagen gesteuert werden.
    • 7A zeigt schematisch die Schnittstellen und Prozessoren einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 7B zeigt schematisch mehrere Funktionalitäten, mit denen diese Vorrichtung für ihren Betrieb ausgestattet werden kann.
    • 8 veranschaulicht schematisch eine Abfrage, die von einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung lösbar ist, entweder lokal oder parallel zu anderen V o rrichtu ng en.
    • 9A zeigt ein pyramidenförmiges Modell ähnlich dem von 1, veranschaulicht aber das Paradigma, wie Daten mit einem System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verarbeitet werden können. 9B zeigt eine Rechenpyramide mit Liquid Computing, Ground Computing, Fog Computing und Cloud Computing.
    • 10 zeigt schematisch ein Beispiel dafür, wie das System den Betrieb einer Maschine einer Industrieanlage überwachen kann.
    • 11 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel, wie das System den Betrieb einer Maschine einer Industrieanlage überwachen kann.
    • 12 veranschaulicht eine rotierende Komponente, deren Betrieb mit einer Vorrichtung und/oder einem System gemäß den Ausführungsformen der Erfindung überwacht werden kann.
  • BESCHREIBUNG DER ART UND WEISE, WIE DIE ERFINDUNG AUSGEFÜHRT WERDEN KANN
  • Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Systems, das gemäß der vorliegenden Erfindung ein Netzwerk bildet, das besonders geeignet sein kann, das Verhalten, den Betrieb und/oder die Leistung einer oder mehrerer Maschinen einer Industrieanlage zu überwachen und zu analysieren und schließlich die eine oder mehreren Maschinen zu betätigen und deren Verhalten, Betrieb und/oder Leistung vorherzusagen und eine Reaktion auf dieses Verhalten, diesen Betrieb und/oder diese Leistung vorzuschreiben.
  • Das Netzwerk beinhaltet eine Vielzahl von Vorrichtungen und einen Server, der das Netzwerk und die Vorrichtungen davon steuert. Entlang dieser Offenbarung werden die Vorrichtungen und Server auch als Knoten des Netzwerks bezeichnet. Ohne Einschränkung kann die Industrieanlage zu einem der folgenden Bereiche gehören: Automobilindustrie, Transportindustrie, einschließlich Schifffahrt und Luft- und Raumfahrt, Flugsicherungsindustrie, Energieindustrie, medizinische Geräteindustrie, Cyber-Defense-Industrie und andere Zweckbestimmungsindustrie, unter anderem. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich eine Maschine einer industriellen Anlage auf jede Vorrichtung oder Maschine, die zur Durchführung eines industriellen Prozesses verwendet wird.
  • In 3 beinhaltet das System ein Netzwerk 100, das wiederum einen Server 10 und eine Vielzahl von Vorrichtungen 21-26 beinhaltet, die als Computercluster konfiguriert sind. Jede Vorrichtung 21-26 hat einen ersten Prozessor und einen zweiten Prozessor, wie später beschrieben, und ist sowohl mit einer Maschine (oder einer Komponente davon) einer Industrieanlage (über Schnittstellen oder Ein-/Ausgabeports 29) als auch mit einem Netzwerk (über Schnittstellen oder Ein-/Ausgabeports 28) wie dem Netzwerk 100 verbindbar. Das veranschaulichte Netzwerk 100 ist in einer Ring-Topologie implementiert, aber auch jede andere Topologie, die eine Computing-Cluster-Konfiguration zulässt, ist möglich, wie beispielsweise eine Sterntopologie. Aufgrund der Art der Industrieanlagen kann die Verwendung einer Ringtopologie jedoch sehr komfortabel sein, da das Netzwerk auch nach dem Ausfall einer Kommunikationsverbindung zwischen zwei benachbarten Knoten voll funktionsfähig bleibt; aus dem gleichen Grund erleichtert diese Topologie die Verkabelung des Netzwerks, da, sobald eine neue Maschine der Industrieanlage hinzugefügt wird, zwei benachbarte Knoten voneinander getrennt werden können, so dass eine weitere Vorrichtung dazwischen hinzugefügt werden kann. Da das System skalierbar ist und seine Rechenleistung von der Anzahl der Vorrichtungen im Netzwerk abhängt, kann es sinnvoll sein, dem Netzwerk weitere Knoten in Form von Vorrichtungen hinzuzufügen, auch wenn keine neuen Maschinen in die Industrieanlage integriert sind. Die Vorrichtungen 21-26 bilden, da sie mit den Verbindungen 110 verbunden sind, einen Computercluster, der vom Server 10 verwaltet wird. Der Server 10 ist konfiguriert, um mindestens einigen Vorrichtungen 21-26 für High-Performance-Computing Threads von zu berechnenden Aufgaben zuzuordnen, wie später erläutert wird. Die Verbindungen 110 beinhalten vorzugsweise Glasfasern. Der Server 10 kann eine Vorrichtung wie die Vorrichtungen 21-26 umfassen, oder er kann eine andere Vorrichtung umfassen, zum Beispiel mit verbesserten oder leistungsfähigeren Verarbeitungsressourcen. In Bezug auf 4 ist jede der Vorrichtungen 21-26 über eine oder mehrere Schnittstellen 29 mit einer oder mehreren Maschinen 121-125 (zum Beispiel gemäß 4) verbindbar. Die Verbindung zwischen einer Vorrichtung und einer Maschine kann eine direkte oder indirekte Verbindung sein (d.h. mittels einer Verbindungsvorrichtung, wie beispielsweise einem Ethernet-Switch); ferner kann diese Verbindung drahtgebunden oder drahtlos sein. Eine Vorrichtung ist mit einer Maschine verbindbar, so dass sie Multisensordaten von ihr erfassen oder empfangen kann, z.B. mittels Sensoren und/oder mittels Steuergeräten (d.h. Steuerungen) wie einer SPS oder einer CNC, die an der Maschine betätigen können. In diesem Sinne, da die Vorrichtung direkt oder indirekt mit der Maschine verbindbar ist, kann die Vorrichtung, wenn die Vorrichtung mit der Maschine verbunden ist, bei Bedarf auch Daten an die Maschine senden (z.B. zum Einstellen von Parametern einer Komponente, zum Ausschalten der Maschine usw.).
  • Da jede Maschine unterschiedliche Datenmengen produzieren kann (verstanden als umfassende Muster), kann es in einigen Ausführungsformen notwendig sein, dass mehr als eine Vorrichtung an die Maschine angeschlossen werden kann, um die von ihr erzeugte Datenmenge zu bewältigen. Dies ist in den 4 und 5 dargestellt, in denen die Vorrichtungen 25, 26 der jeweiligen Netzwerke 101, 102 mit der Maschine 125 verbunden sind, während jede der verbleibenden Vorrichtungen 21-24 des Netzwerks 101, 102 jeweils mit einer der Maschinen 121-124 verbunden ist. Da es den Vorrichtungen 21-26 und dem Netzwerk 100, und ebenso den Vorrichtungen 21-27 und den jeweiligen Netzwerken 101, 102 gelingt, die Reaktionszeit auf Abfragen oder potenzielle/aktuelle Störungen in den mit den Netzwerken 100-102 verbundenen Maschinen zu verkürzen, sind die Netzwerke 100-102 besonders für industrielle Anwendungen geeignet, bei denen die Folge eines Maschinenausfalls beispielsweise ein großer wirtschaftlicher Verlust sein kann.
  • Wie in den in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen dargestellt, können die Netzwerke 101, 102 über eine Netzwerkgerät 200 (z.B. Ethernet-Modem/Router) der Systeme, das die Kommunikation mit der Cloud und/oder Fog/Edge 150 ermöglicht, mit der Cloud und/oder Fog/Edge 150 verbunden werden. Eine solche Verbindung zur Cloud und/oder Fog kann auch im System von 3 (nicht dargestellt) realisiert werden. Insbesondere wird in 4 ein Server 11 über eine Kommunikationsverbindung 18 mit einer Vorrichtung 27 verbunden, und der Server 11 wird dann mit der Netzwerkgerät 200 verbunden. Das Gerät 27 ist ebenfalls Teil des Netzwerks 101. Somit fungiert der Server 11 auch als Gateway, das die Verbindung des Netzwerks 101 mit anderen Netzwerken außerhalb des Netzwerks 101 ermöglicht, wie beispielsweise Netzwerken 150 für Cloud oder Fog/Edge Computing. Alternativ kann ein Server 12, wie in 5 dargestellt, auch eine Netzwerkschnittstelle 19 beinhalten, über die er mit der Vorrichtung 27 und damit mit dem Netzwerk 102 verbunden werden kann. Die Verarbeitungskapazität des Servers 12 kann der Hochleistungsrechenfunktionalität des Netzwerks 102 hinzugefügt werden. Prozessoren der Vorrichtungen 21-27 (z.B. zweite Prozessoren davon) können eine Befehlssatzarchitektur ausführen, die sich von einer vom Server 12 ausgeführten Befehlssatzarchitektur unterscheidet. In diesem Fall kann die Netzwerkschnittstelle 19 konfiguriert werden, um Anweisungen von der ersten Befehlssatzarchitektur in die zweite Befehlssatzarchitektur zu konvertieren und umgekehrt. Der Server 12 ist mit der Netzwerkkomponente 200 verbunden, so dass das Netzwerk 102 mit der Cloud und/oder Fog/Edge 150 kommunizieren kann.
  • In einer der in den 3-5 dargestellten Ausführungsformen kann der Server 10, 11, 12 Datenspeichermittel 15 beinhalten. Die Datenspeichermittel 15 sind vorzugsweise nichtflüchtige Speichermittel, wie beispielsweise eine Festplatte (HDD) oder ein Solid-State-Laufwerk (SSD). Die Datenspeichereinrichtung 15 kann alle Daten speichern, einschließlich der Daten, die mit Abfragen, Aufgaben und Threads verbunden sind.
  • 6A zeigt ein Schema in Form von Funktionsblöcken, wie die verschiedenen Einheiten/Subsysteme einer exemplarischen Maschine 500 zur Bearbeitung von Teilen zusammenhängen und wie sie mit einer Vorrichtung zum Teilen der in den Subsystemen/Einheiten erzeugten Daten/Stichproben/Informationen verbunden werden können. Die skizzierte Maschine 500 ist eine typische Maschine im Bereich der Automobilindustrie, aber ähnliche Funktionsblöcke können andere Maschinen in verschiedenen Bereichen darstellen.
  • Die Maschine 500 dieses Beispiels besteht aus den folgenden Einheiten, Subsystemen und/oder Komponenten:
    • Eine Bearbeitungseinheit 511: Ihre Funktion besteht darin, sicherzustellen, dass das Werkzeug für die Bearbeitung über Genauigkeit, genügend Kraft und Drehmoment verfügt, um die Bearbeitungsaufgabe mit der erforderlichen Leistung (Qualität, Produktionsrate....) auszuführen. Zu diesem Zweck verfügt die Bearbeitungseinheit 511 über vier servogesteuerte Achsen: X-, Y- und Z-Achse für die lineare Bewegung des Werkzeugs im Raum und die S-Achse für die Steuerung der Drehung des Werkzeugs. Jede Achse wird von einem Motor angetrieben und von einer CNC 581 gesteuert (im Allgemeinen von SPS/CNC-Satz 516 umgeben). Ein CNC-Bus 501 kommuniziert die Motoren mit der CNC 581 und teilt eine große Menge an Informationen über den Status der Motoren (Leistungsaufnahme, Temperatur, Soll-Trajektorien usw.) und die Messwerte der Sensoren 561-564 (einer für jede Achse), die die Bewegung mit hoher Genauigkeit steuern (Encoder, Temperatursensoren usw.). Außerdem ermöglicht ein an einen Feldbus 502 angeschlossenes I/O-Modul 521 den Anschluss zusätzlicher Sensoren 531 (Beschleunigungssensoren, induktive Schalter, Druckschalter usw.) an das Netz und die Steuerung anderer Stellglieder 541 (Gegengewichtszylinder usw.) der Bearbeitungseinheit 511.
  • Eine Schließeinheit 512: Diese Einheit 512 spannt das zu bearbeitende Teil. Es muss das Teil genau lokalisieren und in der Lage sein, die bei der Bearbeitung entstehenden Schnittkräfte aufzunehmen. Die von den Mechanismen zum Klemmen des Teils verwendeten Stellglieder müssen von den Sensoren 532 (Endschalter, analoge Positionskontrollschalter usw.) gesteuert und gesteuert werden. Die Sensoren 532 und die Aktoren 542 sind mit einem I/O-Modul 522 verbunden, das mit dem Feldbus 502 verbunden ist.
  • Eine Hydraulik-/Pneumatikeinheit 513: Viele der Mechanismen der Maschine 500 werden von Hydraulik- oder Pneumatikzylindern angetrieben. Diese Einheit 513 sorgt für einen ausreichenden Durchfluss und Druck zu den Mechanismen. Einige Sensoren 533 (Druck, Durchfluss, Temperatur, Füllstand usw.) kontrollieren, dass diese Funktion ordnungsgemäß ausgeführt wird, während die Magnetventile 543 die Schaltkreise verwalten. Die Sensoren 533 und die Ventile 543 sind mit einem I/O-Modul 523 verbunden, das mit dem Feldbus 502 verbunden ist.
  • Eine Kühleinheit 514: Die Kühleinheit 514 versorgt die zu kühlenden Systeme der Maschine 500 mit Kühlflüssigkeit. Es gibt einige Sensoren 534, die kontrollieren, ob diese Funktion ordnungsgemäß ausgeführt wird. Ähnlich wie beim Hydraulikaggregat 513 steuern einige Ventile 544 den Kreislauf. Die Sensoren 534 und die Ventile 544 sind mit einem I/O-Modul 524 verbunden, das mit dem Feldbus 502 verbunden ist.
  • Eine Be-/Entladeeinheit 515: Es ist das System, das das zu bearbeitende Teil automatisch in der Maschine 500 be- und entlädt. Zu diesem Zweck verfügt die Einheit 515 über zwei servogesteuerte Achsen 565-566, die mit der CNC 581 wie die in der Bearbeitungseinheit 511 verbunden sind. Diese Achsen 565-566 müssen die Bewegungen der Einheit 515 ausführen. Außerdem ermöglicht ein an den Feldbus 502 angeschlossenes I/O-Modul 525 den Anschluss zusätzlicher Sensoren 535 (induktive Schalter, Druckschalter usw.) an das Netz und die Steuerung anderer Aktoren 545 (Greifer usw.) der Lade-/Entladeeinheit 515.
  • Eine Qualitätskontrolleinheit 517: Unter Berücksichtigung der hohen Produktionsraten dieser Art von Produktionslinien in der Automobilindustrie ist es zwingend erforderlich, die Qualität der produzierten Teile zu überprüfen. In diesem Beispiel wird diese Funktion von einer Kamera 583 und einem messenden Tastsystem 584 ausgeführt, die beide an einen Schalter 570 angeschlossen sind.
  • Ein Wattmeter 518: Es ermöglicht zu wissen, wie die Maschine 500 in Bezug auf den Stromverbrauch arbeitet, um sie zu optimieren. Der Wattzähler 518 wird mit einem anderen Schalter 571 verbunden.
  • Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) 519: Sie bietet eine Schnittstelle, über die ein Benutzer mit der Maschine 500 interagieren kann. Das HMI 519 ist ebenfalls mit dem Schalter 571 verbunden.
  • Der Schalter 570 hat den Feldbus 502 als Eingang, und der Schalter 570 ist mit der SPS 582 der SPS/CNC 516 verbunden. Die CNC 581 ist ebenfalls mit der SPS 582 verbunden, die wiederum mit dem Schalter 571 verbunden ist. Eine Vorrichtung, wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben, kann beispielsweise über den Schalter 571 mit der Maschine 500 von 6A verbunden werden, d.h. die Vorrichtung kann mit dem Schalter 571 verbunden werden, um die Daten der Maschine 500 zu erfassen.
  • Im Schema von 6A kann der Schalter 571 mit der damit verbindbaren Vorrichtung über IP (Internet Protocol) kommunizieren, und die Daten können über ein Protokoll für eine zuverlässige Übertragung, wie beispielsweise TCP (Transmission Control Protocol), übertragen werden; die Kommunikation kann über eine physikalische Verbindung oder drahtlos erfolgen. In alternativen Implementierungen kann das Gerät direkt mit I/O-Modulen in der Maschine mit den entsprechenden Schnittstellen/Ports des Geräts verbunden werden. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung mit I/O-Ports ausgestattet, die den Anschluss physikalischer Schnittstellen ermöglichen; die Ports können für den Anschluss verschiedener physikalischer Schnittstellen wie beispielsweise, aber ohne Einschränkung, RJ-45 angepasst werden. Insgesamt empfängt jede Vorrichtung (die Vorrichtungen in den 3-5) Daten und/oder Proben von einer Vielzahl von Sensoren, die in verschiedenen Elementen oder Komponenten der Maschine vorgesehen sind, über Schnittstellen, die direkt oder indirekt mit den Sensoren und/oder anderen Quellen von Verarbeitungs- und Kommunikationsmitteln, wie beispielsweise Steuerungen (z.B. SPS, CNC usw.) der Maschine, verbunden werden können. Nicht einschränkende Beispiele für Sensoren sind Temperatursensoren, Vibrationssensoren, Drucksensoren, Positionssensoren, Geschwindigkeitssensoren, CCD- und/oder CMOS-Kameras, Mikrofone und andere. Stattdessen können alternative Möglichkeiten zum Anschluss oder zur Verbindung der I/O-Module mit einer Steuereinheit implementiert werden. Obwohl einige Maschinen einer Industrieanlage mit Alarmsystemen ausgestattet sind, die einen Alarm auslösen, wenn ein oder mehrere Messwerte die Schwellenwerte überschreiten, sind diese Systeme nicht in der Lage, alle von der Maschine, ihren Steuerungen und/oder ihren Sensoren ausgegebenen Daten zu analysieren; die ausgegebenen Daten können auf mögliche Fehler hinweisen, selbst wenn sich die Messwerte innerhalb eines Intervalls befinden, das dem Normalbetrieb entspricht. Um also den Betrieb einer Maschine zu überprüfen und darauf zu reagieren oder ihre Leistung oder ihren Betrieb vorherzusagen (z.B. möglicher Ausfall, Effizienz- oder Produktivitätsreduzierung, Qualitätssicherung usw.), um z.B. einen Ausfall zu antizipieren, kann es notwendig sein, Abfragen mit den von der Maschine und den zugehörigen Vorrichtungen (z.B. Sensoren, Stellglieder, Steuerungen usw.) gelieferten Daten zu lösen, wie später in dieser Offenbarung ausführlich erläutert wird.
  • Unter Bezugnahme auf 6B wird erläutert, wie die Vorrichtung, das Netzwerk und das System der vorliegenden Offenbarung die Kontrolle einer industriellen Umgebung ermöglichen und die Bereitstellung einer angemessenen Reaktion auf die anspruchsvollen Bedingungen der Kontrolle einer industriellen Umgebung ermöglichen. Es wird auch erklärt, wie das Netzwerk koexistiert, verbessert und Synergien mit Fog/Cloud Computing nutzt.
  • 6B zeigt schematisch die Ebenen, in die die weltweite industrielle Infrastruktur eines Unternehmens unterteilt werden kann. In einer oberen Ebene 2000 ist ein Endkunde oder ein Unternehmen vertreten. Das Unternehmen kann beispielsweise in der Automobilindustrie tätig sein. Die Unternehmensleitung 2000 kann verschiedene Industrieanlagen 2100, 2200 weltweit verteilt haben, die auf einer zweiten Ebene in 6B dargestellt sind. So kann beispielsweise ein erstes Werk in Europa, ein zweites Werk in Amerika und ein drittes in Asien angesiedelt sein. Jede Anlage besteht aus mehreren Industrielinien, die eine dritte Ebene bilden. Als Beispiel sind in 6B drei Linien 2110, 2120, 2130 des ersten Werks 2100 und eine Linie 2210 des zweiten Werks 2200 dargestellt. Eine vierte Einsatzebene besteht aus Maschinen, die Teil jeder Industrielinie sind. In 6B sind beispielsweise zwei Maschinen 2111, 2112 der Linie 2110 schematisiert. Eine dieser Maschinen kann beispielsweise die in 6A dargestellte Maschine 500 sein. Wie in 6A umfassen die Maschinen 2111, 2112 der Linie 2110 mehrere Komponenten. Die Maschine 2111 kann ein Bearbeitungswerkzeug sein, das eine Bearbeitungseinheit 2111a, eine Schließeinheit 2111b usw. umfasst. Jede Komponente kann wiederum mehrere Elemente aufweisen; beispielsweise kann die Bearbeitungseinheit Servomotoren zum Bewegen der Bearbeitungseinheit entlang der 3 Achsen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse) und einer Spindel umfassen. Die Spindel wiederum besteht aus verschiedenen zu steuernden Unterelementen, wie z.B. einem Motor, einem vorderen Lager und einem hinteren Lager. Sensoren, wie beispielsweise die in 6B dargestellten Beschleunigungssensoren, können verwendet werden, um die vielen Unterelemente einer Maschine zu steuern. Ein System zum Analysieren des Verhaltens, des Betriebs und/oder der Leistung einer Industrieanlage, wie es gemäß den 3-5 offenbart wird, kann beispielsweise zum Steuern des Betriebs jeder Linie 2110, 2120, 2130, 2210 in 6B verwendet werden, beispielsweise durch Anschließen mindestens einer Vorrichtung (wie der Vorrichtung 20 der 7A-7B) an jede Maschine jeder Linie.
  • Die Steuerung des in 6B schematisch dargestellten Geschäfts beinhaltet nun verschiedene Ebenen der Kontrolle oder Überwachung. In einer betriebswirtschaftlichen Welt wird diese Kontrolle durch das Stellen von Abfragen angewendet, deren Antwort den Betrieb und/oder die Leistung des gesamten Unternehmens oder eines Teils davon widerspiegelt. Um beispielsweise das Verhalten einer Komponente zu überprüfen und darauf zu reagieren oder die Leistung einer Anlage vorherzusagen (z.B. möglicher Ausfall, Effizienz- oder Produktivitätsreduzierung, Qualitätssicherung usw.), um beispielsweise einen Ausfall zu antizipieren, kann es notwendig sein, Abfragen mit/aus den von der Maschine und den zugehörigen Vorrichtungen (z.B. Sensoren, Stellglieder, Steuerungen usw.) bereitgestellten Daten zu lösen. Eine Abfrage kann sich beispielsweise auf den Betrieb oder den Zustand einer Komponente einer Maschine beziehen, oder auf den Betrieb oder den Zustand einer Maschine, oder sogar auf den Betrieb oder den Zustand einer ganzen industriellen Linie oder Anlage oder auf die Entwicklung des gesamten weltweiten Geschäfts. Abfragen können an einer Vorrichtung des Netzwerks, am Server davon oder auch außerhalb des von den Vorrichtungen gebildeten Netzwerks definiert werden, z.B. an einem Server, der sich in der Cloud/Fog/Edge befindet, wobei die Abfragen über Kommunikationsverbindungen an die Knoten und Prozessoren davon übertragen werden können.
  • Wie mit Bezug auf 8 erläutert, muss zur Lösung einer Abfrage eine der Abfrage zugeordnete Aufgabe berechnet werden. Mit anderen Worten, eine Aufgabe umfasst oder beinhaltet die gesamte Verarbeitung, die für die Beantwortung der Abfrage erforderlich ist. Einige nicht einschränkende Beispiele für Abfragen zur Überwachung verschiedener Ebenen eines Industrieunternehmens sind die folgenden. In einer thermischen Wärmebehandlung, bei der eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera zur Steuerung des Behandlungsprozesses verwendet wird (eine solche Kamera ist beispielsweise in der in 6A dargestellten Maschine enthalten und als 583 bezeichnet), können verschiedene Abfragen gestellt werden: „Hat der thermische Prozess begonnen? “, „Funktioniert die Wärmequelle? “, „Ist die Temperaturverteilung geeignet, um die gewünschte Oberflächenbehandlung zu erhalten“, „Besteht die Gefahr, dass eine Oberfläche die Schmelztemperatur erreicht?“, „Ist die Temperaturverteilung für jedes Arbeitsprodukt konstant?“. In einer rotierenden Komponente mit Kugellagern können verschiedene Abfragen gestellt werden: „Liegt die Kugeldurchgangsfrequenz des Innenrings unter ihrem Maximalwert“, „Welches ist die momentane Beschleunigungsamplitude für die Kugeldrehfrequenz“, „Welches ist die Restnutzungsdauer einer kugelgelagerten Komponente“, „Hat das Kugellager eine abnormale Verschlechterung“, „Muss das Kugellager ausgetauscht oder gewartet werden“? Die ersten Abfragen sind Abfragen, die sich auf den Betrieb einer Maschine oder eines Teils davon beziehen. Diese Abfragen werden auch als erste Abfragen und zweite Abfragen bezeichnet, wie in Bezug auf die 7A-7B erläutert. Als Beispiel kann eine weitere zweite Abfrage die Bestimmung des Betriebs einer Maschine im Vergleich zum Betrieb anderer Maschinen des gleichen Typs sein. Das heißt, entsprechend dem Betrieb aller Maschinen desselben Typs wird ein normal funktionierendes Modell erstellt, das kleine Abweichungen zwischen Maschinen desselben Typs aufweist. Dann kann der Zustand einer Maschine ständig berechnet und mit dem Normalmodell verglichen werden.
  • Andere Fragen, die sich auf eine höhere Abstraktionsebene beziehen, wie z.B. Fragen zum Wissen (kontextualisierte Informationen) der industriellen Anlage (d.h. einer Industrielinie, einer Anlage oder sogar einer Gruppe von Anlagen), wie z.B. betriebswirtschaftliche Fragen, werden außerhalb des Clusternetzwerks behandelt. Diese Abfragen werden vorzugsweise in der Cloud und/oder Fog/ Edge bearbeitet. Nicht einschränkende Beispiele für diese Abfragen sind: „Wie viel Personal benötigt die Industrieanlage, um eine Gesamtausrüstungseffizienz von 90% zu gewährleisten?“ Oder „Wie viele Teile kann diese Anlage produzieren, wenn die Gesamtausrüstungseffizienz 90% beträgt?“ Diese Abfragen haben in der Regel als Input die Lösungen für Abfragen, die auf der Ebene der Ground Computing (d.h. innerhalb des Computerclusters) bearbeitet werden, wodurch das Volumen der bei Fog/Cloud/Edge Computing gesendeten und behandelten Daten im Vergleich zum Volumen der bei der Ground Computing behandelten Daten reduziert wird. Die Ground Computing-Ebene wird anhand der 7A-7B ausführlich beschrieben. 7A zeigt schematisch eine Vorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockdiagramms. Die Vorrichtung 20 kann beispielsweise eine der in den 3 dargestellten Vorrichtungen 21-26 oder eine der in den 4-5 dargestellten Vorrichtungen 21-27 sein.
  • Die Vorrichtung 20 umfasst einen Multisensor-Datenerfassungsblock 60, durch den die Vorrichtung 20 mit einer Maschine (z.B. der Maschine 500) verbindbar ist. Der Multisensor-Datenerfassungsblock 60 beinhaltet die Datenerfassungssoftware und die Sensoranbindung. Mit anderen Worten, der Multisensor-Datenerfassungsblock fungiert als Schnittstelle zu einem oder mehreren Anschlüssen einer Maschine, die zu dem kontrollierten Industriesystem, der kontrollierten Anlage oder Infrastruktur gehört. Diese Schnittstelle ist auch in den 3-4 als Anschlüsse 29 dargestellt; die Anschlüsse 29 können direkt oder indirekt eine Schnittstelle zu Sensoren bereitstellen. Einige nicht einschränkende Beispiele für Sensoren sind Temperatursensoren, Schwingungssensoren, bilderfassende Sensoren und vieles mehr.
  • Die Verbindung zwischen einer Maschine und einer entsprechenden Vorrichtung kann drahtgebunden oder drahtlos sein; die Vorrichtung kann mit einer Steuerung (z.B. SPS, CNC) verbunden sein, die die Maschine steuert, oder mit einem Feldbus, über den Daten, die von verschiedenen Sensoren einer bestimmten Maschine stammen, übertragen werden. Diese Verbindung kann direkt (direkte Verbindung zwischen Gerät und Maschine) oder indirekt (z.B. über eine hierarchische Kette) erfolgen.
  • Die Vorrichtung 20 umfasst ferner einen ersten Prozessor 61, der konfiguriert ist, um das Liquid Computing 71 durchzuführen. Insbesondere bezieht sich das Liquid Computing 71 auf das Berechnen einer Verarbeitungsaufgabe zur Lösung einer Abfrage. Zur Berechnung der Verarbeitungsaufgabe verarbeitet der erste Prozessor 61 beim Liquid Computing 71 die über den Multisensor-Datenerfassungsblock 60 (von einer Maschine) erfassten Multisensordaten; die Verarbeitung der Multisensordaten kann die Vorverarbeitung der Daten und/oder die Auswahl von Variablen aus den Multisensordaten umfassen. Wenn der erste Prozessor 61 Liquid Computing 71 durchführt, führt er die Verarbeitung von Daten und die Lösung einer Abfrage lokal und in Echtzeit (auch als erste Abfrage bezeichnet) durch, so dass das System ein plötzliches anomales Verhalten oder einen plötzlichen Betrieb der Maschine erkennen und darauf reagieren kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann der erste Prozessor 61 ferner eine zentrale Verarbeitungseinheit mit programmierbarer Hardware/Elektronik umfassen, wie beispielsweise, aber ohne Einschränkung, eine feldprogrammierbare integrierte Schaltung, wie beispielsweise ein FPGA (d.h. eine feldprogrammierbare Gatteranordnung), die so konfiguriert ist, dass sie ein Echtzeitbetriebssystem betreibt, das die feldprogrammierbare integrierte Schaltung oder SoC und das Liquid Computing 71 verwaltet. Dies ermöglicht die Berechnung von Aufgaben, die mit ersten Abfragen in Bearbeitungszykluszeiten verbunden sind, wie z.B. zwischen 1/1,5 GHz und 1/0,8 GHz, d.h. zwischen 0,67 ns (Nanosekunden) und 1,25 ns. Somit kann die Überwachung einer Maschine oder eines Teils davon in Echtzeit erfolgen. Ausführungsformen, bei denen der erste Prozessor 61 eine feldprogrammierbare integrierte Schaltung beinhaltet, sind zudem besonders vorteilhaft in Anwendungen, in denen eine schnelle Programmierung/Umprogrammierung von Abfragen gewünscht wird, da diese Schaltungen eine solche schnelle Programmierung/Umprogrammierung ermöglichen.
  • Unter Bezugnahme auf 6B kann beispielsweise eine Abfrage, die sich auf eine Maschine oder Komponente in einer Anlage 2100, 2200 bezieht, von einem Bediener aus der Ferne offline umprogrammiert werden. Mit anderen Worten, Abfragen - entweder erste Abfragen oder zweite Abfragen oder Abfragen einer höheren Abstraktionsebene - können an einer Vorrichtung 20 des Netzwerks 100, 101, 102, am Server 10, 11, 12 davon oder sogar außerhalb des von den Vorrichtungen gebildeten Netzwerks definiert werden, zum Beispiel an einem Server, der sich in der Cloud/Fog befindet. Dies ermöglicht die Fernprogrammierung einer Abfrage von jedem entfernten physischen Standort aus, sofern ein Zugriff auf die Cloud/ Fog möglich ist.
  • Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 20 auch einen zweiten Prozessor 62, der konfiguriert ist, um Ground Computing 72 durchzuführen. Bei der Durchführung des Ground Computing 72 kann der zweite Prozessor 62 Threads lösen, in die eine einer Abfrage zugeordnete Aufgabe aufgeteilt ist, wie später unter Bezugnahme auf 8 erläutert, wenn die Vorrichtung 20 Teil eines Netzwerks in einer Computercluster-Konfiguration (wie dem Netzwerk 100, 101, 102 der 3-5), also in einer HPC-Konfiguration, ist. Daher kann in diesem Fall eine Antwort oder Lösung für diese Abfragen durch Berechnen einer Aufgabe in einer verteilten Angelegenheit erhalten werden. Dementsprechend arbeitet der zweite Prozessor 62 der Vorrichtung 20 mit dem zweiten Prozessor anderer Vorrichtungen innerhalb eines gleichen Netzwerks zusammen, um eine Abfrage zu lösen (auch als zweite Abfrage bezeichnet). Der zweite Prozessor 62 ist dazu bestimmt, Threads (Teile einer Aufgabe, die der Abfrage zugeordnet sind) bei der Durchführung von Ground Computing 72 zu lösen. Die Threads sind parallelisierbare Teile der Aufgabe, die der zu lösenden Abfrage zugeordnet sind und die der Server des Netzwerks auf die Vorrichtungen des Netzwerks verteilt. Somit sind zweite Abfragen Abfragen, die mit Aufgaben parallelisierbarer Natur verbunden sind, d.h. mit HPC gelöste Aufgaben. Ein zweiter Prozessor 62 einer Vorrichtung 20 löst lokal den ihm vom Server des Netzwerks zugewiesenen Thread. Der zweite Prozessor 62 kann auch Aufgaben unabhängig vom HPC berechnen, d.h. er kann eine Datenverarbeitung durchführen, bei der keine Zusammenarbeit mit anderen Vorrichtungen des Netzwerks stattfindet.
  • 8 veranschaulicht schematisch eine Abfrage 1500. Ein erster Prozessor 61 oder ein zweiter Prozessor 62 einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Abfrage 1500 lösen, die beispielsweise Informationen über ein Verhalten, einen Betrieb oder einen Zustand einer Maschine (oder einer Komponente davon) einer industriellen Anlage liefern kann. Um die Abfrage 1500 zu lösen, muss eine ihr zugeordnete Aufgabe 1501 berechnet werden. Die Aufgabe 1501 umfasst die gesamte Verarbeitung, die zur Lösung der Abfrage 1500 erforderlich ist. In einigen Fällen kann der erste Prozessor 61 die Abfrage 1500 lösen, indem er die Aufgabe 1501 lokal berechnet. Insbesondere in einigen dieser Fälle umfasst die Aufgabe 1501 die Verarbeitung von Daten, wodurch die Abfrage 1500 gelöst wird; die Verarbeitung von Daten kann die Vorverarbeitung von Daten und/oder die Auswahl bestimmter Variablen der Daten nach der Vorverarbeitung und dann die Verarbeitung der Daten nach der Vorverarbeitung und/oder nach der Auswahl bestimmter Variablen beinhalten. In einigen anderen Fällen wird die Abfrage 1500 von mehr als einem Gerät gelöst, d.h. die Abfrage 1500 wird verteilt gelöst. Dementsprechend kann ein Server (z.B. wie in den 3-5 dargestellt) eines Netzwerks die Berechnung der Aufgabe 1501 parallelisieren, indem er sie in mehrere Threads 1510a-1510n unterteilt (dargestellt mit gestrichelten Pfeillinien nur zur Veranschaulichung), um HPC durchzuführen. Jeder Thread 1510a-1510n kann an eine oder mehrere Vorrichtungen gesendet werden, so dass der zweite Prozessor ihn berechnen kann. Durch die Berechnung aller Threads 1510a-1510n kann dann die Aufgabe 1501 berechnet werden, um die Abfrage 1500 zu lösen. Weiterhin kann in einigen Fällen, nachdem alle Threads 1510a-1510n berechnet wurden, vor dem Lösen der Abfrage 1500 eine weitere Verarbeitung des Ergebnisses der Aufgabe 1501 erforderlich sein, um die Abfrage 1500 zu lösen. Durch die Aufteilung einer Aufgabe in Threads kann die Zeit für die Lösung derselben in größerem oder kleinerem Umfang verkürzt werden, je nachdem, wie viele Vorrichtungen (und die Rechenleistung ihres zweiten Prozessors) für die Durchführung von Ground Computing 72 zur Verfügung stehen.
  • In der Ground Computing 72 kann der zweite Prozessor 62 der Vorrichtung 20 alle Daten oder Informationen verwenden, die von einer Vorrichtung des Netzwerks oder dem Server selbst mittels des Netzwerkverbindungsblocks 63 und/oder vom ersten Prozessor 61 der gleichen Vorrichtung 20 erhalten wurden. Wenn die Daten oder Informationen, die in der Ground Computing 72 verwendet werden sollen, von anderen Vorrichtungen oder dem Server bezogen werden, gelangen die Pakete von einem der beiden Knoten (oder sogar von beiden Knoten, in diesem Fall wird ein Satz von Paketen verworfen) in die Vorrichtung 20, die an sie angrenzt, wenn das Netzwerk eine Ringtopologie aufweist, was jedoch nicht bedeutet, dass das System auf die Kommunikation zwischen benachbarten Knoten beschränkt ist: Ein Knoten sendet die Pakete erneut, so dass diese von Knoten zu Knoten gehen, bis sie zum Zielknoten gelangen.
  • Der Netzwerkverbindungsblock 63 kann eine oder mehrere Schnittstellen umfassen, über die die Vorrichtung 20 mit einem Netzwerk verbindbar ist. In der bevorzugten Ausführungsform, in der das Netzwerk eine Ringtopologie aufweist, beinhaltet der Netzwerkverbindungsblock 63 mindestens zwei Schnittstellen und vorzugsweise einen Netzwerk-Switch mit niedriger Latenzzeit für die Frame-Forwarding, wie beispielsweise einen Dreitor-Switch: zwei der Ports, die der Ringkonnektivität zugeordnet sind, und einen internen Ethernet-Port für die Kommunikation mit dem Multisensor-Datenerfassungsblock 60.
  • 7B zeigt in einem Blockdiagramm mehrere Funktionalitäten, mit denen die Vorrichtung 20 in einer Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist. Die Vorrichtung 20 ist hierarchisch in zwei Teile gegliedert: ein erster Teil (die untere Hälfte der Vorrichtung 20, wie in 7B nur zu illustrativen Zwecken dargestellt), der dem Liquid Computing 71 gewidmet ist, d.h. der lokalen Verarbeitung von Daten und der Lösung von Aufgaben (z.B. der Beantwortung erster Abfragen) 81 mit den verarbeiteten Daten; und ein zweiter Teil (die obere Hälfte der Vorrichtung 20, wie in 7B nur zu illustrativen Zwecken dargestellt) der Ground Computing 72.
  • In Bezug auf die untere Hälfte der Vorrichtung 20 erfasst die Vorrichtung 20 Daten von einer oder mehreren Maschinen, mit denen sie verbunden ist. Nach der 80. Stufe der Datenerfassung verarbeitet der erste Prozessor 61 der Vorrichtung 20 die Daten 81. Die Datenverarbeitung 81 kann die Vorverarbeitung umfassen, wobei die Multisensordaten zu einem ersten Datensatz verarbeitet werden, der kleiner als die Originaldaten ist. Beispiele für die in dieser Phase durchgeführte Vorverarbeitung können beispielsweise die Reinigung sinnloser Daten (d.h. solcher, die außerhalb des Betriebsbereichs eines Sensors liegen), die Definition von Präzision bei der Datenerfassung (z.B. das Abschneiden von Dezimalen, um die Variable eines numerischen Datentyps in einen anderen Datentyp mit weniger Bits zu konvertieren, wenn die abgeschnittenen Dezimalen vernachlässigt werden können), Datentransformationen (z.B. Berechnen von Mittelwerten, Mittelwerten, Mittelwerten, Standardabweichungen, Entropien, Domänenwechseln wie z.B. vom Zeitbereich in den Frequenzbereich mit der Fast-Fourier-Transformation) und Anwendung von bereits trainierten Modellen zur variablen Auswahl zur Einsparung von Datenübertragungsbandbreite (z.B. Auswahl von Punkten oder Pixeln, die für ein hochauflösendes digitales Bild von Interesse sind oder Extraktion von Hintergrundinformationen aus einem digitalen Bild). Eine Reduzierung der noch zu verarbeitenden Datenmenge wird erreicht, wodurch weitere Berechnungen und der Stromverbrauch insgesamt minimiert werden. Die Datenverarbeitung 81 kann auch eine Auswahl von Variablen umfassen. So kann der erste Prozessor 61 der Vorrichtung 20 aus einem ersten Datensatz (z.B. erzeugt in einer Vorverarbeitungsphase) eine Auswahl von Variablen durchführen, um die Anzahl der Variablen zu reduzieren, die redundant sind oder eine geringe Bedeutung haben, entsprechend der Weiterverarbeitung durch den ersten Prozessor 61 zur Lösung von Abfragen, während einige andere Variablen aussagekräftige Informationen für die erste(n) Abfrage(n) (oder sogar für andere Zwecke, z.B. zur Lösung anderer erster Abfragen, zur gemeinsamen Nutzung mit anderen Vorrichtungen innerhalb des Computer-Cluster-Netzwerks, die sie benötigen können, für Fog/Cloud-Computing und/oder für Loggingzwecke) enthalten können. Die Variablenauswahl trägt dazu bei oder ermöglicht es, die Überanpassung innerhalb der später durchgeführten Berechnungen zu reduzieren. Es ist zu beachten, dass in einigen Ausführungsformen eine einzige Vorrichtung Daten von Hunderten von Sensoren empfangen kann, die zu erhöhten Durchsätzen führen; von den großen Datenmengen, die verarbeitet werden, kann ein Bruchteil der Daten ausreichen, um die Abfragen zu lösen, so dass die Variablenauswahl die Datenmenge reduzieren kann, die bei der Aufgabenberechnung verwendet wird, ohne ihr Ergebnis zu beeinflussen, d.h. ohne die Lösung für die Abfrage zu verzerren, die mit der zu berechnenden Aufgabe verbunden ist. Mit anderen Worten, aufgrund einer variablen Auswahlstufe kann die Effizienz durch Reduzierung des Rechenaufwands in der Aufgabe erhöht werden. Ein Beispiel für eine variable Auswahl kann sich auf ein digitales Bild mit Tausenden von Pixeln beziehen, aus denen in einer Vorverarbeitungsphase nur wenige Pixel extrahiert wurden; in der variablen Auswahlschicht wird eine Teilmenge von Pixeln der bereits extrahierten wenigen Pixel ausgewählt, da diese Teilmenge zusammen mit Variablen, die sich von diesem speziellen digitalen Bild unterscheiden, ausreichen kann, um eine bestimmte Aufgabe zu berechnen. Ein weiteres Beispiel kann sich auf die Vibration bestimmter Komponenten innerhalb einer Vorrichtung beziehen, wobei die lokale Datenverarbeitung 81 das Frequenzspektrum der Vibration erzeugen kann; ein Teil des Spektrums kann verworfen werden, da es keine nützlichen Informationen enthält. Dann kann die Variablenauswahl einfach bestimmte Werte des restlichen Teils des Spektrums extrahieren, die für die Lösung einiger Abfragen in der Datenverarbeitung 81 des Liquid Computing 71 relevant sind.
  • Mit dem nach der Variablenauswahlstufe erhaltenen Datensatz löst der erste Prozessor 61 eine Aufgabe (die einer ersten Abfrage zugeordnet ist). Die Aufgabe kann lokal (beim ersten Prozessor 61) gelöst werden, da der ursprüngliche Datensatz durch Vorverarbeitung und Auswahl von Variablen reduziert worden sein kann. So kann der erste Prozessor 61 mit einer reduzierten Datenmenge arbeiten und eine Aufgabe mit diesen Daten berechnen; der erste Prozessor 61 führt Berechnungen unter Verwendung eines Teils oder der gesamten Rechenkapazität durch, die der erste Prozessor 61 zur Verfügung hat.
  • Die obere Hälfte der Vorrichtung 20 ist dem Ground Computing 72 gewidmet. Beim Ground Computing 72 führt die Vorrichtung 20 HPC 93 so durch, dass Abfragen (zweite Abfragen), die eine große Rechenleistung erfordern, d.h. Abfragen, die mit Aufgaben verbunden sind, deren Berechnung eine große Rechenleistung erfordert, schneller gelöst werden können, wenn sie auf mehrere Vorrichtungen verteilt werden, mittels Threads der damit verbundenen parallelisierbaren Aufgabe. Der zweite Prozessor 62 kann auch Aufgaben unabhängig vom HPC berechnen, indem er eine lokale Datenverarbeitung 91 durchführt, d.h. eine Datenverarbeitung, die keine Zusammenarbeit mit anderen zweiten Prozessoren von Vorrichtungen des Netzwerks beinhaltet. Diese Verarbeitung 91 kann die Vorverarbeitung und/oder Variablenauswahl umfassen.
  • Obwohl der zweite Prozessor 62 konfiguriert ist, um in einer Computercluster-Konfiguration zu arbeiten, kann die Art und Weise, wie der zweite Prozessor 62 zum Lösen von Threads einer parallelisierbaren Aufgabe (die Aufgabe, die die zu berechnende Rechenarbeit zur Beantwortung einer Abfrage darstellt) arbeitet, ähnlich wie die Bedienung des ersten Prozessors 61 sein. Der zweite Prozessor 62 kann Daten verarbeiten (die sich im Allgemeinen von den im Liquid Computing-Teil erfassten Daten unterscheiden), die er entweder von der Vorrichtung 20 selbst oder vom Netzwerk erhalten hat.
  • Wenn der zweite Prozessor 62 im HPC-Modus arbeitet, bietet er eine Lösung für den Thread, für den er vom Server zur Berechnung aufgefordert wurde. Die Ausgabe des Threads wird im Allgemeinen an den Server des Netzwerks übertragen, wo alle verschiedenen, innerhalb des Netzwerks (d.h. von anderen Vorrichtungen des Netzwerks) erzeugten Ausgaben zur Integration in die Aufgabe gesammelt werden. Durch die Berechnung aller Threads (durch den Server selbst oder durch eine vom Server zugewiesene Vorrichtung) kann die Aufgabe berechnet werden, um eine Abfrage zu lösen. In einigen Fällen kann es nach der Berechnung der Aufgabe notwendig sein, vor der Lösung der Abfrage das Ergebnis der Aufgabe weiter zu verarbeiten, um eine Antwort auf die Abfrage zu geben. Der Datenkommunikationsblock 94 stellt dar, dass der zweite Prozessor 62 die Lösung an den Thread und/oder andere Daten mit entweder einem deterministischen Datenübertragungsprotokoll senden kann (was besonders praktisch sein kann, wenn sichergestellt werden muss, dass die Daten ihr Ziel erreichen, ohne von einer Partei verändert zu werden, die möglicherweise unrechtmäßigen Zugang zum Netzwerk erhalten hat; Beispiele für solche Protokolle sind Data Distribution Service, d.h. DDS, für Echtzeit-Systeme und Time Sensitive Network, d.h. TSN) oder ein nicht-deterministisches Datenübertragungsprotokoll (das besonders praktisch sein kann, wenn die zu übertragenden Daten nicht kritisch sind - z.B. für Protokollierungszwecke oder für nicht sofortige Aktionen -, da solche Protokolle nicht auf den Kommunikationskanal zugreifen, wenn keine freie Bandbreite verfügbar ist; ein Beispiel für solche Protokolle ist Open Platform Communications Unified Architecture, d.h. OPC-UA) und dass sie ebenfalls Daten aus dem Netzwerk empfangen können, mit dem sie verbunden sind, wobei die Daten entweder mit einem deterministischen Datenübertragungsprotokoll oder einem nicht-deterministischen Datenübertragungsprotokoll übertragen werden. Die Kommunikation kann durch den zweiten Prozessor 62 und/oder die Mittel zur Verbindung mit dem Netzwerk verwaltet werden.
  • Auch wenn es in den 3-5 oder 7A nicht dargestellt ist, kann die Vorrichtung 20 weiterhin Datenspeichermittel (nicht dargestellt) beinhalten, die für den zweiten Prozessor 62 zugänglich sind. Die Datenspeichermittel sind vorzugsweise nichtflüchtige Speichermittel, wie beispielsweise eine Festplatte (HDD) oder ein Solid-State-Laufwerk (SSD). Die Datenspeichermittel können Daten (z.B. Muster, Lösungen für Threads, Lösungen für Aufgaben, Abfragen und Lösungen dafür usw.) speichern, die von der Vorrichtung 20 empfangen werden und die der zweite Prozessor 62 verarbeiten und/oder zur Lösung von Threads, Aufgaben und/oder Abfragen verwenden kann. Die Datenspeichermittel können auch Daten speichern oder zwischenspeichern (z.B. Samples, Lösungen für Threads, Lösungen für Aufgaben, Abfragen und Lösungen dafür, etc.), so dass der zweite Prozessor 62 Daten an eine andere Vorrichtung des Netzwerks 100, 101, 102 und/oder den Server 10, 11, 12 davon übertragen kann, sobald der Kommunikationskanal über eine verfügbare Bandbreite verfügt, wodurch die Daten nicht verloren gehen, wenn die Vorrichtung 20 wegen der gesamten belegten Bandbreite nicht senden kann. Die Vorrichtung 20 kann auch flüchtige Speichermittel, wie beispielsweise RAM (Random Access Memory), beinhalten, durch die Daten oder Lösungen für Aufgaben zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessor 61, 62 übertragen werden können. Der erste Prozessor 61 der Vorrichtung 20 kann Daten in den flüchtigen Speichermitteln speichern und Daten aus ihnen abrufen; als Beispiel kann der erste Prozessor 61 Sensordaten vor der Vorverarbeitung der Sensordaten puffern und vorverarbeitete Daten und/oder Daten, die sich aus der Berechnung einer Verarbeitungsaufgabe ergeben, puffern, bevor sie entweder an den zweiten Prozessor der Vorrichtung oder an das Netzwerk übertragen werden.
  • In der oberen Hälfte der Vorrichtung 20, die sich immer noch auf 7B bezieht, können auch Cybersicherheitsmechanismen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die Hackerangriffe von außerhalb des Netzwerks verhindern und alle über das Netzwerk übertragenen Daten vor dem Lesen durch eine unbefugte Person oder Partei schützen, wenn die Datenpakete von der Person oder Partei erfasst werden. Dementsprechend kann die Vorrichtung 20 eine Firewall umfassen, die softwareimplementiert sein kann und deren Zweck es ist, alle Kommunikationen von außerhalb des Netzwerks zu blockieren, die offenbar nicht über die notwendigen Privilegien oder Berechtigungen für die Herstellung der Kommunikation mit der Vorrichtung 20 verfügen; die Firewall kann im zweiten Prozessor 62 betrieben werden. Darüber hinaus ist ein weiterer in der Vorrichtung 20 implementierbarer Cybersicherheitsmechanismus das Verschlüsseln und Entschlüsseln der Daten in den Datenpaketen, die an das Netzwerk gesendet oder von diesem empfangen werden sollen, um eine zusätzliche Sicherheitsschicht zu schaffen.
  • Die Vorrichtung 20 beinhaltet ferner Mechanismen zur Gerätesynchronisation 90, zum Beispiel unter Verwendung des Precision Time Protocol (PTP), so dass jede Vorrichtung des Netzwerks Daten gleichzeitig erfassen kann.
  • Die beiden Rechenebenen (Liquid Computing am ersten Prozessor 61 und Ground Computing am zweiten Prozessor 62) können mit anderen bestehenden Rechenparadigmen, wie Cloud/Fog/Edge Computing, koexistieren, um Antworten auf verschiedene Arten von Abfragen zu geben, z.B. Abfragen, die verschiedene Aspekte oder Ebenen des Industriebetriebs betreffen, wie in 6B schematisch dargestellt. Die von der Vorrichtung 20 oder einem Netzwerk, das die Vorrichtung 20 umfasst, zu lösenden Fragen können von Bedienern definiert werden, die den Zustand und die Leistung der Industrieanlage überwachen, nämlich den korrekten Betrieb der Maschine innerhalb der Industrieanlage kontrollieren. Die Abfragen können in einer Vorrichtung 20 oder im Server 10, 11, 12 oder darüber hinaus definiert werden, einschließlich des Netzwerks 100, 101, 102, beispielsweise in der Cloud/Fog/Edge. Ein Beispiel für eine eher einfache Abfrage, die mit einer Maschine zur Bearbeitung von Teilen verbunden ist, kann die Überprüfung sein, ob die von einem Lager ausgelösten Vibrationen innerhalb eines bestimmten Bereichs (z.B. in Bezug auf Frequenz und/oder Amplitude) liegen, der als normal oder korrekt angesehen wird. Diese Abfrage wird vorzugsweise in Echtzeit im ersten Prozessor der Vorrichtung gelöst. Diese Art von Informationen dürfen nur von den Sensoren gewonnen werden, die das Lager während des Betriebs erfassen, zum Beispiel von den mit diesem Lager verbundenen Beschleunigungssensoren. Ein Beispiel für eine komplexere Abfrage kann sein, zu überprüfen, ob alle Mechanismen eines Roboterarms wie erwartet funktionieren und ob die verbleibende Nutzungsdauer von jedem einzelnen von ihnen mindestens zwei Wochen beträgt. In diesem Fall kann es bis zu zehn oder hundert Sensoren geben, die sich auf die Mechanismen beziehen, deren Sensordaten und/oder Proben die Antwort auf die Abfrage nur liefern können, wenn die Daten ordnungsgemäß verarbeitet und kombiniert werden. Diese Abfrage muss nicht in Echtzeit gelöst werden und kann die Verarbeitungskapazität des zweiten Prozessors mehrerer Vorrichtungen (d.h. HPC) erfordern. In diesem Sinne ist es notwendig, dass die Datenerfassung synchron durchgeführt wird und den gleichen Zeitstempel liefert, so dass jedes Problem, das in einer Komponente oder Maschine auftritt, identifiziert und mit den Daten geortet werden kann (wenn die Daten zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst werden, ist es möglicherweise nicht möglich, die Ursachen zu verfolgen, die das Problem verursachen); dies bedeutet nicht, dass alle Sensoren Daten mit der gleichen Geschwindigkeit produzieren müssen, ein Sensor kann je nach zeitlicher Entwicklung einer Größe mehr oder weniger häufig erfassen (e.g. Es wird nicht erwartet, dass sich die Raumtemperatur jede Sekunde signifikant ändert, während die Leistung eines Lasers in einer Sekunde um ein Vielfaches variieren kann), solange die Sensordaten, die einem bestimmten Zeitpunkt entsprechen, für ihre Verarbeitung identifiziert werden können.
  • Die Art der Sensoren kann sehr variabel sein: Während ein Umgebungstemperatursensor Daten mit einer Rate von wenigen Bytes pro Sekunde ausgeben kann, kann ein Beschleunigungssensor in einem Lager Daten mit einer Rate von Kilobytes pro Sekunde ausgeben (zum Beispiel 20-30 kB/s), oder eine Digitalkamera kann Daten mit einer Rate von Megabytes pro Sekunde ausgeben. Es ist klar, dass sich die Daten schnell summieren und der Gesamtdurchsatz für ein einzelnes Gerät in der Größenordnung von Einheiten oder Dutzenden von Megabyte pro Sekunde liegen kann. Um eine Abfrage durch Berechnen einer Aufgabe zu lösen, müssen die Daten dann verarbeitet und die Lösung für die Aufgabe extrahiert werden.
  • Wenn man beispielsweise eine einzelne Spindel eines Bearbeitungswerkzeugs überwachen würde, können die Daten zur Überwachung der Spindel Variablen wie die Schwingungen jeder der Achsen, die Lager, den Käfig und die Spuren, die bei 20 Kilohertz erfasst werden können, sowie Variablen wie die Leistung, das Drehmoment, die Temperatur und die Winkelgeschwindigkeit der Spindel umfassen, wobei diese Variablen beispielsweise Daten sind, die bei 10 Hertz erfasst werden. Bei der Aggregation all dieser Daten kann der Durchsatz 0,5 Megabyte pro Sekunde betragen. Die Zeit, die benötigt wird, um eine Lösung für eine Abfrage zu finden, die mit den Daten außerhalb der Industrieanlage verbunden ist (z.B. in der Cloud oder Fog), kann in der Größenordnung von mehreren Sekunden oder sogar Minuten liegen, wenn der Kommunikationskanal über eine ausreichende Bandbreite verfügt, die Latenzzeit gering ist und genügend Computerressourcen zur Verfügung stehen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass während der Übertragung und Verarbeitung der Daten entweder im Fog/Edge oder in der Cloud zusätzliche Daten von den gleichen Sensoren und Steuerungen erzeugt werden, die ebenfalls analysiert werden sollten, da sich das Verhalten der Spindel bereits geändert haben kann. Der erste Prozessor (Liquid layer) der Vorrichtung kann die entsprechenden Daten erfassen und beispielsweise eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchführen. Liegt dann beispielsweise die Amplitude einer interessierenden Frequenz (die in der FFT enthalten ist) über einem Schwellenwert, wird ein Alarm an ein Überwachungssystem gesendet, um weitere Aktionen durchzuführen.
  • Wie bereits erläutert, können die beiden Rechenebenen (Liquid Computing am ersten Prozessor 61 und Ground Computing am zweiten Prozessor 62) mit anderen bestehenden Rechenparadigmen wie Cloud/Fog/Edge Computing koexistieren. Durch die Analyse der momentanen Leistungsaufnahme jeder Maschine können beispielsweise Verbesserungen in der gesamten Anlage geplant werden. Diese Query gehört zur Geschäftswelt, die typischerweise in der Cloud/Fog/Edge behandelt wird. Eine weitere exemplarische Frage dieser Art ist: „Wie viel Personal benötigt die Industrieanlage, um eine Gesamtausrüstungseffizienz von 90% zu gewährleisten?“.
  • Jedes Mal, wenn eine neue Vorrichtung (z.B. Vorrichtung 20) in das Netzwerk integriert wird, wie beispielsweise in der Ausführungsform der 3-5 dargestellt, kann der Bedarf an Verarbeitungs-/Rechenressourcen innerhalb des Netzwerks steigen, da die von der neuen Vorrichtung gesammelten Multisensordaten zum Netzwerk hinzugefügt werden. Allerdings werden die Verarbeitungs-/Rechenressourcen des Netzwerks gleichzeitig erhöht, indem der erste und der zweite Prozessor der neuen Vorrichtung in das Netzwerk integriert werden, und insbesondere der zweite Prozessor, da er der verteilten Verarbeitung des HPC hinzugefügt wird. Der Server des Netzwerks überwacht den Status jeder Vorrichtung des Netzwerks in Bezug auf die Last und den Fortschritt bei der Lösung einer bestimmten Aufgabe oder eines Teils einer Aufgabe (z.B. Thread). Dazu kommuniziert der Server mit den Vorrichtungen, z.B. über Message Passing Protocols wie MPI (Message Passing Interface). Das Netzwerk kann konfiguriert werden, um eine skalierbare Erweiterung durch Hinzufügen neuer Vorrichtungen zum Netzwerk zu ermöglichen, und der Server kann konfiguriert werden, um den neuen Vorrichtungen neue oder bereits bestehende Verarbeitungsaufgaben zuzuweisen. So kann beispielsweise beim Anschluss einer neuen Vorrichtung ein Synchronisationsprozess ausgeführt werden, um die Verarbeitung des zweiten Prozessors aller Vorrichtungen im Netzwerk zu synchronisieren. Die Distributed Processing (HPC) wird unter Einhaltung der Synchronisationsanforderungen des Netzwerks durchgeführt. Daher wird die Arbeitslast auf mehrere Vorrichtungen verteilt.
  • Der erste Prozessor der Vorrichtungen eines Netzwerks 100, 101, 102 arbeitet synchron zur Verarbeitung aller von den Maschinen 121-125 empfangenen Daten und Rechenaufgaben, während der zweite Prozessor, der in jeder Vorrichtung enthalten ist, synchron oder asynchron in Bezug auf den zweiten Prozessor der entsprechenden Vorrichtungen innerhalb des Rechenclusters arbeiten kann, wenn es sich um Rechenaufgaben oder Threads handelt, in die eine Aufgabe unterteilt ist.
  • Die Vorrichtungen und der Server des Netzwerks 100, 101, 102 können konfiguriert werden, um verschiedene Protokolle und Prozesse auszuführen, die eine korrekte verteilte Datenverarbeitung ermöglichen. Der zweite Prozessor der Vorrichtungen kann mit anderen Vorrichtungen und zweiten Prozessoren derselben durch Nachrichtenübermittlungsprotokolle (z.B. MPI) kommunizieren; die Vorrichtungen und der Server senden und empfangen Nachrichten unter Verwendung dieser Art von Protokollen zur Durchführung von verteilter Datenverarbeitung. Die Message-Passing-Protokolle können in Frameworks oder Programmiermodellen verwendet werden, die auf asynchrones und heterogenes Parallel-Computing ausgerichtet sein können, d.h. Frameworks oder Programmiermodelle, die die Lösung der Threads asynchron und durch Prozessoren unterschiedlicher Art unterstützen (z.B. ein oder mehrere Cores einer zentralen Verarbeitungseinheit, eine oder mehrere Grafikverarbeitungseinheiten in paralleler Konfiguration, feldprogrammierbare integrierte Schaltungen usw.).
  • Der Server 10, 11, 12 verwaltet den HPC innerhalb des Computerclusters. Insbesondere teilt es die parallel zu lösenden Aufgaben, um eine Vielzahl von Threads der Aufgabe für High Performance Computing zu bilden. Es überträgt auch die Teile (Threads) dieser Aufgabe an einige Vorrichtungen für HPC; da der Server 10, 11, 12 den Ladezustand jeder Vorrichtung kennt, kann der Server 10, 11, 12 die Threads einer Aufgabe an ausgewählte Vorrichtungen des Netzwerks übertragen, die über genügend freie Rechenleistung verfügen, um sie zu berechnen. Der Server 10, 11, 12 empfängt Lösungen für die Threads von entsprechenden Vorrichtungen und stellt sie neu zusammen, um die Aufgabe zu berechnen und schließlich eine Antwort auf eine Abfrage zu geben.
  • Ein Cluster-Workload-Manager im Server verteilt die Threads über das Netzwerk 100, 101, 102, indem er Folgendes zentralisiert: zu lösende Threads, Informationen über die (verfügbare) Rechenleistung jeder Vorrichtung und in einigen Fällen die Anforderungen der Vorrichtungen, eine Aufgabe verteilt zu lösen. Der Cluster-Workload-Manager entscheidet anhand des Status der Vorrichtungen, welcher Thread jeder Vorrichtung zugeordnet ist (es können nur einige Vorrichtungen des Netzwerks oder alle Vorrichtungen des Netzwerks sein, da nur eine Teilmenge der Vorrichtungen des Netzwerks zur Lösung der Threads verwendet werden kann) und sendet die Threads dann mittels eines Message-Passing-Protokolls. In diesem Zusammenhang kann ein Überwachungsmodul oder eine Bibliothek dynamisch die Arbeitsbelastung jeder Vorrichtung und die zugehörige verfügbare Kapazität für HPC davon bestimmen. Ein anderes Modul oder eine andere Bibliothek (z.B. Dynamic Load Balance oder DLB) kann die Last in den Vorrichtungen dynamisch ausgleichen, indem es die Anzahl der aktiven Threads (des zweiten Prozessors davon) anpasst, die in einem bestimmten Prozess verwendet werden. Durch die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Modulen und Prozessen, die für den HPC verantwortlich sind, weiß der Server 10, 11, 12 jederzeit, wie der Zustand des Netzwerks 100, 101, 102 und der Vorrichtungen darin aussieht, so dass beispielsweise der Cluster-Workload-Manager den Betrieb jedes Geräts an eine Änderung der Dringlichkeit anpassen kann, in der eine Aufgabe zur Lösung einer Abfrage gelöst werden muss oder eine neue dringende Abfrage deklariert wird, wodurch die Lösung einer bestimmten Abfrage beschleunigt wird.
  • Der erste Prozessor 61 und der zweite Prozessor 62 sind kommunikativ gekoppelt, um Daten auszutauschen, im Allgemeinen über einen Direktzugriffsspeicher (RAM). Die gemeinsam zu nutzenden Daten können Ausgaben von Aufgaben sein (z.B. kann die Ausgabe einer vom ersten Prozessor 61 gelösten Aufgabe an den zweiten Prozessor 62 übertragen werden), verarbeitete Multisensordaten (z.B. kann der erste Prozessor 61 Multisensordaten verarbeiten, um einen kleineren Datensatz zu bilden, der an den zweiten Prozessor 62 zur Durchführung von HPC übertragen wird), Anweisungen für die Maschine und/oder Daten über Anweisungen, die an die Maschine zu Aufzeichnungszwecken übermittelt werden, usw.
  • Die 9A und 9B zeigen die Pyramidenmodelle 600, 610, die das Paradigma veranschaulichen, wie Daten mit Vorrichtungen und Systemen gemäß der Erfindung verarbeitet werden.
  • Die lokale Berechnungsebene, die innerhalb des Netzwerks des Systems begrenzt ist, umfasst die bereits erwähnte Ground layer und Liquid layer, die in 9A schematisch zusammen mit den traditionellen Sensoren, SPS- und SCADA-Schichten der traditionellen Pyramide 190 dargestellt sind. Die neue Vorrichtung und das neue System können die Reaktionszeit auf jede Abfrage, Notwendigkeit oder potenzielle/aktuelle Fehlfunktion innerhalb eines mit dem Netzwerk verbundenen Systems verkürzen. Aus diesem Grund sind die Vorrichtungen und Systeme besonders für Industrieanlagen geeignet, bei denen dieser Aspekt entscheidend ist. Da die Daten lokal innerhalb des Computerclusters verarbeitet werden (Ground und Liquid layers), kann die Datenmenge, die an Edge/Fog/Cloud-Computergeräte geliefert wird, reduziert werden. Tatsächlich sollten die an Edge/Fog/Cloud Computing gelieferten Daten hauptsächlich auf Informationen über das Geschäft/Wissen der Anlage reduziert werden. Darüber hinaus erlauben es die als Rechencluster arbeitenden Vorrichtungen, ihre Leistung auszugleichen, um die Rechenleistung des Rechenclusters zu optimieren. Nicht zuletzt steigt die Verarbeitungs-/Rechenleistung des Netzwerks, während neue Vorrichtungen in das Netzwerk aufgenommen werden.
  • Anschließend werden Beispiele diskutiert, um die Vorteile eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sowohl in Bezug auf die Effizienz der Verarbeitungszeit als auch in Bezug auf die Reduzierung der an Fog/Cloud Computing gelieferten Daten zu veranschaulichen.
  • Ein Beispiel für die Steuerung des Betriebs einer Maschine einer Industrieanlage mit Hilfe des offenbarten Systems ist in 10 dargestellt. Drei Vorrichtungen 921, 922, 923 eines Netzwerks, das aus einer Vielzahl von Vorrichtungen besteht, werden zusätzlich zum Server 910 angezeigt. Um eine thermische Wärmebehandlung zu überwachen, die von einem Laser in einer Maschine durchgeführt wird, wird eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamera 901 verwendet. Die Vorrichtung 921 sammelt Daten von dieser Kamera 901. Die Kamera 901 hat eine Auflösung von 1024 Pixel pro Bild, d.h. die Kamera umfasst 1024 Variablen (1 Pixel entspricht 1 Variable). Jede Variable hat eine Wortlänge von 10 Bit. Die Abtastrate beträgt 1000 Bilder pro Sekunde (1 kHz). Daher erzeugt diese Kamera Daten mit einer Geschwindigkeit von 128000000 Bytes/s (1,28 MB/s, 1,28 Megabyte pro Sekunde).
  • In Bezug auf die an der Maschine angewandte Behandlung ist es möglich, erste Fragen zu stellen, z.B.: Hat der thermische Prozess begonnen? (Oder funktioniert die Wärmequelle (Laser)?) Um diese Abfrage zu lösen, wird eine dieser Abfrage zugeordnete und darauf basierende Aufgabe erstellt. Die Berechnung dieser Aufgabe liefert die Antwort auf die Abfrage. In diesem Fall ist die zu berechnende Aufgabe, eine Region of Interest (ROI) zu erhalten und zu verarbeiten.
  • So werden die von der Kamera 901 erhaltenen Daten mit einer Geschwindigkeit von 1,28 MB/s an den ersten Prozessor 921a der Vorrichtung 921 gesendet, wo diese Aufgabe durch Anwendung eines Region of Interest (ROI)-Algorithmus berechnet wird, um Hintergrundpixel aus jedem Einzelbild zu entfernen und nur mit Pixeln zu arbeiten, die Informationen enthalten. In einem bestimmten Beispiel ist der ROI etwas größer als 70%: Es werden 729 Pixel pro Bild ausgewählt, was 911.000 Bytes/s (911 Kbytes/s) entspricht. In 10 ist ein Beispiel für einen Bereich von Interesse dargestellt, der nach Anwendung eines ROI-Algorithmus erhalten wurde. Wenn der ROI die entsprechende Größe hat, kann man davon ausgehen, dass der thermische Prozess gestartet ist (d.h. die erste Abfrage wird beantwortet). Dann werden beim ersten Prozessor 921a die aus dem ROI kommenden Daten verwendet, um eine Konnektivitätssmatrix zu erzeugen, in diesem Fall eine Matrix mit den Abmessungen 729 x 729, die für jedes Pixel die benachbarten Pixel definiert, die einer bestimmten Struktur der Daten folgen. Das Ergebnis der Berechnung dieser Konnektivitätsmatrix liefert eine Ausgabe von 66,4 kB/s, was, addiert zu den 911 kB/s, zu 977,4 kB/s als Ausgabe des Liquid Computing (erster Prozessor 921a) führt. Diese Verbindungsmatrix ist nützlich, um die räumliche Konfiguration von Pixeln zu erkennen. Das heißt, das Ergebnis des ROI wird im Liquid Computing weiterverarbeitet.
  • Außerdem können zweite Abfragen formuliert werden. Zum Beispiel: Ist die Temperaturverteilung geeignet, um die gewünschte Oberflächenbehandlung zu erhalten? Oder besteht die Gefahr, dass eine Oberfläche die Schmelztemperatur erreicht? Oder ist die Temperaturverteilung für jedes Arbeitsprodukt konstant? Um diese Abfrage zu lösen, wird eine damit verbundene und darauf basierende Aufgabe erstellt. Die Berechnung dieser Aufgabe liefert die Antwort auf die Abfrage. In diesem Fall ist die zu berechnende Aufgabe die Ermittlung der Temperaturverteilung über die Oberfläche. Die Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Analyse der von der Kamera 901 aufgenommenen Bilder mit einer Geschwindigkeit von 1000 Bildern/s.
  • Um diese Verarbeitung durchzuführen, werden die ROI- und Verbindungsmatrix an den Zeitspeicherpuffer 921c des zweiten Prozessors 921b der Vorrichtung 921b gesendet, in der die erste Aufgabe berechnet wurde. Die im Puffer 921c gespeicherten Daten werden an den Server 910 gesendet. Anschließend wird die Aufgabe durch den Server 910 (am Scheduler 910a) in Threads aufgeteilt, die an verschiedene zweite Prozessoren 921b, 922b, 923b oder 923b der entsprechenden Vorrichtungen 921, 922, 923 gesendet werden. Insbesondere führt jeder Thread einen Algorithmus zur Verarbeitung der Daten aus, die einem anderen Bildrahmen zugeordnet sind. Jeder Thread kann einen agglomerierenden Clustering-Algorithmus auf Pixeln eines Bildrahmens mit dem erhaltenen ROI und mit gemeinsamen Merkmalen in Bezug auf Zeit und Raum (räumlich-zeitlich) ausführen, die sich aus der Konnektivitätsmatrix ergeben. Der Server 910 weist Threads mehreren Vorrichtungen 921, 922, 923 zu, insbesondere den zweiten Prozessoren 921b, 922b, 923b davon. Das heißt, die Aufgabe wird parallelisiert, um mit der großen Datenmenge der Kamera (1000 Bilder/s) umgehen zu können. Jeder zweite Prozessor 921b, 922b, 923b, 923b verarbeitet daher unterschiedliche Bilderrahmen.
  • Das Ergebnis jedes Threads sind die mittleren, minimalen und maximalen Temperaturen sowie die Standardabweichung für jeden gebündelten Rahmen. In diesem Beispiel beträgt die Anzahl der Cluster 9 und die Ausgangsdatenübertragung 144 kB/s (144000 Bytes/s). Diese Daten (Lösung aller Threads) werden an den Server (am Scheduler 910b) gesendet, um die Werte entlang der Zykluszeit des Wärmebehandlungsprozesses zu generalisieren. Dieses Ensemble wird vom Server 910 dem zweiten Prozessor 921b einer Vorrichtung 921 zugeordnet. Die aus der Aufgabe resultierende Temperaturverteilung über die Oberfläche gibt die Antwort auf die zweite Abfrage.
  • Ein weiteres Beispiel für die Steuerung des Betriebs einer Maschine einer Industrieanlage mit Hilfe des offenbarten Systems ist in 11 dargestellt. Drei Vorrichtungen 921, 922, 923 eines Netzwerks, das aus einer Vielzahl von Vorrichtungen besteht, werden zusätzlich zum Server 910 angezeigt. Zur Durchführung der Zustandsüberwachung über eine rotierende Komponente 130 wird ein Beschleunigungssensor 1201 verwendet.
  • 12 zeigt zwei Ansichten einer rotierenden Komponente 130 (Seitenansicht links und eine Schnittansicht in 3D rechts). Der Beschleunigungssensor 1201 hat eine Wortlänge von 24 Bit. Die Abtastrate beträgt 30 kHz, um maximal 10 kHz Phänomene zu überwachen. Daher erzeugt der Beschleunigungssensor 1201 Daten mit einer Geschwindigkeit von 90 kB/s (90000 Bytes/s). Vom Beschleunigungssensor 1201 werden Daten an den ersten Prozessor 921a der Vorrichtung 921 gesendet, wo eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) angewendet wird, um von Zeitbereich zu Frequenzbereich zu wechseln. Diese Transformation reduziert die Menge der übertragenen Daten um die Hälfte und ergibt 45 kB/s (45000 Bytes/s). Aus der FFT werden die interessierenden Frequenzen der Kugellager ausgewählt: Grundtrainingsfrequenz FTF, Kugeldurchgangsfrequenz des Innenrings BPFI, Kugeldurchgangsfrequenz des Außenrings BPFO, Kugeldrehfrequenz BSP und Wellendrehfrequenz SRF, wie in 12 (rechts) dargestellt. Mit diesen Frequenzen ist es möglich, erste Fragen zu stellen, z.B.: Liegt die Kugeldurchgangsfrequenz des Innenrings unter seiner Maximalgrenze? Welche ist die momentane Beschleunigungsamplitude für die Kugelschleuderfrequenz?
  • Dann wird die Amplitude für jede der 5 interessierenden Frequenzen an den Zeitspeicherpuffer 921c des zweiten Prozessors 921b der Vorrichtung 921 gesendet. Die 5 Frequenzen und ihre entsprechenden Amplituden implizieren 10 Variablen, die jeweils 4 Bytes benötigen. Da in diesem Beispiel 2 FFT pro Sekunde durchgeführt werden, liefert der Ausgang der Liquid-Ebene Daten mit 80 B/s. Die im Puffer 921c gespeicherten Daten werden an den Server 910 (am Scheduler 910a) gesendet, der Threads an andere Zweitprozessoren 921b, 922b, 923b der jeweiligen Vorrichtungen 921, 922, 923b zuweist. In diesem Fall ist die Parallelisierung nicht auf eine große Anzahl von zu verarbeitenden Daten zurückzuführen (wie im Falle der von der Kamera in dem in 10 dargestellten Beispiel gesammelten Daten), sondern im Gegenteil, weil ein k-means Clustering-Algorithmus mehrmals initialisiert werden muss, um ein Absinken in lokale Minima zu verhindern (weil der Algorithmus von zufälligen Punkten gestartet wird, die zu einem lokalen Minimum führen können). In diesem Fall umfasst also jeder Thread, der an andere zweite Prozessoren gesendet wird, das Ausführen eines k-means Clustering-Algorithmus, um Amplituden mit gemeinsamen Merkmalen in Bezug auf die Zeit zu gruppieren. Der Algorithmus wird daher mehrmals (einmal pro Thread) mit den gleichen Eingangsdaten (historische Daten im Puffer 921c) initialisiert, um später die besten Ergebnisse (meist getrennte Zentroide) auszuwählen. Das Ergebnis jedes Threads ist der Schwerpunkt (5 Variablen, eine pro Frequenz) und ein Durchmesser für jeden Cluster (d.h. 6 Variablen). Es gibt 4 Bytes/Variable. In diesem speziellen Beispiel ist die Anzahl der Cluster 3, so dass jedes k-means 72 Bytes zur Verfügung stellt. Da in diesem Beispiel festgestellt wurde, dass 10000 FFT für jeden k-Mittel-Clustering-Algorithmus verwendet werden und 2 FFT pro Sekunde durchgeführt werden, und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass jedes k-Mittel 72 Bytes zur Verfügung stellt, beträgt die resultierende Ausgangsdatenübertragung in diesem Stadium etwa 0,0144 Bytes/s. Die Parallelisierung der Ausführung jedes k-means Clustering-Algorithmus ist notwendig, da jede Ausführung mehrere Sekunden dauern kann. Diese Daten, die von jedem Thread kommen, werden erneut an den Server 910 (am Scheduler 910b) gesendet, um einen statistischen Test durchzuführen, um festzustellen, ob sich die Cluster entwickeln (Konzeptdrift). Die Berechnung dieses Tests wird vom Server einem anderen zweiten Prozessor 921b zugewiesen. Mit dem Konzept drift values (new centroid positions) wird eine Aufgabe zur Lösung zweiter Abfragen abgeschlossen. Beispiele für solche zweiten Abfragen sind: Was ist die kugelgelagerte Restnutzungsdauer der Komponente? Hat das Kugellager eine abnormale Verschlechterung? Muss das Kugellager ausgetauscht oder gewartet werden?
  • Wie zu beobachten ist, während der zweite Prozessor 923b der Vorrichtung 923 den Thread berechnet, nach dem ein k-Mittel-Clustering-Algorithmus ausgeführt wird, um die Aufgabe zu lösen, die einem rotierenden Element der Maschine zugeordnet ist, mit der die Vorrichtung 921 verbunden ist, berechnet der erste Prozessor 923a der Vorrichtung 923 eine weitere Aufgabe zur Lösung einer Abfrage, die einem rotierenden Element der Maschine zugeordnet ist, mit der die Vorrichtung 923 verbunden ist.
  • Aus den vorstehenden Beispielen lässt sich ableiten, dass das Volumen der am Ausgang des Liquid Computing (erster Prozessor einer Vorrichtung) erhaltenen Daten in Bezug auf die vom ersten Prozessor verarbeiteten Daten (d.h. in Bezug auf die Daten am Eingang des Liquid Computing) reduziert wird. Im ersten Beispiel wird eine Reduzierung um das 1280/977,4-fache erreicht. Im zweiten Beispiel wird eine Reduzierung um das 90.000/80-fache im Liquid Computing erreicht. Was das Ground Computing betrifft, so wird im ersten Beispiel eine Reduzierung um das 977,4/144fache erreicht, während im zweiten Beispiel eine Reduzierung um das 80/0,0144fache erreicht wird. Dies bedeutet, dass auch das Datenvolumen, das für die Weiterverarbeitung im Fog/Cloud Computing bereitgestellt werden muss, reduziert wird. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Datenvolumen, das für die Weiterverarbeitung im Edge/Fog/Cloud Computing bereitgestellt wird, vorzugsweise mindestens zehnmal kleiner als das Datenvolumen, das beim Ground Computing ankommt, vorzugsweise zwanzigmal kleiner, noch bevorzugter 100mal kleiner und in einigen Fällen sogar bis zu 106mal kleiner. Wie oft sie kleiner ist, hängt von den zu behandelnden Fragen ab.
  • Die ersten, zweiten und dritten Abfragen, wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben, können Abfragen für mindestens eine der folgenden Personen sein: Überwachen des Betriebs mindestens einer Maschine (oder mindestens einer Komponente einer Maschine) in einer Industrieanlage; Vorhersagen des Verhaltens der mindestens einen Maschine oder Komponente; Betätigen der mindestens einen Maschine oder Komponente; Steuern der Vorrichtungen (mit der Antwort auf die Abfragen, die von einer Vorrichtung oder dem Server des Netzwerks verwendet werden), um auf jede Fehlfunktion zu reagieren, die möglicherweise erkannt oder diagnostiziert wurde; und Vorschreiben einer Betätigung der Maschine oder Komponente.
  • In diesem Text sollte der Begriff „umfasst“ und „einschließt“ und ihre Ableitungen (wie „umfassend“, „einschließend“, etc.) nicht in einem ausschließenden Sinne verstanden werden, d.h. diese Begriffe sollten nicht so interpretiert werden, dass sie die Möglichkeit ausschließen, dass das, was beschrieben und definiert wird, weitere Elemente, Schritte, etc. beinhalten kann. In diesem Text werden die Begriffe „Multiplizität“ und „Pluralität“ austauschbar verwendet. Die Erfindung beschränkt sich natürlich nicht nur auf die hierin beschriebene(n) spezifische(n) Ausführungsform(en), sondern umfasst auch alle Variationen, die von einem Fachmann (z.B. hinsichtlich der Wahl von Materialien, Abmessungen, Komponenten, Konfiguration usw.) im Rahmen des allgemeinen Umfangs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, berücksichtigt werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Pranali More in „Review of implementing Fog Computing“, IJT: International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 04, Ausgabe 06, June 2015 [0011]

Claims (29)

  1. Ein System zum Überwachen des Betriebs mindestens einer Maschine (121-125, 500) einer Industrieanlage oder zum Überwachen eines solchen Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine (121-125, 500) basierend auf einer solchen Überwachung, wobei das System umfasst: ein Netzwerk (100-102), das einen Server (10-12) und eine Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) umfasst, die einen Computercluster bilden, wobei mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) mit einer Maschine (121-125, 500) der Industrieanlage zum Empfangen von Sensordaten von der Maschine verbindbar sind, wobei jede Vorrichtung (20-27) der mindestens einigen Vorrichtungen umfasst: einen ersten Prozessor (61), der konfiguriert ist, um in Echtzeit mit Daten, die von der Maschine (121-125, 500), mit der die Vorrichtung (20-27) verbindbar ist, erfasst werden können, eine erste Verarbeitungsaufgabe (1501) zu berechnen, um eine erste Abfrage (1500) zu lösen, die sich auf den Betrieb einer Maschine oder einer Komponente davon, mit der eine Vorrichtung verbindbar ist, bezieht; und einen zweiten Prozessor (62), der konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Netzwerk (100-102) zu teilen und, wenn vom Server (10-12) zugewiesen, mindestens einen Thread (1510a-1510n) einer zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501) zu berechnen, um eine zweite Abfrage (1500) zu lösen, die sich auf den Betrieb mindestens einer Maschine oder einer Komponente davon mit der mindestens eine Vorrichtung verbindbar ist, bezieht; wobei der Server (10-12) konfiguriert ist zum Steuern des Computer-Clusters; Aufteilen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501) in eine Vielzahl von Threads (1510a-1510n); und Zuordnen eines oder mehrerer Threads (1510a-1510n) der Vielzahl von Threads zum zweiten Prozessor (62) von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27).
  2. System nach Anspruch 1, wobei die mindestens einigen Vorrichtungen jede Vorrichtung (20-27) aus der Vielzahl der Vorrichtungen (20-27) umfassen.
  3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Verarbeitungsaufgabe (1501) umfasst: Vorverarbeiten der Daten, um einen Datensatz zu bilden, und Auswählen einer Teilmenge von Daten aus dem Datensatz zum Lösen der ersten Abfrage (1500); oder Vorverarbeiten der Daten zu einem Datensatz zur Lösung der ersten Abfrage (1500).
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Prozessor (61) ferner konfiguriert ist, um nach dem Lösen der ersten Abfrage (1500) einen Befehl abzuleiten und den Befehl an den zweiten Prozessor (62) einer gleichen Vorrichtung oder der mit der Vorrichtung (20-27) verbindbaren Maschine (121-125, 500) zu übertragen.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Prozessor (62) ferner konfiguriert ist, um lokal eine dritte Verarbeitungsaufgabe (1501) zum Lösen einer Abfrage (1500) zu berechnen.
  6. System nach Anspruch 5, wobei die dritte Verarbeitungsaufgabe (1501) die Verarbeitung von Daten umfasst, die vom Server (10-12) oder einer Vorrichtung aus der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) erhältlich sind, um einen Datensatz zum Lösen der Abfrage (1500) zu bilden.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Server (10-12) ferner konfiguriert ist zum: Empfangen von Ausgaben des einen oder der mehreren Threads (1510a-1510n) von den mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27); Verarbeiten der Ausgänge zum Berechnen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501); und Bereitstellen einer Lösung für die zweite Abfrage (1500).
  8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Prozessor (62) ferner konfiguriert ist, um Daten an den Server (10-12) zum Erzeugen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501) zu senden, wobei die an den Server (10-12) gesendeten Daten Daten sind, die von der Maschine (121-125, 500), mit der die Vorrichtung (20-27) verbindbar ist (1501), erwerbbbar sind und/oder eine Lösung für die erste Abfrage (1500) sind.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen konfiguriert ist, um eine Datenerfassung von der Maschine (121-125, 500), mit der die Vorrichtung verbindbar ist, durchzuführen, synchronisiert mit der Datenerfassung, die von anderen Vorrichtungen der mindestens einen Vorrichtung durchgeführt wird, von der Maschine (121-125, 500), mit der jede der anderen Vorrichtungen verbindbar ist.
  10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Netzwerkvorrichtung (200) zum Übertragen von Daten innerhalb des Netzwerks (100-102) zu einer Computervorrichtung außerhalb des Netzwerks (100-102), wobei die Computervorrichtung vorzugsweise konfiguriert ist, um Fog- oder Cloud-Computing durchzuführen.
  11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Server (12) umfasst: einen Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Befehlssatzarchitektur auszuführen, die sich von einer zweiten Befehlssatzarchitektur unterscheidet, die von dem zweiten Prozessor (62) jeder Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen ausgeführt wird; und eine Netzwerkschnittstelle (19), die mit einer Vorrichtung (27) aus der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) verbindbar ist, wobei die Netzwerkschnittstelle (19) konfiguriert ist, um Anweisungen von der ersten Befehlssatzarchitektur in die zweite Befehlssatzarchitektur und umgekehrt zu konvertieren.
  12. Vorrichtung (20-27) zum Überwachen des Betriebs von mindestens einer Maschine (121-125, 500) einer Industrieanlage oder zum Überwachen des Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine (121-125, 500) basierend auf einer solchen Überwachung, wobei die Vorrichtung (20-27) umfasst: einen ersten Prozessor (61), der konfiguriert ist, um in Echtzeit mit Daten, die von der mindestens einen Maschine (121-125, 500), mit der die Vorrichtung (20-27) verbindbar ist, erworben werden können, eine erste Verarbeitungsaufgabe (1501) zu berechnen, um eine erste Abfrage (1500) zu lösen, die sich auf den Betrieb einer Maschine oder einer Komponente davon, mit der eine Vorrichtung verbindbar ist, bezieht; und einen zweiten Prozessor (62), der konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit einem Computercluster-Netzwerk (100-102) zu teilen, mit dem die Vorrichtung (20-27) verbindbar ist, und um, wenn von einer Vorrichtung des Netzwerks (100-102) zugewiesen, mindestens einen Thread (1510a-1510n) einer zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501) zu berechnen, um eine zweite Abfrage (1500) zu lösen, die sich auf den Betrieb mindestens einer Maschine oder einer Komponente davon, mit der mindestens eine Vorrichtung verbindbar ist, bezieht.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der zweite Prozessor (62) ferner konfiguriert ist, um Daten an den Server (10-12) zum Erzeugen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501) zu senden, wobei die an den Server (10-12) gesendeten Daten Daten sind, die von der Maschine (121-125, 500), mit der die Vorrichtung (20-27) verbindbar ist (1501) erwerbbar sind, und/oder eine Lösung für die erste Abfrage (1500) ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-13, wobei der erste Prozessor (61) und/oder der zweite Prozessor (62) einen Multiprozessorsystem-on-Chip umfassen.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14, wobei der zweite Prozessor (62) ferner konfiguriert ist, um lokal eine dritte Verarbeitungsaufgabe (1501) zum Lösen einer Abfrage (1500) zu berechnen.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-15, wobei die erste Verarbeitungsaufgabe (1501) umfasst: Vorverarbeiten der Daten, um einen Datensatz zu bilden, und Auswählen einer Teilmenge von Daten aus dem Datensatz zum Lösen der ersten Abfrage (1500); oder Vorverarbeiten der Daten zu einem Datensatz zur Lösung der ersten Abfrage (1500).
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-16, wobei der erste Prozessor (61) ferner konfiguriert ist, um nach dem Lösen der ersten Abfrage (1500) einen Befehl abzuleiten und den Befehl an den zweiten Prozessor (62) einer gleichen Vorrichtung oder der an die Vorrichtung (20-27) anschließbaren Maschine (121-125, 500) zu übertragen.
  18. Eine Industrieanlage, umfassend: eine Vielzahl von Maschinen (121-125, 500); und ein Netzwerk (100-102) zum Überwachen des Betriebs von mindestens einer Maschine (121-125, 500) aus der Vielzahl von Maschinen oder zum Überwachen eines solchen Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine (121-125, 500) basierend auf einer solchen Überwachung, wobei das Netzwerk (100-102) einen Server (10-12) und eine Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) umfasst, die einen Computercluster bilden; wobei mindestens einige Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) mit einer Maschine (121-125, 500) der Vielzahl von Maschinen zum Empfangen von Sensordaten von der Maschine verbindbar sind, wobei jede Vorrichtung (20-27) der mindestens einen Vorrichtungen umfasst: einen ersten Prozessor (61), der konfiguriert ist, um in Echtzeit mit Daten, die von der Maschine (121-125, 500), mit der die Vorrichtung (20-27) verbindbar ist, erfasst werden können, eine erste Verarbeitungsaufgabe (1501) zu berechnen, um eine ersten Abfrage (1500) zu lösen, die sich auf den Betrieb einer Maschine oder einer Komponente davon, mit der eine Vorrichtung verbindbar ist, bezieht; und einen zweiten Prozessor (62), der konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Netzwerk (100-102) zu teilen und, wenn vom Server (10-12) zugewiesen, mindestens einen Thread (1510a-1510n) eines zweiten Verarbeitungsauftrags (1501) zu berechnen, um eine zweite Abfrage (1500) zu lösen, die sich auf den Betrieb mindestens einer Maschine oder einer Komponente davon, mit der mindestens eine Vorrichtung verbindbar ist, bezieht; wobei der Server (10-12) konfiguriert ist zum: Steuern des Computer-Clusters; Aufteilen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501) in eine Vielzahl von Threads (1510a-1510n); und Zuordnen eines oder mehrerer Threads (1510a-1510n) der Vielzahl von Threads zum zweiten Prozessor (61) von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27).
  19. Industrieanlage nach Anspruch 18, wobei die mindestens einigen Vorrichtungen jede Vorrichtung (20-27) aus der Vielzahl der Vorrichtungen (20-27) umfassen.
  20. Industrieanlage nach einem der Ansprüche 18 und 19, wobei der Server (10-12) ferner konfiguriert ist zum: Empfangen von Ausgaben des einen oder der mehreren Threads (1510a-1510n) von den mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27); Verarbeiten der Ausgänge zum Berechnen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501); und Bereitstellen einer Lösung für die zweite Abfrage (1500).
  21. Verfahren zum Überwachen des Betriebs mindestens einer Maschine (121-125, 500) einer Industrieanlage oder zum Überwachen eines solchen Betriebs und zum Betätigen der mindestens einen Maschine (121-125, 500) basierend auf einer solchen Überwachung mittels eines Netzwerks (100-102), das einen Server (10-12) und eine Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) umfasst, die einen Rechencluster bilden, wobei mindestens einige Vorrichtungen aus der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) mit einer Maschine (121-125, 500) der Industrieanlage verbindbar sind, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen, an jeder Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen, von Sensordaten von der Maschine, an die die Vorrichtung anschließbar ist,; Berechnen einer ersten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer ersten Abfrage (1500) mit den erfassten Daten in Echtzeit bei einem ersten Prozessor jeder Vorrichtung (20-27) der mindestens einigen Vorrichtungen; Empfangen, an jeder Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen, von mindestens einem Threads einer zweiten Verarbeitungsaufgabe zum Lösen einer zweiten Abfrage, wenn vom Server zugewiesen; Berechnen, an einem zweiten Prozessor jeder Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen, des mindestens einen empfangenen Threads, wobei der zweite Prozessor konfiguriert ist, um seine Verarbeitungsleistung mit dem Netzwerk zu teilen; beim Server (10-12), Steuern des Rechenclusters, Aufteilen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501) in eine Vielzahl von Threads (1510a-151 0n) und Zuweisen eines oder mehrerer Threads (1510a-1510n) der Vielzahl von Threads an den zweiten Prozessor (62) von mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, worin die mindestens einigen Vorrichtungen jede Vorrichtung (20-27) aus der Vielzahl der Vorrichtungen (20-27) umfassen.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-22, wobei das Berechnen der ersten Verarbeitungsaufgabe (1501) umfasst: Vorverarbeiten der Daten zum Bilden eines Datensatzes und Auswählen einer Teilmenge von Daten aus dem Datensatz zum Lösen der ersten Abfrage (1500); oder Vorverarbeiten der Daten zum Bilden eines Datensatzes zum Lösen der ersten Abfrage (1500).
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-23, ferner umfassend, dass beim ersten Prozessor (61) ein Befehl nach dem Lösen der ersten Abfrage (1500) abgeleitet wird und der Befehl an den zweiten Prozessor (62) einer gleichen Vorrichtung oder der mit der Vorrichtung (20-27) verbindbaren Maschine (121-125, 500) übertragen wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-24, ferner umfassend, an dem zweiten Prozessor (62), das lokale Berechnen einer dritten Verarbeitungsaufgabe (1501) zum Lösen einer Abfrage (1500).
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Berechnen der dritten Verarbeitungsaufgabe (1501) das Verarbeiten von Daten umfasst, die vom Server (10-12) oder einer Vorrichtung aus der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27) erhältlich sind, um einen Datensatz zum Lösen der Abfrage (1500) zu bilden.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-26, ferner umfassend, am Server (10-12): Empfangen von Ausgaben des einen oder der mehreren Threads (1510a-1510n) von den mindestens einigen Vorrichtungen der Vielzahl von Vorrichtungen (20-27); Verarbeiten der Ausgaben zum Berechnen der zweiten Verarbeitungsaufgabe (1501); und Bereitstellen einer Lösung für die zweite Abfrage (1500).
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-27, wobei jede Vorrichtung der mindestens einigen Vorrichtungen eine Datenerfassung von der Maschine (121-125, 500) durchführt, mit der die Vorrichtung verbindbar ist, synchronisiert mit der Datenerfassung, die von anderen Vorrichtungen der mindestens einigen Vorrichtungen durchgeführt wird, von der Maschine (121-125, 500), mit der jede der anderen Vorrichtungen verbindbar ist.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-28, ferner umfassend, mittels einer Netzwerkvorrichtung (200), das Übertragen von Daten innerhalb des Netzwerks (100-102) zu einer Computervorrichtung außerhalb des Netzwerks (100-102).
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