DE19936773B4

DE19936773B4 - Verfahren und Anordnung zur Steuerung komplexer Prozesse

Info

Publication number: DE19936773B4
Application number: DE19936773A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof. Dr.-Ing.habil. Krug
Original assignee: Individual
Current assignee: KRUG, WILFRIED, PROF. DR.-ING. HABIL., 01259 DRESD
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: DE19936773A1

Abstract

Verfahren und Anordnung dienen der Steuerung komplexer Prozesse, insbesondere zur Steuerung vernetzter NC-Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Beschickungs- bzw. Bedieneinrichtungen oder zur Steuerung von Maschinen und Einrichtungen in vergleichbaren komplexen technischen, technologischen oder informationsverarbeitenden Prozessen. DOLLAR A Auf der Grundlage der realen Zuverlässigkeitsstruktur des betrachteten Bereiches werden die für die Zuverlässigkeit und/oder Verfügbarkeit eines Prozesses relevanten Systemparameter, wie Durchlaufzeit, Auslastung des einzelnen Elementes der Zuverlässigkeitsstruktur, Auslastung des betrachteten Bereiches, Kosten des einzelnen Elementes der Zuverlässigkeitsstruktur und Gesamtkosten des betrachteten Bereiches bestimmt, nachfolgend die Systemzuverlässigkeit und/oder Verfügbarkeit in Abhängigkeit von der Zielfunktion minimale Durchlaufzeit des Auftrages durch den betrachteten Abschnitt ermittelt und in einem weiteren Schritt die Systemzuverlässigkeit und/oder Verfügbarkeit des betrachteten Abschnittes in Abhängigkeit von der Auslastung des einzelnen Elementes der Zuverlässigkeitsstruktur bestimmt. DOLLAR A Bei einer Störung wird entsprechend der geänderten Zuverlässigkeitsstruktur des betrachteten Abschnittes aus der maschinenlesbaren Datenbank eine zugehörige und als optimal ermittelte Reihenfolge der Ansteuerung und Belegung der Elemente des betrachteten Abschnittes festgelegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung komplexer Bereiche, insbesondere zur Steuerung vernetzter NC-Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Beschickungs- bzw. Bedieneinrichtungen oder zur Steuerung von Maschinen und Einrichtungen in vergleichbaren komplexen technischen, technologischen oder informationsverarbeitenden Bereichen.
Bei der Steuerung von NC-Werkzeugmaschinen, beispielsweise in der spanenden Fertigung, werden NC-Maschinen entweder zentral von einem Leitrechner (DNC-Betrieb) oder dezentral (CNC-Betrieb) gesteuert. Im CNC-Betrieb verfügt jede Werkzeugmaschine über einen eigenen Prozessrechner, der in Abhängigkeit von den jeweiligen Bearbeitungsbedingungen für eine optimale Betriebsweise der CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine sorgt. So werden die technologisch bedingten Schnittparameter (Drehzahl, Vorschub, Schnittiefe) in Abhängigkeit von der Geometrie des zu bearbeitenden Werkstückes, vom Werkstoff, vom Schneidwerkstoff etc. verändert. Ziel ist eine Minimierung der Bearbeitungszeit jedes Werkstückes an der betreffenden Werkzeugmaschine.
Durch die Zuordnung eines Prozessrechners zu jeder Werkzeugmaschine kann im CNC-Betrieb bei stochastisch auftretenden Änderungen der Bearbeitungsbedingungen (Bruch eines Werkzeuges, Inhomogenitäten in der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche) eine intraindividuelle Änderung der Prozessparameter (Drehzahl, Vorschub, Schnitttiefe, Anzahl der Schnitte, Anstell- bzw. Einstellwinkel eines redundanten Werkzeuges) vorgenommen werden. Durch die autonome Steuerung der einzelnen Werkzeugmaschine im CNC-Modus ist das jeweilige Bearbeitungssystem vergleichsweise unanfällig gegenüber systeminternen Störungen.
Ein Nachteil der Steuerung mehrerer autonomer Werkzeugmaschinen im CNC-Betrieb besteht darin, dass eine Rückkoppelung verfahrensrelevanter Informationen zwischen den einzelnen Bearbeitungszentren nicht gegeben ist.
So würde bei einer losweisen Bearbeitung gleicher Werkstücke aus gleichem Werkstoff und einem plötzlich auftretenden Gewaltbruch eines Werkzeuges, der auf strukturelle Inhomogenitäten in der Oberfläche der zu bearbeitenden Werkstücke zurückzuführen ist, keine Rückmeldung an die anderen Werkzeugmaschinen innerhalb des Systems erfolgen, so dass die anderen Werkzeugmaschinen nicht über die wahrscheinlich zu erwartenden Schwankungen der Werkstoffeigenschaften der nachfolgend zu bearbeitenden Werkstücke „vorinformiert" (gewarnt) werden.
Ebenfalls ist eine Optimierung der Reihenfolge der Bearbeitung von Werkstücken in einem Bearbeitungssystem, das aus mehreren NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen besteht, im CNC-Modus nicht möglich. So kann keine Optimierung zwischen der Auslastung der Werkzeugmaschinen auf der einen Seite und der technologisch und betriebswirtschaftlich vorteilhaften Minimierung der Durchlaufzeit aller zu bearbeitenden Werkstücke durch das Bearbeitungssystem vorgenommen werden.
Um die Steuerung mehrerer Werkzeugmaschinen nach den vorgenannten Kriterien realisieren zu können, werden NC-gesteuerte Werkzeugmaschinen in bekannter Weise im DNC-Modus angesteuert. Dabei übernimmt ein leistungsfähiger Zentralrechner die Optimierung der technologischen Prozessparameter an den einzelnen Werkzeugmaschinen (Auswahl der Drehzahl, der Schnitttiefe, des Schnittregimes, des Vorschubs, etc.) und zugleich die Festlegung der Reihenfolge, in der ein komplexes Werkstück mehrere Werkzeugmaschinen zu durchlaufen hat.
Nachteilig daran ist die vergleichsweise hohe Störanfälligkeit bzw. geringe Verfügbarkeit eines im DNC-Modus arbeitenden Bearbeitungssystems, da bei Ausfall oder Überlastung des Leitrechners der gesamte technologische Bereich unterbrochen wird. Ebenso kann es zu Störungen des Gesamtsystems kommen, wenn es innerhalb des betrachteten technischen, technologischen und informationellen Systems zu mehreren, quasi zeitsynchron eintretenden stochastischen Änderungen oder Ausfällen kommt (Werkzeugbruch, Ausfall des Kühlmittelsystems an einer Werkzeugmaschine, Unwucht an einer Arbeitsspindel aufgrund von Lunkern in der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstückes).
Beim Zusammentreffen mehrerer, stochastisch auftretender Störungen kann durch den zentralen Prozessleitrechner nicht mehr die Stabilität und Zuverlässigkeit des gesamten Fertigungssystems gesichert werden.
Eine Alternative bestünde im Einsatz von Großrechnern, die eine prozessnahe Online-Steuerung aller Werkzeugmaschinen einschließlich der Verkettungseinrichtungen des komplexen Fertigungssystems ermöglichen. Nachteilig daran sind die unverhältnismäßig hohen Hard- und Softwarekosten für die Implementation und die Unterhaltung eines derartigen Großrechnersystems. Zudem stellt ein monolithischer Großrechner ein erhöhtes Ausfallrisiko dar, da bei einem Ausfall des zentralen Leitrechners der gesamte Fertigungsablauf im betrachteten System zum Erliegen kommt.

Aus der DE 41 27 990 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb wenigstens eines Bereichs einer Spinnerei unter Anwendung eines dem Bereich zugeordneten Prozessleitrechners einer Prozessleitebene bekannt. Dabei werden dem Prozessleitrechner zur Durchführung eines Optimierungsprogramms Ziele, Bedingungen und Präferenzen sowie der Zustand des Systems bzw. Teile des Zustandes vorgegeben. Aufgrund eines vorgebbaren Unternehmenszieles werden sodann Optimierungsläufe anhand von Simulationen mit dem Anlagenmodell durchgeführt. Im Ergebnis wird durch den Prozessrechner aus einer alternativen Lösungsmenge eine als optimal erkannte Lösung ausgewählt und diese sofort realisiert. Nachteilig daran ist, dass bei kurzfristigen stochastischen Änderungen des Prozesses ein neuerlicher, zeitaufwendiger Simulationsprozess durchgeführt werden müsste. Beim Auftreten mehrerer stochastischer Ereignisse würde das zu einem längerfristigen Ausfall des betrachteten Gesamtsystems führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Steuerung komplexer Bereiche vorzuschlagen, die einen zeitnahen Störungsausgleich innerhalb eines Bereiches ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Hauptanspruches und durch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorzugsweise Weiterbildungen des Verfahrens sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargelegt.

Erfindungsgemäß werden in der Phase der technologischen Fertigungsvorbereitung reale Fertigungs-, Montage- und/oder Transport- bzw. Lagerprozesse auf Mikrorechnersystemen (Datenverarbeitungseinrichtungen) modelliert. Auf der Grundlage der numerischen Fertigungsstrukturen werden in mehreren Simulationsdurchläufen die für die Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit eines Fertigungsprozesses (eines betrachteten Fertigungsbereiches) relevanten Systemparameter Durchlaufzeit (DLZ), Auslastungsgrad der einzelnen Werkzeugmaschine χ_WZM, die Auslastung des gesamten (betrachteten) Fertigungsbereiches, die Maschinenkosten der einzelnen Werkzeugmaschinen K_WZM sowie die Gesamtkosten des betrachteten Fertigungsbereiches bestimmt.
Nachfolgend wird die Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit in Abhängigkeit von der angestrebten minimalen Durchlaufzeit des Fertigungsauftrages durch den gesamten (betrachteten) Fertigungsbereich ermittelt. In einem zweiten technologischen Schritt wird die Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit des betrachteten Fertigungsbereiches in Abhängigkeit von der Auslastung der einzelnen Werkzeugmaschinen bestimmt, die sich aus der Verteilung der einzelnen Fertigungsaufträge auf die im Gesamtsystem vorhandenen Werkzeugmaschinen ergibt.
In einem dritten technologischen Teilschritt wird die Bestimmung der Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit in Abhängigkeit von den Fertigungskosten, die aus der Maschinenbelegung, der Zahl der Transportoperationen, der Anzahl technologisch notwendiger Zwischenlagerungen, etc. resultieren, vorgenommen.
Zu den einzelnen, sich teilweise diametral verhaltenden Zielkriterien (technologische Auswahlkriterien) des Fertigungsprozesses (Minimierung der Durchlaufzeit ⇔ hohe Auslastung der Werkzeugmaschinensysteme) ermittelt der Prozessrechner in der Phase der technologischen Fertigungsvorbereitung durch mehrere Prozessläufe adaptiv ein Optimum für das Verhältnis von Systemverfügbarkeit und -zuverlässigkeit auf der einen und den technologischen Auswahlkriterien Durchlaufzeit und/oder Auslastung der Werkzeugmaschinen und/oder Fertigungskosten und/oder Umlaufinittelbindung, etc. auf der anderen Seite.
Für jedes Zielkriterium (z. B. Hohe Systemverfügbarkeit und -zuverlässigkeit in Abhängigkeit von einer maximalen Auslastung der Werkzeugmaschinen) wird eine Rangfolge der Maschinenbelegung bestimmt, die sich aus der jeweiligen Fertigungsaufgabe (Werkstück, Losgröße, Gesamtstückzahl, Fertigungszeitraum) und der Anzahl sowie der Struktur der vorhandenen Werkzeugmaschinen ergibt.
Diese, in der Phase der technologischen Fertigungsvorbereitung ermittelten, zuverlässigkeitsrelevanten Ergebnisse werden in einer externen maschinenlesbaren Datenbank abgelegt.
Nachdem für alle, die Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit maßgeblichen technischen und technologischen Einflussgrößen eine Rangfolge der Maschinenbelegung und der Auftragssteuerung ermittelt wurde und die zugehörigen Ergebnisse externen Speichereinheiten zugeordnet wurden, wird ein Prozessleitrechner für den DNC-Betrieb vorbereitet. Der Prozessleitrechner weist eine Datenverarbeitungssoftware auf, die über Schnittstellen für die Ansteuerung der einzelnen Elemente (Werkzeugmaschinen, Prüfeinrichtungen, Verkettungseinrichtungen, Lagereinrichtungen, etc.) des Systems (Bereichs) verfügt. Der Prozessleitrechner steht dadurch mit allen die Systemzuverlässigkeit des Fertigungsbereiches beeinflussenden Elementen in Wirkverbindung.
Wird von einem, die technische Zuverlässigkeit und -verfügbarkeit des Gesamtsystems beeinflussenden Element eine Störung (z. B. Defekt des Servomotors eines Manipulators) gemeldet, so überprüft der Prozessleitrechner zunächst, ob der Ausfall dieses Elementes des Fertigungsprozesses durch redundante technische Mittel innerhalb des betrachteten Mikrosystems der jeweiligen Bearbeitungszelle (z. B. durch Einsatz eines räumlich benachbarten Manipulators, der mehrere Werkzeugmaschinen bedient) kompensiert werden kann.
Stehen keine direkt einsetzbaren redundanten Fertigungselemente zur Verfügung, so sucht der Prozessleitrechner aus der maschinenlesbaren Datenbank die Ergebnisse der in der Phase der technologischen Fertigungsprozessvorbereitung gewonnenen Optimierungsstrategien und wählt anhand der technologisch vorgegebenen Fertigungsaufgabe die Steuerungsprogramme aus den Erfahrungsspeichern SE1, SE2 ... SEn, die in Abhängigkeit von der nunmehr geänderten Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsstruktur des Fertigungsbereiches eine minimale Durchlaufzeit und/oder eine maximale Auslastung einzelner Elemente des Fertigungsbereiches oder des Gesamtsystems ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Steuerung von NC-Werkzeugmaschinen, Industrierobotern, Beschickungsbzw. Bedieneinrichtungen oder zur Steuerung von Maschinen und Einrichtungen in komplexen technischen, technologischen oder informationsverarbeitenden Bereichen, wobei auf der Grundlage einer Zuverlässigkeitsstruktur eines realen Prozesses eines betrachteten Bereiches in mehreren Simulationsdurchläufen die für die Systemzuverlässigkeit und/oder -verfügbarkeit dieses Prozesses relevanten Systemparameter Durchlaufzeit (DLZ), Auslastung einer einzelnen Elementes des betrachteten Bereiches, Auslastung des gesamten betrachteten Bereiches, Kosten eines einzelnen Elementes des betrachteten Bereiches und Gesamtkosten des gesamten betrachteten Bereiches bestimmt werden, wobei nachfolgend das Zielkriterium Systemzuverlässigkeit und/oder -verfügbarkeit des betrachteten Bereiches in Abhängigkeit von dem technologischen Auswahlkriterium minimale Durchlaufzeit eines Auftrages durch den betrachteten Bereich bestimmt wird, wobei in einem weiteren Schritt das Zielkriterium Systemzuverlässigkeit und/oder – verfügbarkeit des betrachteten Bereiches in Abhängigkeit von dem technologischen Auswahlkriterium Auslastung bestimmt wird, wobei in einem weiteren Schritt das Zielkriterium Systemzuverlässigkeit und/oder – verfügbarkeit des betrachteten Bereiches in Abhängigkeit von dem technologischen Auswahlkriterium Kosten bestimmt wird, wobei in einem weiteren Schritt adaptiv ein Optimum zwischen diesen Zielkriterien bestimmt wird, wobei für jedes Zielkriterium eine Rangfolge der Ansteuerung und Belegung der einzelnen Elemente des betrachteten Bereiches bestimmt wird und diese ermittelten, zuverlässigkeitsrelevanten Daten in einer maschinenlesbaren Datenbank als Erfahrungsspeicher wiederverwendbar abgelegt werden, wobei über einen Prozessleitrechner, der mit allen die System-Zuverlässigkeit und/oder – verfügbarkeit des betrachteten Bereiches beeinflussenden Elementen in Wirkverbindung steht, permanent oder zyklisch die technische Zuverlässigkeit und/oder Verfügbarkeit der einzelnen Elemente des betrachteten Bereiches überprüft wird, wobei im Falle einer Störung über den Prozessleitrechner überprüft wird, ob der Ausfall eines Elementes des betrachteten Bereiches durch kapazitive Reserven redundanter technischer Elemente innerhalb des Bereiches kompensiert werden kann, wobei bei fehlenden kapazitiven Reserven über den Prozessleitrechner entsprechend der geänderten Zuverlässigkeitsstruktur des betrachteten Bereiches aus der maschinenlesbaren Datenbank eine alternative, als optimal ermittelte Reihenfolge der Ansteuerung und Belegung der Elemente des betrachteten Bereiches festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses zur Steuerung von NC-Werkzeugmaschinen, Industrierobotern und/oder Beschickungs- bzw. Bedieneinrichtungen in abgegrenzten Fertigungs- und/oder Montagebereichen der metallverarbeitenden Industrie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses zur Steuerung von informationsverarbeitenden Einrichtungen in der Datentechnik und der Informationsvermittlung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei dieses zur Steuerung von Datenverarbeitungseinrichtungen in komplexen Netzwerken, wie dem Intranet oder dem Internet, verwendet wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Anordnung eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, in der eine Zuverlässigkeitsstruktur eines realen Prozesses eines betrachteten technischen, technologischen oder informationsverarbeitenden Bereiches in maschinenlesbarer Form abgebildet ist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung Mittel zur Simulation des Zuverlässigkeitsverhaltens des Processes des betrachteten Bereiches aufweist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung Mittel zur Bestimmung des Zielkriterium Systemzuverlässigkeit und/oder -verfügbarkeit des betrachteten Bereiches in Abhängigkeit von dem technologischen Auswahlkriterium minimale Durchlaufzeit eines Auftrages durch den betrachteten Bereich aufweist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung Mittel zur Bestimmung des Zielkriteriums Systemzuverlässigkeit und/oder -verfügbarkeit des betrachteten Bereiches in Abhängigkeit von dem technologischen Auswahlkriterium Auslastung aufweist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung Mittel zur Bestimmung des Zielkriteriums Systemzuverlässigkeit und/oder -verfügbarkeit des betrachteten Bereiches in Abhängigkeit von dem technologischen Auswahlkriterium Kosten aufweist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung Mittel zur adaptiven Bestimmung eines Optimums zwischen diesen Zielkriterien aufweist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung Mittel zur Ansteuerung und Belegung der einzelnen Elemente des betrachteten Bereiches aufweist, wobei die Anordnung Mittel zur Speicherung dieser ermittelten, zuverlässigkeitsrelevanten Daten aufweist, wobei die Anordnung einen Prozessleitrechner aufweist, der mit allen die Systemzuverlässigkeit und/oder -verfügbarkeit des betrachteten Bereiches beeinflussenden Elementen in Wirkverbindung steht und der permanent oder zyklisch die technische Zuverlässigkeit und/oder Verfügbarkeit der einzelnen Elemente des betrachteten Bereiches bestimmt und mit Sollwerten vergleicht, wobei der Prozessleitrechner Mittel für den Zugriff auf die in der Anordnung gespeicherten maschinenlesbaren zuverlässigkeitsrelevanten Daten aufweist, wobei der Prozessleitrechner zur Störungskompensation Mittel zur Bestimmung einer alternativen, als optimal ermittelten Reihenfolge der Ansteuerung und Belegung der Elemente des betrachteten Bereiches aufweist.