ES2993369T3 - Apparatus and method for connecting and monitoring processes of a production machine - Google Patents

Apparatus and method for connecting and monitoring processes of a production machine Download PDF

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Michael Pschyklenk
Martin Stroebel
Martin Schmidt-Korth
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

La presente invención se refiere a un aparato para conectar y monitorizar procesos de una máquina de producción (40), en donde el aparato comprende: un dispositivo de monitorización de procesos (10) que está diseñado para capturar datos de sensores relacionados con la máquina de producción (40) y datos de proceso relacionados con la máquina de producción (40); un dispositivo de conexión (20) que está diseñado para capturar datos de control relacionados con la máquina de producción (40); y en donde el aparato está diseñado para cambiar una función de hardware del aparato sobre la base de los datos de sensores, los datos de proceso y los datos de conexión. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCION
Dispositivo, así como procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo, así como a un procedimiento para la conexión y para la supervisión, control y regulación de procesos de una máquina de producción y procesos de mecanizado en el campo de producción.
Antecedentes de la técnica
Para obtener una medida mínima de datos para aplicaciones de supervisión de procesos básicas en máquinas de producción, las máquinas de producción se deben equipar con distintos sistemas, módulos de un sistema de E/S remoto, equipos de Internet industrial de las cosas, IIoT, sistema de gestión de configuración, CMS, o similares, lo que va acompañado de un encarecimiento de toda la máquina de producción.
A este respecto, la potencia, el manejo y la conectividad están limitados cuando los distintos sistemas interactúan.
Además, estos sistemas a menudo no se pueden ampliar de forma modular y no posibilitan posibilidades o solo son limitadas para la ampliación posterior de las funciones, por ejemplo, si se desean aplicaciones adicionales.
Una actualización no suele ser económica, especialmente si la aplicación requiriese una ampliación, sustitución o rediseño de los componentes de hardware.
Si es posible una ampliación, a menudo solo con las limitaciones del hardware instalado actualmente y por lo general limitada a la tecnología de procesamiento respectiva. Las aplicaciones individuales en tiempo real normalmente solo pueden implementarse con mucho esfuerzo en sistemas de medición especiales y adecuados de alta gama.
Diversos fabricantes están representados en el mercado con una variedad de equipos IIoT con diferentes funcionalidades. En este caso, en el foco principal suele estar a menudo la conectividad pura. Los sistemas que pueden operar un procesamiento de datos descentralizado individual en el borde de la red, es decir, disponen de funcionalidades de computación en el borde, se limitan a la evaluación pura de datos de máquina o disponen solo de posibilidades muy limitadas que no cumplen con los requisitos de procesos de producción altamente automatizados y exigentes. .
También aumenta constantemente la necesidad de la reacción en tiempo real a los procesos de mecanizado en curso. Estrategias de regulación adaptativas para la optimización de los tiempos de ciclo, aumento de la vida útil de las herramientas o para la prevención de fenómenos que afecten a la calidad de las piezas de trabajo como vibración, quemado por rectificado o la formación de ondulaciones circunferenciales son solo algunos ejemplos de reacciones necesarias que se deben realizar en tiempo real. Expresado en otras palabras, para escenarios que requieren una reacción en tiempo real.
Los sistemas de supervisión de procesos situados en el mercado ofrecen por lo general funcionalidades individuales cerradas sin posibilidad de acceso a datos relevantes no procesados terminados o datos en bruto.
Por tanto, se puede perder información sustancial y los datos existentes no se pueden utilizar en su totalidad para obtener información.
Además, los equipos IIoT ofrecen la posibilidad de conectar máquinas y acceder a sus datos o transferir datos desde instancias de orden superior a las máquinas.
Los sistemas de supervisión de procesos adquieren datos de sensores y datos de proceso de la máquina de producción, así como datos de otras fuentes. Estos se preprocesan, analizan y los resultados se utilizan para la optimización y/o aseguramiento de los procesos de producción.
El foco se encuentra en la regulación, control y visualización de procesos. Especialmente, la regulación o control de máquinas de producción o sistemas de producción completos requiere el uso de componentes de hardware de alto rendimiento que puedan cumplir los criterios en tiempo real incluso durante cálculos complejos.
Los sistemas para la conexión obtienen datos de conexión de los componentes de control de una máquina de producción o de sistemas de producción completos y los transmiten a un sistema de orden superior, como una nube o aparatos servidores, y viceversa. Muchos sistemas para la conexión disponen de capacidades de computación de borde, es decir, la capacidad de resolver tareas de procesamiento de datos descentralizados en el borde de la red y pueden preparar los datos de conexión antes de la transmisión.
Divulgación de la invención
Además de la clásica conexión de máquinas de producción o sistemas de producción completos y el acceso posibilitado con ello a datos de estado y parámetros, debido a las siempre crecientes exigencias de los procesos de fabricación modernos, es absolutamente necesario poner en conexión estos datos de estado y parámetros con datos de sensores externos o datos de proceso de varios sensores para la adquisición de señales altamente dinámicas como fuerzas, aceleraciones, señales acústicas, temperaturas, presiones o similares y procesarlos juntos, así como correlacionarlos.
Por tanto, se pueden determinar los parámetros sustanciales para la determinación de anomalías en los procesos, para el guiado de estrategias de regulación, para el registro de características de calidad de piezas de trabajo o para la determinación de estados de desgaste de componentes y herramientas.
Mediante la combinación de datos no procesados terminados en un sistema central para la evaluación de datos, se puede lograr un aumento en la calidad de los datos y un aumento del contenido de información de los datos. Por tanto, no se puede perder información sustancial y los datos existentes se pueden utilizar en su totalidad para obtener información.
Además de los datos de máquina, para el procesamiento y correlación de datos se pueden utilizar datos de sensores altamente dinámicos y datos puestos a disposición centralmente por una nube/aparatos servidores en paralelo para la determinación de relaciones complejas, parámetros, tendencias o similares.
En los sistemas anteriores esto solo es posible de forma muy limitada, ya que los datos disponibles normalmente solo se procesan de forma secuencial y los datos disponibles se reducen a los resultados de los sistemas individuales.
Un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo, así como un procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción, que minimice o elimine los inconvenientes asociados con los antecedentes de la técnica.
Este objetivo se consigue mediante el dispositivo descrito en la reivindicación 1,así como mediante el procedimiento especificado en la reivindicación 4.
Los rasgos característicos preferentes u opcionales de la invención se especifican en las reivindicaciones dependientes 2 a 3 o 5 a 6.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción, en el que el dispositivo comprende: un aparato de supervisión de procesos que está conformado para adquirir datos de sensor de la máquina de producción y datos de proceso de la máquina de producción.
El dispositivo comprende además un aparato de conexión que está conformado para adquirir datos de control de la máquina de producción.
El dispositivo está conformado para cambiar una función de hardware del dispositivo basándose en los datos de sensor, los datos de proceso y los datos de conexión.
En otras palabras, el sistema comprende una CPU, una parte de hardware reconfigurable (FPGA), una interfaz de sensor modular y universal, un conector de bus de campo modular e interfaces de Ethernet para la nube/servidor y la conexión de máquina.
El sistema operativo necesario para el funcionamiento se ejecuta en la CPU, una solución de conexión basada en software adecuada para la comunicación de datos, que se conecta opcionalmente a través de Ethernet y/o a través de un conector de bus de campo modular a un sistema/máquina de procesamiento CNC, a través de Ethernet a un sistema de nivel superior (servidor/nube) y con aplicaciones de software ejecutadas también en la CPU.
Las aplicaciones de software, por su lado, también pueden acceder a datos NC en el ciclo IPU a través del conector de bus de campo.
La FPGA forma la pieza central del sistema. En esta se ejecutan todas las funciones críticas en el tiempo, intensivas en cálculo y relevantes en tiempo real. Esta tecnología posibilita generar componentes de hardware reales en tiempo de ejecución y así ejecutar funciones paralelas reales según sea necesario. En la FPGA también se implementa la lectura de señales de sensor paralelas altamente dinámicas y su preprocesamiento, por ejemplo, el filtrado.
Por tanto, se pueden ejecutar múltiples aplicaciones simultáneamente sin violar los estrictos requisitos de tiempo real. Simultáneamente, por la FPGA se gestionan las señales de entrada y salida digitales.
Es posible la interconexión de varios sistemas (en un sistema) o varios sistemas locales en, por ejemplo, una línea.
Preferentemente, el aparato de supervisión de procesos está conformado para llevar a cabo un procesamiento de datos para los datos de sensor de la máquina de producción y para los datos de proceso de la máquina de producción; y/o el aparato de conexión está conformado para llevar a cabo un procesamiento de datos de conexión para los datos de conexión.
Se prefiere además que el dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción presente un aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo, que esté conformado para cambiar una función de hardware del dispositivo.
De acuerdo con una forma de realización preferida de la invención, el aparato servidor está conformado para procesar, además de los datos de sensor recibidos, los datos de proceso y los datos de conexión, además también los datos de la nube y datos de servidor, para cambiar la función de hardware del dispositivo.
Preferentemente, el aparato servidor está conformado para cambiar la función de hardware del dispositivo mediante un activador. El activador o la señal de activador se puede enviar aquí desde un sistema central en la nube.
Preferentemente, un aparato servidor no forma parte del dispositivo en sí mismo, sino que está conformado como un sistema servidor/nube externo central.
De acuerdo con un modo de realización preferente de la invención, el dispositivo está conformado para cambiar su propia función de hardware mediante un activador.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción, que comprende las etapas:
- adquisición de datos de sensor de la máquina de producción y datos de proceso de la máquina de producción por medio de un aparato de supervisión de procesos;
- adquisición de datos de control de la máquina de producción por medio de un aparato de conexión;
- procesamiento de los datos de sensor, datos de proceso y datos de conexión adquiridos por medio de un dispositivo; y
- cambio de una función de hardware del dispositivo basado en los datos de sensor, los datos de proceso y los datos de conexión.
Preferentemente, el procedimiento comprende además la siguiente etapa: realización del procesamiento de datos de los datos de sensor de la máquina de producción y de los datos de proceso de la máquina de producción del aparato de supervisión de procesos; y/o realización de un procesamiento de datos de los datos de conexión del aparato de conexión.
De acuerdo con otro modo de realización de la presente invención, está previsto que el procedimiento comprenda además la siguiente etapa: cambio de una función de hardware del dispositivo por medio de un aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo basado en los datos de sensor, los datos de proceso y los datos de conexión.
De acuerdo con un modo de realización preferido de la invención, el procedimiento comprende además las etapas:
- recepción de datos de la nube y datos de servidor
- cambio de una función de hardware del dispositivo por medio de un aparato servidor basándose en los datos de la nube y los datos de servidor que se proporcionan por una nube/aparatos servidores.
De acuerdo con un modo de realización preferido de la invención, el procedimiento comprende además la etapa de activación de un cambio en la función de hardware del dispositivo mediante un aparato servidor.
Se consigue una comprensión mejorada de la invención y de sus ventajas mediante la representación esquemática de los dibujos, que no actúan de forma limitante y solo describen un posible modo de realización preferente.
La fig. 1 un dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción de acuerdo con un ejemplo de modo de realización de la invención;
la fig. 2 un diagrama de flujo para la ilustración de las etapas de un procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción de acuerdo con un ejemplo de modo de realización de la invención; y
la fig. 3 un diagrama de proceso para la ilustración de las etapas de un procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción de acuerdo con un ejemplo de modo de realización de la invención.
Las figuras son solo esquemáticas y no están a escala. En las figuras, los elementos iguales, de acción igual o similares están provistos de los mismos números de referencia.
Modos de realización de la invención
En primer lugar, se describe el dispositivo de acuerdo con un modo de realización preferido de la invención y después se describen los efectos ventajosos de la invención.
La fig. 1 muestra una representación esquemática del dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción de acuerdo con un ejemplo de modo de realización de la invención.
El aparato de supervisión de procesos 10 dispone de interfaces de sensor modulares y/o universales para la adquisición de señales altamente dinámicas, tales como, por ejemplo, fuerzas, aceleraciones, señales acústicas, temperaturas y/o presiones de la máquina de producción 40 y una interfaz de Ethernet y/o de un conector de bus de campo modular para la comunicación de datos con el aparato servidor 30.
El aparato de conexión 20 dispone opcionalmente de una interfaz de Ethernet y/o un conector de bus de campo modular para la comunicación de datos con el aparato servidor 30 o la máquina de producción 40.
El aparato servidor 30 dispone opcionalmente de una interfaz de Ethernet y/o de un conector de bus de campo modular para la comunicación de datos con el aparato de conexión 20.
En el aparato servidor 30 se reúnen y correlacionan datos no procesados terminados de diversas fuentes, que son preferentemente datos de sensor de la máquina de producción, datos de proceso de la máquina de producción del aparato de supervisión de procesos, datos de control, así como datos de conexión del aparato de conexión 20 de la máquina de producción, datos de la nube/servidor de otros aparatos de nube/servidor.
Mediante la combinación de datos no procesados terminados en un sistema central, tal como el aparato servidor 30, para la evaluación de datos, se puede lograr un aumento en la calidad de los datos y un aumento del contenido de información de los datos.
Además de los datos de máquina, para la evaluación y correlación de datos se pueden utilizar datos de sensores altamente dinámicos y datos puestos a disposición centralmente por una nube/aparatos servidores en paralelo para la determinación de relaciones complejas, parámetros, tendencias y similares. Por tanto, no se puede perder información sustancial y los datos existentes se pueden utilizar en su totalidad para obtener información.
Mediante las relaciones obtenidas, el aparato servidor 30 puede cambiar una función de hardware del dispositivo, preferentemente el dispositivo presenta un aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo que está conformado para cambiar una función de hardware del dispositivo, en el que el aparato servidor 30 activa el cambio del hardware.
Un aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo, que está embebido en el aparato de supervisión de procesos 10, representa un componente principal del dispositivo. Con este aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo se ejecutan todas las funciones críticas en el tiempo, intensivas en cálculo y relevantes en tiempo real. Mediante el aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo se puede reaccionar a eventos durante el proceso de mecanizado de forma sincrónica en el tiempo, en el que se cumplen los exigentes requisitos en tiempo real.
Estrategias de regulación adaptativas para la optimización de los tiempos de ciclo, aumento de la vida útil de las herramientas o para la prevención de fenómenos que afecten a la calidad de las piezas de trabajo como vibración, quemado por rectificado o la formación de ondulaciones circunferenciales son solo algunos ejemplos de reacciones necesarias que se deben realizar en tiempo real.
En el aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo también se implementa la lectura y visualización paralelas de señales de sensor altamente dinámicas y su procesamiento de datos, tal como, por ejemplo, el prefiltrado. Por tanto, se pueden ejecutar múltiples aplicaciones simultáneamente sin violar los estrictos requisitos de tiempo real. Simultáneamente, las señales de entrada y salida digitales se gestionan por el aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo.
La visualización no se realiza en la FPGA, sino opcionalmente en el servidor web local o los servidores web centrales.
El dispositivo se puede ampliar de forma modular por medio de la interfaz de Ethernet disponible y/o del conector de bus de campo modular disponible, que están concebidos para la comunicación de datos con otros dispositivos para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción.
Mediante al aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo embebido en el dispositivo, el dispositivo se puede usar de forma fácil y flexible para otras aplicaciones sin tener que reajustar el hardware. Por tanto, el dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción es ideal para usarse en la construcción de prototipos y en el mercado en masa.
Mediante la integración de un aparato de supervisión de procesos, un aparato de conexión y un aparato servidor en un dispositivo se consigue un aumento de la seguridad TI contra ataques de piratas informáticos desde fuera de la red, ya que los sistemas integrados se pueden coordinar de forma ideal entre sí y la comunicación entre los sistemas integrados así está mejor protegida.
Adicionalmente, se consigue un manejo simplificado para el usuario, ya que solo se debe configurar un equipo.
Expresado en otras palabras, el dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción está conformado para proporcionar una combinación de un sistema de supervisión de procesos con un sistema de conexión.
El dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción está conformado además para proporcionar un uso de la tecnología FPGA, que posibilita un cambio flexible de las funciones del hardware.
El dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción también está conformado además para permitir la inclusión de máquinas, sensores y datos de servidor/nube para la evaluación local de los mismos con fines de regulación, control y visualización de procesos, y esto también de forma sincrónica en el tiempo.
El dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción está conformado además para efectuar una reconfiguración del hardware flexible y basada en las necesidades, esto se puede activar por un sistema central (servidor/nube), además, esto se puede activar partiendo de los requisitos determinados en el sistema central o manualmente.
La fig. 2 muestra un diagrama de flujo para la ilustración de las etapas de un procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción de acuerdo con un ejemplo de modo de realización de la invención.
En una primera etapa se realiza una adquisición S1 de datos de sensor de la máquina de producción 40 y datos de proceso de la máquina de producción 40 por medio de un aparato de supervisión de procesos 10.
En una segunda etapa se realiza una adquisición S2 de los datos de control de la máquina de producción 40 por medio de un aparato de conexión 20.
En una tercera etapa se realiza un procesamiento S3 de los datos de sensor, datos de proceso y datos de conexión adquiridos por medio de un dispositivo; y
En una cuarta etapa se realiza un cambio S4 de una función de hardware del dispositivo basado en los datos de sensor, los datos de proceso y los datos de conexión.
La fig. 3 muestra un diagrama de proceso para la ilustración de las etapas de un procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción de acuerdo con un ejemplo de modo de realización de la invención.
Las flechas numeradas en el ejemplo están en orden cronológico ascendente.
1. Adquisición de todos los datos de máquina (datos de sensor, datos de proceso, datos de control, datos de máquina).
2.1 Prefiltrado, análisis de datos y, si es necesario, inicio de reacción a la máquina.
2.2 Transmisión de toda la información relevante a través del aparato de conexión a la nube.
3. Los datos de varios aparatos se transmiten a la nube. Allí se realizan análisis o correlaciones con toda la información/datos existentes.
4. Si es necesario, inicio del cambio de función de hardware de un sistema activado mediante la nube.
Sin embargo, la presente invención no se limita a este respecto al ejemplo de realización previamente preferido siempre que esté comprendida por el objeto de las siguientes reivindicaciones.
Lista de referencias:
10 aparato de supervisión de procesos
20 aparato de conexión
30 aparato servidor
40 máquina de producción
51 adquisición
52 adquisición
53 procesamiento
54 cambio

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción (40), en el que el dispositivo comprende:
- un aparato de supervisión de procesos (10), que está conformado para adquirir datos de sensor de la máquina de producción (40) y datos de proceso de la máquina de producción (40);
- un aparato de conexión (20) que está conformado para adquirir datos de control de la máquina de producción (40);
- un aparato servidor (30),
en el que
el dispositivo está conformado para cambiar, dependiendo de
- los datos de sensor,
- los datos de proceso,
- datos de conexión proporcionados por el aparato de conexión (20) y
- datos de la nube y de servidor
una función de hardware del dispositivo, y en el que
el aparato servidor (30) está conformado para cambiar la función de hardware del dispositivo por un activador.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el aparato de supervisión de procesos (10) está conformado para llevar a cabo un procesamiento de datos para los datos de sensor de la máquina de producción (40) y para los datos de proceso de la máquina de producción (40); y/o
en el que el aparato de conexión (20) está conformado para llevar a cabo un procesamiento de datos de conexión para los datos de conexión.
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el dispositivo presenta un aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo, que está conformado para cambiar una función de hardware del dispositivo.
4. Procedimiento para la conexión y para la supervisión de procesos de una máquina de producción (40), con las etapas:
- adquisición (S1) de datos de sensor de la máquina de producción (40) y datos de proceso de la máquina de producción (40) por medio de un aparato de supervisión de procesos (10);
- adquisición (S2) de datos de control de la máquina de producción (40) por medio de un aparato de conexión (20);
- recepción de datos de la nube y datos de servidor
- procesamiento (S3) de los datos de sensor, datos de proceso y datos de conexión adquiridos por medio de un dispositivo; y
- cambio (S4) de una función de hardware del dispositivo por medio de un aparato servidor (30) dependiendo de los datos de sensor, los datos de proceso, los datos de conexión proporcionados por el aparato de conexión (20) y los datos de la nube y datos de servidor
- activación de un cambio de la función de hardware del dispositivo mediante un aparato servidor (30).
5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el procedimiento comprende además la etapa: - realización del procesamiento de datos de los datos de sensor de la máquina de producción (40) y de los datos de proceso de la máquina de producción (40) del aparato de supervisión de procesos (10); y/o realización de un procesamiento de datos de los datos de conexión del aparato de conexión (20).
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el procedimiento comprende además la etapa: - cambio de una función de hardware del dispositivo por medio de un aparato de disposición de puertas lógicas programable en campo basado en los datos de sensor, los datos de proceso y los datos de conexión.
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