ES2199773T3 - Sistema y procedimiento para el mando y observacion de un sistema de automatizacion. - Google Patents

Abstract

Sistema para el mando y observación de un proceso real (3) de una instalación real (11), especialmente de un sistema de automatización con un dispositivo de memoria (9) para la memorización de modelos virtuales de instalaciones (1) como reproducción de componentes reales de la instalación (7), con medios de visualización (2) para la visualización de los modelos virtuales de las instalaciones (1), especialmente como objetos 2D y/u objetos 3D y con medios de acoplamiento (10) para el acoplamiento de los modelos virtuales de las instalaciones (1) con datos de procesos (5) de los componentes reales de las instalaciones (7) a través de una segunda comunicación (5), configurada como canal de retorno de acoplamiento de procesos, como entrada para los medios de visualización (2) y para el acoplamiento de medios de interacción (4), que están contenidos en los modelos virtuales de las instalaciones (1, 8) y/o en los medios de visualización (2), a través de una primera comunicación (6), configurada como canal de ida de acoplamiento de procesos, como salida desde los medios de visualización (2).

Description

Sistema y procedimiento para el mando y observación de un sistema de automatización.

Sistema y procedimiento para el mando y observación de un sistema de automatización con visualización del proceso y control del proceso a través de modelos de instalaciones virtuales como reproducción de una instalación real.

La invención se refiere a un sistema para el mando y observación de un proceso real de una instalación real, especialmente de un sistema de automatización.

La invención se refiere, además, a un procedimiento para el mando y observación de un proceso real de una instalación real, especialmente de un sistema de automatización.

Un sistema de mando y observación de este tipo se emplea, por ejemplo, en el campo de la técnica de automatización y forma el llamado interfaz hombre-máquina (MMI) que se designa muchas veces también como HMI (Human Machine Interface).

En el documento WO 00/07079 no publicado anteriormente se describen un sistema y un procedimiento para la administración dinámica de datos de información como fuentes de información de un dispositivo virtual. El dispositivo virtual es la reproducción de un dispositivo real, por ejemplo de una instalación industrial. Se posibilita una visión de conjunto amplia sobre todo el dispositivo así como una inspección selectiva de componentes parciales del dispositivo porque los componentes parciales virtuales están incrustados, de acuerdo con las estructuras tecnológicas, como programas en una estructura marco conectada en red.

El documento WO 00/02162 no publicado anteriormente describe un procedimiento y un dispositivo para la creación de un modelo de instalación virtual como reproducción de una instalación real. Como base de datos para ello sirven, por una parte, datos de imágenes digitales, que representan reproducciones de una instalación real y, por otra parte, componentes de la instalación de una biblioteca de componentes. La reproducción virtual generada de la instalación real sirve para la documentación de la estructura real de la instalación así como para un análisis simplificado de las averías en un caso de avería. Adicionalmente, se muestra la utilización del modelo de instalación virtual para sistemas de mando y de observación.

Se conoce por el documento EP 0 782 100 A2 un dispositivo para la determinación de la dilatación espacial de un objeto, que se determina sobre la base de una pluralidad de imágenes desde diferentes direcciones espaciales y a partir de informaciones sobre la posición de la cámara utilizada. El modelo 3 D obtenido de esta manera se puede representar de forma bidimensional en una pantalla.

El documento EP 0 285 506 A2 describe un sistema para el control de procesos, que contiene un ordenador servidor y un ordenador cliente, que están acoplados a través de una red, por ejemplo Internet o una Intranet. El servidor está conectado adicionalmente a través de un módulo de interfaz con un proceso real. El cliente está realizado de tal forma que se posibilita un mando y observación del proceso por medio de comunicación a través de la red y el servidor.

La invención tiene el cometido de indicar un sistema y un procedimiento para el mando y observación que posibilita una representación y evaluación lo más real posible de estados de procesos y, por lo tanto, un mando a prueba de errores.

Este cometido se soluciona a través de un sistema así como un procedimiento con las características indicadas en las reivindicaciones 1 y 5.

La invención se basa en el reconocimiento de que se puede asegurar un mando lo más real posible y, por lo tanto, a prueba de errores, de un sistema de automatización porque se forma el Interfaz Hombre-Máquina a partir de modelos de instalaciones virtuales como reproducción de los componentes reales de la instalación.

Estos modelos virtuales de las instalaciones son visualizados por el usuario con la ayuda de los medios de visualización, por ejemplo de un dispositivo de representación, pudiendo realizarse una representación 2D y/o una representación 3D de los modelos virtuales de las instalaciones según los requerimientos del modelo respectivo de la instalación. La particularidad del procedimiento y del dispositivo según la invención consiste en que los componentes reales de las instalaciones, es decir, los procesos reales incluidos los datos actuales de los procesos son incorporados durante la visualización de los modelos virtuales de las instalaciones. Esto se realiza con la ayuda de los medios de acoplamiento para el acoplamiento de los modelos virtuales de las instalaciones con los datos de los procesos de los componentes de las instalaciones reales. Además, en el dispositivo de representación están previstas, por ejemplo, determinadas regiones de la pantalla como medios de interacción, a través de los cuales se posibilita un mando del proceso real. De esta manera, en general, se consigue un sistema para una visualización de procesos utilizando modelos de Realidad Virtual (= Modelos VR). En este caso, de acuerdo con criterios predeterminables, se representan continuamente los estados del proceso real, en el que éstos son reproducidos sobre un modelo animado, virtual, similar a una reproducción de las instalaciones. Adicionalmente, se posibilita al usuario modificar valores del proceso a través de la interacción con el modelo virtual de la instalación. Por ejemplo, en el documento DE 198 32 974.1 está contenida una posibilidad para la creación de modelos virtuales de las instalaciones.

Se asegura una navegación del usuario lo más relacionada posible con la realidad porque el sistema presenta un dispositivo de control, que está previsto para la visualización actual de modelos virtuales de las instalaciones en función de una posición actual de una cámara virtual.

Además, se puede mejorar la visión de conjunto sobre instalaciones y procesos complejos porque el dispositivo de control presenta medios para el control de la visualización del proceso de tal forma que se visualizan más o menos informaciones del modelo virtual de la instalación en función de la distancia de un observador.

Se puede conseguir una observación del interior de componentes de instalaciones porque los modelos virtuales de las instalaciones están configurados de forma transparente y posibilitan la visión sobre partes componentes que están cubiertas en el componente real de la instalación, donde para asegurar una relación espacial se puede representar todavía la envoltura del moldeo de la instalación transparente.

A continuación se describe y explica en detalle la invención con la ayuda de los ejemplos de realización representados en las figuras.

En este caso:

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de realización de un sistema de mando y observación con visualización de procesos.

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de realización de un sistema de mando y observación con visualización de procesos. El sistema de mando y observación está constituido esencialmente por un dispositivo de procesamiento de datos. El dispositivo de procesamiento de datos contiene, entre otras cosas, un dispositivo de memoria 9 para la memorización de modelos virtuales de instalaciones 1 así como medios de visualización 2 para la visualización de los modelos virtuales de las instalaciones 1. Además de la representación de los modelos virtuales de las instalaciones 1 están previstos también medios de interacción 4, 14 en el dispositivo de representación 2. Los medios de interacción 4 están constituidos por regiones individuales de la pantalla 4a, 4b, 4c, a las que están asignadas funciones determinadas con respecto al componente visualizado de la instalación. Los campos de interacción 14a, 14b sirven para la modificación de una posición virtual de la cámara, con cuya ayuda se pueden modificar las partes visualizadas de la instalación en la región central de la pantalla de los medios de visualización 2. Además, también en la región del modelo virtual de la instalación 8 propiamente dicho están previstos también otros campos de interacción 13a, 13b. Pinchando estas regiones 13a, 13b, por ejemplo por medio de un "ratón", se pueden abrir o cerrar las válvulas correspondientes de las tuberías virtuales que están montadas en el depósito virtual. Las partes de procesamiento de las señales de los medios de visualización 2 están acopladas a través de un dispositivo de acoplamiento 10 con un proceso real 3, que está constituido por procesos parciales 3a.. 3d, de un sistema de automatización 11. A tal fin, sirve una primera comunicación 6 (= canal de ida de acoplamiento de procesos) como salida de los medios de visualización, mientras que una segunda comunicación 5 (= canal de retorno de acoplamiento de procesos) está configurada como entrada para los medios de visualización 2.

La particularidad del sistema representado en la figura 1 consiste en que los modelos virtuales de las instalaciones 8 están enriquecidos con señales de procesos reales. Esto se realiza con la ayuda del dispositivo de acoplamiento 10 y de las comunicaciones 5, 6. A través del enriquecimiento con datos de procesos y señales de procesos se posibilita reflejar de nuevo de una manera dinámica el estado actual de un proceso real 3 en un modelo virtual e la instalación en forma de los medios de visualización y de la visualización del proceso unida con ello y modificar de una manera interactiva valores del proceso a través del modelo virtual de la instalación 8. Esto se puede realizar, por ejemplo, con la ayuda de los medios de interacción 4a, 4b, 4c. Así, por ejemplo, con la ayuda de los medios de interacción 4a se puede iniciar un proceso real o se puede detener con la ayuda de los medios de interacción 4b, mientras que con la ayuda de los terceros medios de interacción 4c se puede iniciar un llenado del depósito virtual 8 y del depósito real 7. El nivel de llenado actual del depósito 8 que resulta entonces en cada caso se puede ilustrar, por ejemplo, con la ayuda de una flecha en la región del modelo virtual del depósito. Además, el estado de los procesos o bien de un componente virtual se puede realizar de diferente forma, por ejemplo a través de cambios de color, modificaciones de la posición etc.

El sistema representado en la figura 1 posibilita de esta manera una navegación en modelos de realidad virtual provistos con señales, que reproducen el estado actual de un proceso real 3 a observar. En este caso, la visualización actual de un modelo virtual de la instalación 8 puede depender de la posición actual de una cámara virtual. En este caso, en la visualización del proceso, solamente es visible para el usuario, respectivamente, la sección actual de la cámara, pudiendo realizarse un control de las posiciones de la cámara, por ejemplo, con la ayuda de los medios de interacción 14a, 14b. En este contexto se entiende por navegación una modificación dinámica e interactiva de la posición de la cámara a través del usuario. De esta manera, el usuario puede determinar la visión relevante actualmente para él sobre el proceso 3 propiamente dicho. Por ejemplo, puede navegar desde una visión general amplia hacia una parte de la instalación defectuosa, sin perder la orientación espacial (= desplazamiento de la cámara). Esta ventaja se puede mejorar a través del empleo de técnicas de realidad virtual como "Nivel de Detalles", transparencia y diferentes representaciones abstractas. La técnica "Nivel de detalles" posibilita en este caso, en función de la distancia del observador, visualizar más o menos informaciones sobre un componente de la instalación en el modelo virtual de las instalaciones 8. Con la ayuda de la técnica de "Transparencia" se posibilita contemplar, por ejemplo, en el interior de un componente de la instalación o bien a través de componentes de la instalación que están cubiertos, sin que se pierda el contacto espacial. Así, por ejemplo, puede permanecer todavía débilmente visible la envoltura que sirve para la orientación.

La visualización de los modelos virtuales de las instalaciones se lleva a cabo en perspectiva en el ejemplo de realización representado en la figura 1, es decir, en un modo de representación que puede ser interpretado muy bien por el hombre en virtud de su naturalidad. De esta manera es posible representar también instalaciones de grandes dimensiones de una manera compacta en la pantalla, sin que se pierda la visión de conjunto. Para la representación de los modelos virtuales de las instalaciones 1, 8 es especialmente adecuada una combinación de representaciones 2D y 3D. Una representación 3D posibilita una representación de conjunto de una instalación, en cambio en una representación 2D se pueden representar valores de procesos y elementos de mando muy compactos, independientemente de la visión actual sobre un componente de la instalación. Estas dos propiedades se combinan con la ayuda de los medios de visualización de procesos 2, en los que en una imagen de visualización de las instalaciones se pueden combinar elementos 2D con visiones VR (realidad virtual) para obtener un modelo de realidad virtual. La selección de un componente a observar o bien a mandar lleva a cabo entonces, por ejemplo, en el modelo de realidad virtual, la representación o bien la modificación de los valores de procesos correspondientes, por ejemplo con la ayuda de elementos 2D.

A través de la representación próxima a la realidad del estado del proceso en virtud de los modelos virtuales de las instalaciones 8, se puede incorporar al mismo tiempo la experiencia de un usuario, por ejemplo sobre estados críticos, durante el manejo y observación y se pueden reconocer, por ejemplo, errores por intuición de una manera oportuna. Así, por ejemplo, se puede reconocer la distribución irregular de contenedores en un almacén en bloques o en un almacén de estanterías altas y se pueden sacar consecuencias sobre una distribución alterada. En virtud de la representación próxima a la realidad, se puede llevar a cabo una reacción a través del usuario de la manera habitual como si estuviera "en el lugar". Esto conduce a un mando intuitivo y, por lo tanto, a prueba de errores de la instalación 3. Se suprime la etapa de conversión de la representación real a una representación abstracta. La disposición espacial de los medios de visualización 2, es decir, del sistema de mando y de observación, es en este caso totalmente independiente de la instalación real. Así, por ejemplo, el acoplamiento entre medios de visualización 2 y la instalación real 11, es decir, el canal de ida y el canal de retorno 5, 6, se pueden realizar como comunicación por Ethernet, Intranet o Internet. De esta manera, independientemente de la localización real de la instalación real 7, 11 se puede llevar a cabo un mando próximo a la realidad.

A continuación se describen y explican las responsabilidades esenciales de los medios de visualización de procesos 2: los medios de visualización 2 son responsables de la inscripción de un modelo virtual de la instalación 1, 8, para la asociación de valores actuales del proceso a señales de entrada y de salida del modelo virtual de la instalación 8 y a los medios de interacción 4, 14, de la alimentación de las señales de entrada del modelo virtual de la instalación 8 con los valores reales de los procesos o bien de los medios de interacción 4, 14, 14 con el proceso real 3, de la visualización del estado actual del proceso sobre la base del modelo virtual de la instalación 8 y de elementos 2D adicionales 4, 14 por ejemplo en forma de texto y/o de gráficos así como de la formación de imágenes para la visualización del proceso 2, que constan de elementos 2D y vistas 3D, es decir, vistas de representación.

Por lo tanto, los medios de visualización de procesos forman un sistema, que se compone de componentes hardware y de componentes software. Los componentes hardware están constituidos por componentes habituales, como existen habitualmente en el sistema de ordenador, especialmente una llamada CPU (Unidad de Procesador Central), memorias primarias, memorias secundarias, como por ejemplo disco duro, medios de entrada, como por ejemplo teclado, aparatos indicadores (por ejemplo, ratón, ratón 3D), dispositivos de salida como por ejemplo tarjeta gráfica, pantalla, proyector de vídeo, proyectores 3D, etc. así como medios de comunicación, como por ejemplo una tarjeta de la red para Ethernet. La utilización del hardware y la coordinación de los módulos de software son apoyadas en este caso a través de un sistema operativo.

Los medios de visualización de procesos se componen, además, de los siguientes componentes: una llamada importación de realidad virtual, que se
ocupa de la inscripción de un modelo de realidad virtual, por ejemplo en el formato VRML y de una conversión a la representación interna de la visualización de los componentes. El componente de visualización está en condiciones de visualizar imágenes que están constituidas por elementos 2D y vistas 3D y de actualizar las imágenes en virtud de los resultados o bien de modificaciones de valores del proceso real 3, de detectar entradas por ejemplo a través de los medios de interacción 4, 13, 14 y de transmitirlas a los elementos 2D o a las vistas 3D. Por acontecimiento se entiende en este caso un valor, que se puede enviar a través del sistema operativo, por ejemplo a través de un clic con el ratón o el acoplamiento del proceso a componentes con un interfaz de acontecimientos.

Por elementos 2D se designan elementos típicos de un gráfico de ordenador, como líneas, curvas, rectángulos, textos, etc., donde los elementos 2D pueden estar constituidos también por un agrupamiento de otros elementos 2D. Los elementos 2D y las vistas 3D del sistema de mando y de observación representado en la figura 1 poseen un interfaz, a través del cual se pueden enviar o recibir acontecimientos. Los acontecimientos entrantes pueden conducir en este caso a una modificación del estado interno de un elemento 2D o bien de una vista 3D, es decir, por ejemplo a una modificación de su representación como cambio de color, modificación de la posición, modificación del tamaño. Con la ayuda de las vistas 3D o 3D-Views se lleva a cabo una visualización de los modelos virtuales de la instalación 1, 8. Con la ayuda del mantenimiento de datos se memorizan todas las informaciones de imágenes, la estructura de las imágenes, el interdireccionamiento de los elementos 2D y de las vistas 3D con valores de procesos o entre elementos 2D y vistas 3D, la lista de los valores de procesos que están disponibles y las informaciones de comunicación, que son necesarias para un intercambio de los valores de procesos con el proceso real.

En resumen, por lo tanto, la invención se refiere a un sistema y a un procedimiento para el mando y observación de un sistema de automatización, en los que se pueden visualizar procesos del sistema de automatización a través de modelos virtuales de las instalaciones 1 como componentes reales de la instalación 7 por medio de un dispositivo de representación 2 y en los que sobre el dispositivo de representación 2 están previstas regiones de entrada de la pantalla 4a, 4b, 4c, 13a, 13b, 14a, 14b para el mando y observación interactivos de componentes de las instalaciones 8 visualizados. El procedimiento posibilita una navegación en modelos virtuales de instalaciones 8, que reproducen exactamente los estados reales y los estados actuales respectivos. A través de una combinación de visualización 2D y 3D se pueden seleccionar, para diferentes casos de aplicación, las formas de realización más favorables en cada caso. En total, resulta una representación relacionada con la realidad, que posibilita un manejo y observación intuitivos también de procesos complejos.

Claims (8)

1. Sistema para el mando y observación de un proceso real (3) de una instalación real (11), especialmente de un sistema de automatización con un dispositivo de memoria (9) para la memorización de modelos virtuales de instalaciones (1) como reproducción de componentes reales de la instalación (7), con medios de visualización (2) para la visualización de los modelos virtuales de las instalaciones (1), especialmente como objetos 2D y/u objetos 3D y con medios de acoplamiento (10) para el acoplamiento de los modelos virtuales de las instalaciones (1) con datos de procesos (5) de los componentes reales de las instalaciones (7) a través de una segunda comunicación (5), configurada como canal de retorno de acoplamiento de procesos, como entrada para los medios de visualización (2) y para el acoplamiento de medios de interacción (4), que están contenidos en los modelos virtuales de las instalaciones (1, 8) y/o en los medios de visualización (2), a través de una primera comunicación (6), configurada como canal de ida de acoplamiento de procesos, como salida desde los medios de visualización (2).

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema presenta un dispositivo de control, que está previsto para la visualización actual de modelos virtuales de instalaciones (1, 8) en función de una posición actual de una cámara virtual (14a, 14b).

3. Sistema según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo de control presenta medios para el control de la visualización de procesos de tal forma que, en función de la distancia de un observador, se visualizan más o menos informaciones del modelo virtual de la instalación (1, 8).

4. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los modelos virtuales de las instalaciones (1, 8) están configurados transparentes y posibilitan la visión sobre partes de componentes que están cubiertas en el componente real de la instalación (7), donde para el aseguramiento de una relación espacial, se puede representar todavía la cubierta de modelo de instalación transparente.

5. Procedimiento para el mando y observación de un proceso real (3) de una instalación real (11), especialmente de un sistema de automatización, en el que en un dispositivo de memoria (9) se memorizan modelos virtuales de las instalaciones (1) como reproducción de componentes reales de las instalaciones (7), en el que a través de medios de visualización (2) se visualizan los modelos virtuales de las instalaciones (1) especialmente como objetos 2D y/u objetos 3D, en el que los modelos virtuales de las instalaciones (1) son memorizados con datos de procesos (5) de los componentes reales de las instalaciones (7) a través de una segunda comunicación (5), que está configurada como canal de retorno de acoplamiento de procesos, como entrada para los medios de visualización (2), y en el que la instalación real puede ser accionada a través de medios de interacción (4), que están contenidos en los modelos virtuales de las instalaciones (1, 8) y/o en los medios de visualización (2), a través de una primera comunicación, que está configurada como canal de ida de acoplamiento de procesos, como salida desde los medios de visualización (2).

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque se visualizan modelos virtuales de las instalaciones (1, 8) en función de una posición actual de al menos una cámara virtual (14a, 14b).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 ó 6, caracterizado porque, en función de la distancia de un observador, se visualizan más o menos informaciones del modelo virtual de la instalación
(1, 8).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque los modelos virtuales de las instalaciones (1, 8) están configurados transparentes y posibilitan la visión sobre partes de componentes que están cubiertas en el componente real de la instalación (7), donde para el aseguramiento de una relación espacial, se puede representar todavía la cubierta de modelo de instalación transparente.