WO2012031859A1 - Steuervorrichtung für eine fabrikanlage sowie steuer- und überwachungsverfahren für eine solche fabrikanlage - Google Patents

Steuervorrichtung für eine fabrikanlage sowie steuer- und überwachungsverfahren für eine solche fabrikanlage Download PDF

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WO2012031859A1
WO2012031859A1 PCT/EP2011/064103 EP2011064103W WO2012031859A1 WO 2012031859 A1 WO2012031859 A1 WO 2012031859A1 EP 2011064103 W EP2011064103 W EP 2011064103W WO 2012031859 A1 WO2012031859 A1 WO 2012031859A1
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WO
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simulation
control
factory
program code
devices
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PCT/EP2011/064103
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Jan Richter
Christian Heuschmann
Thomas Trenner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05B19/41885—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM] characterised by modeling, simulation of the manufacturing system
    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • Control device for a factory as well as control and monitoring methods for such a factory
  • the invention relates to a control device for controlling facilities of a factory.
  • the invention also includes a corresponding control method for the devices and a method for monitoring an operation of the devices.
  • the invention also includes a method for
  • a factory installation is to be understood as an arrangement of a plurality of fabrication facilities (such as, for example, production machines and conveyor belts), through the interaction of which individual process goods are changed stepwise or expanded or transported in sections.
  • fabrication facilities such as, for example, production machines and conveyor belts
  • efforts are being made to optimize the interaction of the devices in such a way that the entire factory is operated as efficiently as possible.
  • Equipment effectiveness to the total (GAE) have, in particular, three Fak ⁇ tors influence.
  • the manufacturing process must not come to a standstill.
  • ⁇ resources are maximized to a value of the process goods produced by the factory system.
  • a quality of each process goods of a particular prosecutforde ⁇ tion must meet.
  • a control device which detects individual operating states of the devices by means of sensors and generates corresponding control signals for actuators, by means of which the operation of the devices can be controlled.
  • the GAE can be optimized on the basis of the actual operating states detected by the sensors.
  • In connection with planning of resources that are needed for egg ⁇ nen future operation of the manufacturing plant is known to simulate operation of the facilities of the factory system and thereby to use data that operating states of the individual devices to the loading detected by the sensors were.
  • a necessary for this transfer of Sensorda ⁇ th by a control device of the manufacturing plant to a corresponding computer simulation is possible for example via a communication channel (after the OPC standard OPC - Object Linking and Embedding (OLE) for Process
  • Controll can be configured.
  • ⁇ munikationskanals can be exchanged data between HEADUNITS ⁇ th for automation technology.
  • a typical reaction time ie the time from the occurrence of the EVENT ⁇ Nisses to the possible event processing
  • ei ⁇ ne OPC connection is not real-time capable.
  • a simulation based on data received over such a Kom ⁇ munikationskanal used only for temporary with ⁇ medium- to long-term planning in the control system of a factory ⁇ plant, ie for example the resource scheduling for the next layer or the batch planning.
  • the object of the present invention is to improve the overall system effectiveness of a factory.
  • facilities of a factory are controlled. It is stated by means of a STEU ⁇ erappel repeated a control routine. This is at each repetition in response to a sensor ⁇ signal that of at least one sensor of the factory originates, at least one of the devices generates a Steuersig ⁇ nal. As a result of the repeated execution of the control routine , a time interval of successive time segments is altogether predetermined, the duration of a respective repetition of the control routine determining the duration of one of these time segments in each case.
  • an operation of the facilities of the factory is simulated synchronously to this time grid by means of a simulation device.
  • the inventive method affords the advantage that the parameter values of the simulation underlying ⁇ the simulation model in the same time frame are updated, received in the control routine by the sensor data and control commands are created.
  • This chronological synchronicity ensures that the control routine and the simulation model always have consistent data content and therefore this data can be exchanged between the control unit and the simulation device at any time for mutual supplementation. That's how it works
  • the invention also includes a control device for a factory.
  • the control device according to the invention comprises a control unit and a simulation device.
  • the control unit controls the operation of A ⁇ directions according to a predetermined control routine that is executed ⁇ times per control cycle by the control unit.
  • the control unit repeatedly executes the control routine in a time frame once in each of the consecutive time periods as prescribed by the time grid.
  • the simulation device of the control device according to the invention is designed to simulate an operation of the devices. In doing so, it simulates the operation of the facilities synchronously with the time grid, ie the simulation is always carried out for the current time period of the time grid.
  • the inventive method can be performed.
  • the sensor signal of the at least one sensor is transmitted to the simulation device.
  • a short-cycle comparison ie, temporally within a calculation cycle of the control device
  • sensor data with data from the simulation model
  • a malfunction of a facility of the factory can be displayed immediately.
  • Another further development of the method according OF INVENTION ⁇ dung provides that a result of simulation by which was simulated for a certain period of time, the operation of the facilities is transmitted to the control unit.
  • the execution time for the control routine is preferably less than 100 ms, preferably less than 20 ms. In other words, a real-time capable control unit is used in the control device according to the invention.
  • a preferred embodiment of control apparatus has ei ⁇ ne processor device on which is adapted so well for For ⁇ a control program code of the control unit and ei ⁇ nen simulation program code of the simulation device ⁇ lead.
  • the control program code includes the control routines .
  • This refinement has the advantage that the simulation device receives the data of the real system as quickly as possible. By bypassing the (now übli ⁇ chen) connection of a simulation system via a field ⁇ or communication (including OPC uses a field or communication bus) is relieved to a fieldbus and reaches to the other through the integration of the simulation system into the platform for the control routine that the Simu ⁇ lation, the control device is just as fast supplied with the sensor data.
  • the control device of the invention provides that the execution of the control routine ⁇ in a period and the associated simulate this Zeitab ⁇ cut the operation of the institutions within this period out ⁇ leads consecutively is.
  • the Simulati ⁇ onsmodell can be carried out at the end thereof.
  • he begat ⁇ control signal to the control unit in the simulation be ⁇ can be taken into results.
  • It can also be provided to execute the simulation model at the beginning of the respective time segment.
  • time-slot synchronization means that the control program code is interrupted during execution of the simulation model and only after completion of the execution of the simulation model is continued. Accordingly, the simulation model is only active when called by the control routine.
  • Another aspect of the invention relates to a method of monitoring an operation by means of a Fabrikanla ⁇ ge.
  • This monitoring method is based as just be ⁇ prescribed control method on a (zeitraster- possible synchronous) simulation of an operation of the devices by a simulation unit.
  • a location of a befind ⁇ union in the factory complex process material through a set of possible staying ⁇ stop locations is described by the simulation unit.
  • This has the advantage that, for example, in the case of a transport system for isolable process goods, the physical influences of an environment of the process goods, for example a friction acting on the process good, can be taken into account in the simulation in a stochastic manner.
  • an intersection is formed from the previous quantity of the possible deposit locations and an amount of the locations covered by the coverage area. In the event that the formation of the intersection results in an empty set, it can be assumed that a failure ⁇ function of the factory plant is present. On this basis, an indication for a malfunction is thus formed in an advantageous development of the monitoring ⁇ method .
  • the simulation unit initially takes into account both transport paths during a simulation of a transport of the process item . This is done by data to places along both transport ⁇ paths are added to the amount of Moegli ⁇ chen whereabouts. As a result, the number of sensors for monitoring an actual position of the process material in the factory can be reduced.
  • a soft sensor Also based on the monitoring method can be provided by an advantageous development of the same a soft sensor.
  • devices which are controlled by the factory system a control unit, transmitted from the simulation device to a process material a Informa ⁇ tion on at least one possible location of the set of possible whereabouts.
  • the number of sensors actually to be provided in the factory system for detecting the locations of process goods can be reduced.
  • a particularly preferred disclosed embodiment of the invention provides that a guide from the Steue ⁇ approximation method of the invention and from a guide be combined form of the invention shown SEN monitoring method to form a common procedure.
  • Another aspect of the invention relates to a method for creating a control routine for a control device ei ⁇ ner factory.
  • a description is received for a control routine, for example a source code, and from this a control program code is generated which can be executed on a processor device of a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • a description of a simulation model of Fab ⁇ America location is received and drawn into a simulation program code ⁇ additionally. This is also feasible on the Saworeinrich ⁇ processing of the programmable controller.
  • the creation method according to the invention thus makes it possible to carry out the control method according to the invention and the monitoring method according to the invention on a conventional PLC.
  • the invention will be explained in more detail below with reference toprivatesbei ⁇ games. This shows:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a factory, which is controlled by a PLC according to an embodiment of the control device according to the invention
  • FIG. 2 is a flowchart of a control method performed by the PLC
  • FIG. 3 a sketch relating to an interval of possible deposit locations of a process item, wherein the interval has been formed according to an embodiment of the monitoring method according to the invention
  • FIG 6 is a schematic representation of a development ⁇ system for generating a program code for a PLC in accordance with a disclosed embodiment of the invention shown SEN creation process.
  • a factory plant 10 is shown. This can be a discrete material flow system.
  • An example of such a discrete material flow system is a bottling plant.
  • the factory system 10 comprises three conveyor belts or transport ⁇ bands 12, 14, 16.
  • a conveying direction F of the conveyor belts 12, 14, 16 is indicated in FIG 1 respectively by an arrow.
  • a (dashed lined) process material is transported in the conveying ⁇ rerraum F of the conveyor belt 12 eighteenth
  • a bottle filling line is, it can play as act in the process material at 18 ⁇ for a single bottle.
  • Conveyor belts 12, 14, the process material 18 each one
  • the stations 20, 22 act on the process material 18 when it reaches the respective station 20, 22.
  • the station 20 may be a bottle filling machine and the station 22 may be a closing device for applying bottle caps to bottle necks.
  • the factory system 10 also includes three cameras 24, 26, 28, of which in each case a detection area 30, 32, 34 of the conveyor belts 12 and 14 is optically detected.
  • a switch 36 directs process goods that come from the station 22 via the conveyor belt 14, either on the conveyor belt ⁇ 12 or the conveyor belt sixteenth
  • the conveyor belts 12, 14, 16, the stations 20, 22 and the switch 36 are actuators of the factory 10.
  • the cameras ⁇ 24, 26, 28 are sensors of the factory 10.
  • the factory ⁇ plant 10 is a programmable logic controller or PLC 38 controlled. This is coupled to the actuators and sensors of the factory 10.
  • the PLC 38 includes a processor device 40 with a data memory and a microcontroller, which are not shown in detail in FIG.
  • the processor device 40 executes a control program code 42 and a simulation program code 44.
  • the control program code 42 includes a control routine in a control cycle in Zeitab ⁇ supernatants of the processor device 40 is performed by 10 ms repeated.
  • the processor means to a timer, which causes a cy pineapple ⁇ call rule 46 of the control program codes 42nd Instead of a timer, an interrupt controller may also be provided.
  • the simulation program code 44 By the simulation program code 44, the sensor data, an operation of the conveyor belts 12, 14, 16 and the stations 20, 22 for a period of 10 ms simu ⁇ lines are evaluated in a step S3, and on their basis in egg ⁇ nem step S4. On the basis of a result of this simulation, a probable operating state of the factory 10 is determined in a step S5. With the step S5, the simulation for the current period is completed. All data obtained in step S5 are available after execution of the simulation program code 44 in a defined memory area 50 for the control program code 42. The processor device 40 then executes the actual control routine predetermined by the control program code 42. This consists firstly of a Auswer ⁇ processing (step S6), both the received sensor data in step Sl and stored in the storage area 50 operating state data. On the other hand, the processor device 40 generates as part of the control routine in one
  • Step S7 control signals for the actuators of the factory 10 as a function of the evaluated data.
  • control according to the control program code 42 and the simulation according to the simulation program code 44 are in "temporal synchronicity" of the execution of the two Aus ⁇ management systems (control routine and simulation), that is, the simulation model is executed in the same time frame as the PLC control code. Furthermore, the simulation model works with consistent data (data package 48). The data transmitted to the control code by the simulation model (in memory area 50) are also consistent.
  • the simulation model on which the simulation is based reproduces the conveyor belts 12, 14, 16, the stations 20, 22 and the cameras 24, 26, 28.
  • a position of Pro ⁇ zessguts 18 is described in the simulation model by a position interval 52nd This allows dealing with possible tolerances in properties of the simulated sizes. Instead of a concrete variable "position", the simulation is thus based on an interval of possible positions on the conveyor belts 12, 14, 16. In this way, stochastically occurring influences, such as friction, are used in the simulation. imaged.
  • a transfer to other uncertainties as friction and other process variables to be simulated as the Po ⁇ sition can be done instead of the described size "positi ⁇ on" when it makes sense to implement the application.
  • the position interval 52 represents a corresponding output interval, which was assigned to the process material 18 at the start of the simulation.
  • the output ⁇ interval was determined in an initialization phase of the SPS 38 after their installation in the factory plant 10th In the case of material flow systems containing break down transport goods, as here the process material 18, following Modellie ⁇ tion was performed.
  • the transport paths or transport paths formed by the conveyor belts 12, 14, 16 are divided into control sections K1, K2, K3.
  • the ends of two control sections are connected to one another, ie an exit from one of the control sections is the entry into the other control sections. bordering control section.
  • the limits of the control sections K1, K2, K3 are defined by the sensors of the factory installation 10, ie the cameras 24, 26 and 28. In other words, the exit and the entry of a process material is indicated by the signal change of a sensor.
  • Egg ⁇ ne preferred variant show closed transport paths.
  • the resulting output intervals simulate stochastically occurring influences, such as friction, in the simulation model.
  • corresponding output quantities of possible parameter values were determined for parameters other than the positions of the process items.
  • An exit interval encompasses all those positions which a process item can have in a proper operation of the system.
  • the Simula ⁇ tion model will first be for any path that the process material 56 after passing the switch 36 can either take on the conveyor belt 12 or the conveyor belt 16, a position interval 60, 62 generates.
  • the Positionsin ⁇ intervals 60, 62 together form a set of possible positio ⁇ NEN of the process material 56 in the manufacturing plant 10.
  • the process material 58 was directed by the diverter 36 to the conveyor belt sixteenth As in the case of the transport material 56 for each mög ⁇ handy transport initially own position interval 64, 68 was formed for the process material 58 after passing through the diverter 36th
  • the process material 58 is currently located in a detection area 70 of a camera 72.
  • step S4 therefore, by forming an intersection of the Erfas ⁇ sungs Symposium 70 and the set of possible positions, that of the two position intervals 64, 68, a new Positionsin ⁇ interval 74 formed for the process material 58.
  • the position interval 64 is completely deleted in the simulation model.
  • Step S4 of the simulation a deviation of a behavior of the factory 10 is detected by a plant reference behavior.
  • the system reference behavior is defined by all those operating states that are desirable or well established with respect to overall plant effectiveness. were classified. For the example is shown in Figure 5 angenom ⁇ men that the process material 18 is transported by the conveyor belt 14 just through the detection area 32 of the camera 26th A corresponding sensor signal is generated by the camera 26 and transmitted to the PLC 38.
  • step S4 is determined by the processor means 40, he ⁇ known that the intersection of the detection area 32 and the position interval 52 is empty. This indicates that the factory 10 is not functioning as desired. Therefore, in the step S5, a signal is generated that is transmitted from the processor device 40 to one (in Fig. 2 not dargestell ⁇ te) display device which tion the malfunction of the manufacturing plant 10 of a person indicates which drove the Be ⁇ After the plant 10 monitored.
  • z. B. is that process goods accumulate on a conveyor belt or that comparable, not attributable to a defect of a device, auser ⁇ self-ausre ⁇ gulierende deviations from the system reference behavior gene ⁇ , can also be provided, facilities of the system vo ⁇ temporarily in an operating mode switch in which they consume less energy. So z. B. the Trans ⁇ port speed of the conveyor belt 14 are reduced until the traffic jam is reduced.
  • the PLC is shown again 38, in which Prozes ⁇ sor coupled 40 of the control program code is stored 42 and the Simulati ⁇ onsprogrammcode 44th The two program codes 42, 44 from a developing system 76 with a PLC development environment 78.
  • PLC development environment 78 generates a binary code for the control program code 42 and another binary code for the simulation program code 44 on the basis of the source code. Both binary codes are executable by the processor device 40. The two binary codes were finally transferred from the development ⁇ development system 76 in the memory of the processor means 40th
  • the simulation program code 44 may be provided that 40 information from the simulation to other components of the plant, such as at ⁇ play a reporting or SCADA system 84 (SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition) through it from the processor means are transferred ,
  • SCADA SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition
  • To the delegation ⁇ supply can be accomplished using a fieldbus 86th
  • SCADA SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition
  • the error message described above is displayed by the message system 84 on a screen 88 if an empty quantity results during the formation of an intersection of a coverage area with a position interval (see the example on which FIG. ,
  • a diagnosis of a factory requires the recognition di ⁇ agnoserelevanter events. These are (ie, the desired Ver ⁇ hold) can be appreciated from deviations ⁇ gen by the plant reference behavior.
  • the simulated system state ent ⁇ speaks. Deviations are in the same PLC cycle he ⁇ known and can be reported. Elaborate Synchronisati ⁇ onsmechanismen due to different time bases are avoided. The results are available virtually instantaneously.
  • the use of simulation has the advantage not otherwise mechanisms for diagnosing complex directly into the PLC code to integrate (for example, by monitoring timers at each to be monitored ⁇ sponding sensor), which ultimately reduces the error rate.
  • the simulation system can provide such data (soft sensor).
  • soft sensor soft sensor
  • it is mög ⁇ Lich, for example, in a transportation system to replace a ausfal ⁇ loin detection of goods in transit times and maintain operation.
  • the replacement of the relevant signals is transparent if the simulation model is executed at the beginning of the PLC cycle. In other words, it can not be recognized in the control program code that a signal has been replaced.
  • the simulation system can generate a message to a reporting system.
  • the system is fault tolerant because occurring Unêthei ⁇ th, for example tolerable friction, are taken into account implicitly by the previously be ⁇ agreed intervals.
  • a soft sensor can thus be formed.
  • the soft sensor serves as an additional data supplier for the controller.
  • a congestion calculation can be performed, by increasing the distance between the individual process materials in each PLC cycle be ⁇ calculated and as a function of (in the simulation model to ⁇ supplied bender threshold values such as "minimum distance: 10 mm", "number jammed process goods: 5 ") the controller is provided with a stowage ⁇ nal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung (38) zum Steuern von Einrichtungen einer Fabrikanlage. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Gesamtanlageneffektivität einer Fabrikanlage zu verbessern. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung umfasst eine Steuereinheit (42) und eine Simulationseinrichtung (44). Mittels der Steuereinheit (42) lassen sich Einrichtungen der Fabrikanlage steuern. Die Steuereinheit (42) steuert den Betrieb der Einrichtungen dabei gemäß einer vorbestimmten Steuerroutine (S6, S7). Das Steuern der Einrichtungen erfolgt durch die Steuereinheit (42) dabei in einem Steuerzyklus (46). Die Simulationseinrichtung (44) der Steuervorrichtung (38) ist zum Simulieren eines Betriebs der Einrichtungen ausgelegt. Dabei simuliert sie den Betrieb der Einrichtungen synchron zu dem Zeitraster des Steuerzyklus (46). Zu der Erfindung gehören auch ein Verfahren (S1 bis S7) zum Steuern von Einrichtungen einer Fabrikanlage und eines zum Überwachen derselben.

Description

Beschreibung
Steuervorrichtung für eine Fabrikanlage sowie Steuer- und Überwachungsverfahren für eine solche Fabrikanlage
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Steuern von Einrichtungen einer Fabrikanlage. Die Erfindung umfasst auch ein entsprechendes Steuerverfahren für die Einrichtungen sowie ein Verfahren zum Überwachen eines Betriebs der Einrichtungen. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum
Erstellen einer Steuerroutine für eine Steuervorrichtung ei¬ ner Fabrikanlage.
Im Zusammenhang mit der Erfindung ist unter einer Fabrikanla¬ ge eine Anordnung mehrerer Fabrikationseinrichtungen (wie z. B. Fertigungsautomaten und Transportbändern) zu verstehen, durch deren Zusammenspiel einzelne Prozessgüter stufenweise verändert oder erweitert bzw. abschnittsweise transportiert werden. Hierbei ist man bestrebt, das Zusammenspiel der Ein¬ richtungen dahingehend zu optimieren, dass die Fabrikanlage insgesamt möglichst effizient betrieben wird. Auf die Gesamt- anlageneffektivität (GAE) haben dabei insbesondere drei Fak¬ toren einen Einfluss. Zum einen darf der Fabrikationsprozess nicht zum Erliegen kommen. Des Weiteren muss ein Verhältnis aus den insgesamt von der Fabrikanlage verbrauchten Betriebs¬ ressourcen zu einem Wert der von der Fabrikanlage erzeugten Prozessgüter maximiert werden. Schließlich muss eine Qualität der einzelnen Prozessgüter einer bestimmten Mindestanforde¬ rung genügen.
Um das Zusammenspiel der Einrichtungen zu steuern, kann eine Steuervorrichtung vorgesehen sein, die einzelne Betriebszu- stände der Einrichtungen mithilfe von Sensoren erfasst und entsprechende Steuersignale für Aktoren erzeugt, durch welch sich der Betrieb der Einrichtungen steuern lässt. Mittels ei ner solchen Steuervorrichtung lässt sich die GAE auf der Grundlage der mittels der Sensoren erfassten Ist- Betriebszustände optimieren. Im Zusammenhang mit einer Planung von Ressourcen, die für ei¬ nen zukünftigen Betrieb der Fabrikanlage benötigt werden, ist bekannt, einen Betrieb der Einrichtungen der Fabrikanlage zu simulieren und hierbei Daten zu verwenden, die zu den Be- triebszuständen der einzelnen Einrichtungen von den Sensoren erfasst wurden. Eine hierzu nötige Übertragung der Sensorda¬ ten von einer Steuervorrichtung der Fabrikanlage zu einem entsprechenden Simulationscomputer ist beispielsweise über einen Kommunikationskanal möglich, der nach dem OPC-Standard (OPC - Object Linking and Embedding (OLE) for Process
Controll) ausgestaltet sein kann. Mittels eines solchen Kom¬ munikationskanals lassen sich Messdaten zwischen Steuergerä¬ ten für die Automatisierungstechnik austauschen. Eine typische Reaktionszeit (d. h. die Zeit vom Auftreten des Ereig¬ nisses bis zur möglichen Ereignisverarbeitung) für einen sol¬ chen Datenaustausch liegt dabei bei ca. 100 ms. Damit ist ei¬ ne OPC-Anbindung nicht echtzeitfähig . Entsprechend wird eine Simulation, die auf Daten beruht, die über einen solchen Kom¬ munikationskanal empfangen werden, nur für die zeitlich mit¬ tel- bis langfristige Planung in der Leitebene einer Fabrik¬ anlage verwendet, d. h. z. B. die Ressourcenplanung für die nächste Schicht oder die Chargenplanung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Gesamtanlagen- effektivität einer Fabrikanlage zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Steuervorrichtung gemäß Patentan¬ spruch 1 sowie durch die Verfahren gemäß den Patentansprüchen 5, 8 und 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfin¬ dungsgemäßen Steuervorrichtung und der erfindungsgemäßen Ver¬ fahren sind durch die Unteransprüche gegeben.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Einrichtungen einer Fabrikanlage gesteuert. Dabei wird mittels einer Steu¬ ereinheit wiederholt eine Steuerroutine ausgeführt. Hierdurch wird bei jeder Wiederholung in Abhängigkeit von einem Sensor¬ signal, das von wenigstens einem Sensor der Fabrikanlage stammt, an wenigstens einer der Einrichtungen ein Steuersig¬ nal erzeugt. Durch das wiederholte Ausführen der Steuerrouti¬ ne ist insgesamt ein Zeitraster aus aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten vorgegeben, wobei die Dauer einer jeweiligen Wiederholung der Steuerroutine die Dauer jeweils eines dieser Zeitabschnitte festlegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird synchron zu diesem Zeitraster mittels einer Simulationseinrichtung ein Betrieb der Einrichtungen der Fabrikanlage simuliert.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass die Parameterwerte eines der Simulation zugrunde liegen¬ den Simulationsmodells in demselben Zeitraster aktualisiert werden, in dem durch die Steuerroutine Sensordaten empfangen und Steuerbefehle erzeugt werden. Durch diese zeitliche Syn- chronität kann sichergestellt werden, dass die Steuerroutine und das Simulationsmodell stets inhaltlich konsistente Daten aufweisen und deshalb diese Daten zwischen der Steuereinheit und der Simulationseinrichtung jederzeit zur gegenseitigen Ergänzung austauschbar sind. So lässt sich etwa ein
Istzustand einer Einrichtung der Fabrikanlage, wie der durch die Sensordaten der Steuereinheit beschrieben wird, mit einem Sollzustand vergleichen, der sich aus der Simulation ergibt. Bei einer Abweichung kann dann mit nur unwesentlicher Verzö¬ gerung ein Warnsignal erzeugt werden. Genauso kann durch die Simulation ein Zustand einer Einrichtung abgeschätzt werden, zu dem keine Sensordaten vorliegen. Dies erlaubt es, Einrich¬ tungen der Fabrikanlage mit weniger Sensoren auszustatten, als es bisher üblich ist.
Zu der Erfindung gehört auch eine Steuervorrichtung für eine Fabrikanlage. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung umfasst eine Steuereinheit und eine Simulationseinrichtung. Mittels der Steuereinheit lassen sich Einrichtungen der Fabrikanlage steuern. Dabei steuert die Steuereinheit den Betrieb der Ein¬ richtungen gemäß einer vorbestimmten Steuerroutine, die ein¬ mal pro Steuerzyklus von der Steuereinheit ausgeführt wird. Mit anderen Worten führt die Steuereinheit die Steuerroutine in einem Zeitraster wiederholt aus und zwar einmal in jedem der aufeinanderfolgenden Zeitabschnitte, wie sie durch das Zeitraster vorgegeben sind.
Die Simulationseinrichtung der erfindungsgemäßen Steuervor¬ richtung ist zum Simulieren eines Betriebs der Einrichtungen ausgelegt. Dabei simuliert sie den Betrieb der Einrichtungen synchron zu dem Zeitraster, d. h. die Simulation wird immer für den aktuellen Zeitabschnitt des Zeitrasters durchgeführt. Damit sind bei der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung die für einen bestimmten Zeitabschnitt vorgesehenen Steuerungs¬ maßnahmen und die Simulation des Betriebs der Einrichtungen für diesen Zeitabschnitt zum Ende dieses Zeitabschnitts abge¬ schlossen. Mittels der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei das Sensorsignal des wenigstens einen Sensors an die Simulationseinrichtung übertragen. Hierdurch wird ein kurzzyklischer Vergleich (d. h. zeitlich innerhalb eines Berechnungszyklus der Steuereinrichtung) von Sensordaten mit Daten aus dem Simulationsmodell ermöglicht, durch die ein gewünschter Sollzustand der Anlage beschrieben ist. Dann lässt sich eine Fehlfunktion einer Einrichtung der Fabrikanlage sofort anzeigen. Eine andere Weiterbildung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Ergebnis der Simulation, durch welche der Betrieb der Einrichtungen für einen bestimmten Zeitabschnitt simuliert wurde, an die Steuereinheit übertragen wird. Hierdurch kann beim Steuern der Ein¬ richtungen durch die Steuereinheit auch eine Information berücksichtigt werden, welche sie nicht über einen Sensor er¬ halten kann und welche sich ausschließlich durch Simulieren des Betriebs der Einrichtungen ermitteln lässt. Diese Form der Nutzung eines Simulationsergebnisses ist im Folgenden auch als Soft-Sensor bezeichnet. Die Ausführungsdauer für die Steuerroutine beträgt bevorzugt weniger als 100 ms, bevorzugt weniger als 20 ms. Mit anderen Worten wird bei der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung eine echtzeitfähige Steuereinheit verwendet.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Steuervorrichtung weist ei¬ ne Prozessoreinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, so¬ wohl einen Steuerprogrammcode der Steuereinheit als auch ei¬ nen Simulationsprogrammcode der Simulationseinrichtung auszu¬ führen. Der Steuerprogrammcode umfasst dabei die Steuerrouti¬ ne. Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass die Simulationseinrichtung die Daten der realen Anlage schnellstmöglich erhält. Durch die Umgehung der (heute übli¬ chen) Anbindung eines Simulationssystems über einen Feld¬ oder Kommunikationsbus (auch OPC benutzt einen Feld- oder Kommunikationsbus) wird zum einen der Feldbus entlastet und zum anderen durch die Integration des Simulationssystems in die Plattform für die Steuerroutine erreicht, dass die Simu¬ lation genauso schnell mit den Sensordaten beliefert wird die Steuereinrichtung .
Eine andere bevorzugte Aus führungs form der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung sieht vor, dass das Ausführen der Steuer¬ routine in einem Zeitabschnitt und das zu diesem Zeitab¬ schnitt gehörige Simulieren des Betriebs der Einrichtungen innerhalb dieses Zeitabschnitts zeitlich nacheinander ausge¬ führt wird. Innerhalb eines Zeitabschnitts kann das Simulati¬ onsmodell am Ende desselben ausgeführt werden. Dann ergibt sich der Vorteil, dass auch das für diesen Zeitabschnitt er¬ zeugte Steuersignal der Steuereinheit bei der Simulation be¬ rücksichtigt werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, das Simulationsmodell zu Beginn des jeweiligen Zeitabschnitts auszuführen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Er¬ gebnis der Simulation beim Erzeugen des Steuersignals von der Steuereinheit berücksichtigt werden kann. Somit bedeutet hier also Zeitraster-Synchron, dass während der Abarbeitung des Simulationsmodells der Steuerprogrammcode unterbrochen und erst nach Beendigung der Abarbeitung des Simulationsmodells fortgeführt wird. Entsprechend ist das Simulationsmodell nur dann aktiv, wenn es von der Steuerroutine aufgerufen wurde.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Betriebs von Einrichtungen einer Fabrikanla¬ ge. Dieses Überwachungsverfahren basiert wie das eben be¬ schriebene Steuerverfahren auf einer (möglichst zeitraster- synchronen) Simulation eines Betriebs der Einrichtungen durch eine Simulationseinheit. Hierbei wird durch die Simulations- einheit ein Aufenthaltsort eines in der Fabrikanlage befind¬ lichen Prozessguts durch eine Menge von möglichen Aufent¬ haltsorten beschrieben. Dies ergibt den Vorteil, dass beispielsweise im Falle eines Transportsystems für vereinzelbare Prozessgüter die auf diese Prozessgüter stochastisch wirken- den physikalischen Einflüsse einer Umgebung der Prozessgüter, zum Beispiel eine auf das Prozessgut wirkende Reibung, in der Simulation berücksichtigt werden können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Überwachungsverfahrens ergibt sich, wenn jedem der möglichen Aufenthaltsorte in der erwähnten Menge eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit zugeordnet wird. Dann lassen sich sogar die statistischen Eigenschaften der stochastisch wirkenden Einflüsse in der Simulation nach¬ bilden .
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn bei der Simulation auch ein Sensorsignal eines Sensors der Fabrikanlage berück¬ sichtigt wird, welcher ein Sensorsignal erzeugt, wenn sich das Prozessgut in einem Erfassungsbereich des Sensors befin- det. Dann kann dieses Signal durch die Simulationseinheit empfangen und zeitnah eine neue Menge möglicher Aufent¬ haltsorte des Prozessguts gebildet werden, welche den tat¬ sächlichen Aufenthaltsort des Prozessguts genauer beschreibt als eine bisherige Menge der möglichen Aufenthaltsorte. Zum Bilden der neuen Menge möglicher Aufenthaltsorte wird dabei eine Schnittmenge aus der bisherigen Menge der möglichen Auf¬ enthaltsorte und einer Menge der von dem Erfassungsbereich erfassten Orte gebildet. Für den Fall, dass das Bilden der Schnittmenge eine leere Menge ergibt, kann davon ausgegangen werden, dass eine Fehl¬ funktion der Fabrikanlage vorliegt. Auf dieser Grundlage wird somit in einer vorteilhaften Weiterbildung des Überwachungs¬ verfahrens eine Anzeige für eine Fehlfunktion gebildet.
Bevorzugt werden bei dem Überwachungsverfahren für den Fall, dass in der Fabrikanlage wenigstens zwei unterschiedliche Transportwege zum Transportieren des Prozessguts vorgesehen sind, durch die Simulationseinheit bei einer Simulation eines Transports des Prozessguts zunächst beide Transportwege be¬ rücksichtigt. Dies geschieht, indem in die Menge der mögli¬ chen Aufenthaltsorte Daten zu Orten entlang beider Transport¬ wege aufgenommen werden. Hierdurch kann die Zahl der Sensoren zum Überwachen einer tatsächlichen Position des Prozessguts in der Fabrikanlage verringert werden.
Auch auf Grundlage des Überwachungsverfahrens lässt sich durch eine vorteilhafte Weiterbildung desselben ein Soft- Sensor bereitstellen. Hierzu wird einer Steuereinheit, durch welche Einrichtungen der Fabrikanlage gesteuert werden, von der Simulationseinrichtung zu einem Prozessgut eine Informa¬ tion über wenigstens einen möglichen Aufenthaltsort aus der Menge der möglichen Aufenthaltsorte übermittelt. So lässt sich in vorteilhafter Weise die Zahl der tatsächlich in der Fabrikanlage bereitzustellenden Sensoren zum Erfassen der Aufenthaltsorte von Prozessgütern reduzieren.
Die beschriebenen stochastisch auftretenden Einflüsse lassen sich im Allgemeinen nur schwer vorhersagen und mathematisch modellieren. Entsprechend kann es Probleme bereiten, eine sinnvolle Menge der möglichen Aufenthaltsorte für ein be¬ stimmtes Prozessgut zu bilden. Hierzu ergibt sich eine vor¬ teilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Überwachungs¬ verfahrens, wenn zunächst eine Ausgangsmenge möglicher Auf¬ enthaltsorte des Prozessguts ermittelt wird, die dann in ei¬ ner Simulation immer dann einem Prozessgut zugeordnet werden kann, wenn keine genauere Information über einen Aufenthalts¬ ort des Prozessguts verfügbar ist. Zum Bilden dieser Aus¬ gangsmenge wird dabei in einer Initialisierungsphase der Si¬ mulationseinrichtung ein Probeprozessgut wiederholt und je¬ weils unter gleichen Betriebsbedingungen der Fabrikanlage in einen vorbestimmten Kontrollabschnitt gebracht und dabei je¬ weils ein sich ergebender Aufenthaltsort des Prozessguts er- fasst. Jeder der so erfassten Aufenthaltsorte wird dann der Ausgangsmenge als möglicher Aufenthaltsort hinzugefügt. Dies ermöglicht einen einfachen Umgang mit Toleranzen in den Ei¬ genschaften der simulierten Fabrikanlage, also z. B. einer veränderlichen Geschwindigkeit eines Transportbands oder ei¬ ner Reibkraft, welche von einer Wandung des Transportbands auf das Prozessgut ausgeübt wird.
Eine besonders bevorzugte Aus führungs form der Erfindung sieht vor, dass eine Aus führungs form des erfindungsgemäßen Steue¬ rungsverfahrens und eine Aus führungs form des erfindungsgemä¬ ßen Überwachungsverfahrens zu einem gemeinsamen Verfahren kombiniert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen einer Steuerroutine für eine Steuervorrichtung ei¬ ner Fabrikanlage. Üblicherweise wird bei einem solchen Er¬ stellungsverfahren eine Beschreibung für eine Steuerroutine empfangen, zum Beispiel ein Quellcode, und daraus ein Steuer¬ programmcode erzeugt, welcher auf einer Prozessoreinrichtung einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausführbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren wird zu¬ sätzlich eine Beschreibung für ein Simulationsmodell der Fab¬ rikanlage empfangen und daraus ein Simulationsprogrammcode erzeugt. Dieser ist dabei ebenfalls auf der Prozessoreinrich¬ tung der speicherprogrammierbaren Steuerung ausführbar. Durch das erfindungsgemäße Erstellungsverfahren wird so ermöglicht, das erfindungsgemäße Steuerverfahren und das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren auf einer herkömmlichen SPS durchzufüh¬ ren . Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei¬ spielen näher erläutert. Dazu zeigt:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Fabrikanlage, die von einer SPS gemäß einer Aus führungs form der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung gesteuert wird,
FIG 2 ein Flussschaubild zu einem Steuerungsverfahren, das von der SPS durchgeführt wird,
FIG 3 eine Skizze betreffend ein Intervall möglicher Auf¬ enthaltsorte eines Prozessguts, wobei das Intervall gemäß einer Aus führungs form des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens gebildet worden ist,
FIG 4 eine Skizze betreffend mögliche Aufenthaltsorte ei¬ nes Prozessguts, wie sie gemäß einer Ausführungs¬ form des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens für zwei mögliche Transportwege ermittelt wurden,
FIG 5 eine Skizze betreffend das Erkennen einer Fehlfunk¬ tionen einer Fabrikanlage, wie es durch eine Aus¬ führungsform des erfindungsgemäßen Überwachungsver¬ fahrens ermöglicht ist, und
FIG 6 eine schematische Darstellung eines Entwicklungs¬ systems zum Erzeugen eines Programmcodes für eine SPS gemäß einer Aus führungs form des erfindungsgemä¬ ßen Erstellungsverfahrens.
Die Beispiele stellen bevorzugte Aus führungs formen der Erfin¬ dung dar.
In FIG 1 ist eine Fabrikanlage 10 gezeigt. Bei dieser kann es um ein diskretes Materialflusssystemen handeln. Ein Beispiel für ein solches diskretes Materialflusssystem ist eine Fla- schenabfüllanlage . Die Fabrikanlage 10 umfasst drei Fließbänder oder Transport¬ bänder 12, 14, 16. Eine Förderrichtung F der Transportbänder 12, 14, 16 ist in FIG 1 jeweils durch einen Pfeil angedeutet. In dem in FIG 1 gezeigten Beispiel wird auf dem Transportband 12 ein (gestrichelt gezeichnetes) Prozessgut 18 in die Förde¬ rerrichtung F des Transportbands 12 transportiert. Für den Fall, dass es sich bei der Fabrikanlage 10 um eine Flaschen- abfüllanlage handelt, kann es sich bei dem Prozessgut 18 bei¬ spielsweise um eine einzelne Flasche handeln. Durch die
Transportbänder 12, 14 wird das Prozessgut 18 jeweils einer
Station 20 bzw. 22 zugeführt. Die Stationen 20, 22 wirken auf das Prozessgut 18 ein, wenn dieses die jeweilige Station 20, 22 erreicht. Beispielsweise kann es sich bei der Station 20 um eine Befülleinrichtung für Flaschen und bei der Station 22 um eine Verschließeinrichtung zum Aufbringen von Kronkorken auf Flaschenhälse handeln.
Zu der Fabrikanlage 10 gehören auch drei Kameras 24, 26, 28, von denen jeweils ein Erfassungsbereich 30, 32, 34 der Trans- portbänder 12 bzw. 14 optisch erfasst wird.
Eine Weiche 36 leitet Prozessgüter, die von der Station 22 über das Transportband 14 kommen, entweder auf das Transport¬ band 12 oder das Transportband 16.
Die Transportbänder 12, 14, 16, die Stationen 20, 22 und die Weiche 36 stellen Aktoren der Fabrikanlage 10 dar. Die Kame¬ ras 24, 26, 28 sind Sensoren der Fabrikanlage 10. Die Fabrik¬ anlage 10 wird von einer speicherprogrammierbaren Steuerung oder SPS 38 gesteuert. Diese ist dazu mit den Aktoren und Sensoren der Fabrikanlage 10 gekoppelt.
Eine Funktionsweise der SPS 38 ist im Folgenden anhand von FIG 2 näher erläutert. Die SPS 38 umfasst eine Prozessorein- richtung 40 mit einem Datenspeicher und einem Mikrocontrol- ler, die in FIG 1 nicht näher dargestellt sind. Durch die Prozessoreinrichtung 40 werden ein Steuerprogrammcode 42 und ein Simulationsprogrammcode 44 ausgeführt. Der Steuerprogrammcode 42 umfasst eine Steuerroutine, die von der Prozessoreinrichtung 40 in einem Steuerzyklus in Zeitab¬ ständen von 10 ms wiederholt ausgeführt wird. Hierzu weist die Prozessoreinrichtung 40 einen Timer auf, der einen zykli¬ schen Aufruf 46 des Steuerprogrammcodes 42 bewirkt. Anstelle eines Timers kann auch ein Interrupt-Controller vorgesehen sein .
Durch Ausführen des Simulationscodes 44 werden von der Pro¬ zessoreinrichtung 40 Vorgänge in der Fabrikanlage 10 simu¬ liert. Diese Simulation wird synchron zu jedem Steuerzyklus durchgeführt, d. h. der Simulationsprogrammcode 44 wird im Rahmen eines jeden Steuerzyklus ebenfalls einmal aufgerufen. Während einer solchen Abarbeitung der Simulation wird der Steuerprogrammcode 42 unterbrochen und erst nach Beendigung der Abarbeitung des Simulationsprogrammcodes 44 fortgeführt. Die Simulation ist somit nur dann aktiv, wenn der Simulati¬ onsprogrammcode 44 von dem Steuerprogrammcode 42 aufgerufen wurde. Dazu werden durch den Steuerprogrammcode 42 in einem Schritt Sl zunächst Sensordaten von den Kameras 24, 26, 28 (und weiteren, in FIG 1 nicht dargestellten Sensoren) von der Prozessoreinrichtung 40 empfangen. In einem Schritt S2 werden die Sensordaten zu einem Datenpaket 48 zusammengefasst und durch den Steuerprogrammcode 42 der Simulationsprogrammcode 44 aufgerufen. Dabei wird dem dem Simulationsprogrammcode 44 das Datenpaket 48 durch den Steuerprogrammcode 42 übergeben.
Durch den Simulationsprogrammcode 44 werden in einem Schritt S3 die Sensordaten ausgewertet und auf ihrer Grundlage in ei¬ nem Schritt S4 ein Betrieb der Transportbänder 12, 14, 16 und der Stationen 20, 22 für einen Zeitabschnitt von 10 ms simu¬ liert. Auf der Grundlage eines Ergebnisses dieser Simulation wird in einem Schritt S5 ein wahrscheinlicher Betriebszustand der Fabrikanlage 10 ermittelt. Mit dem Schritt S5 ist auch die Simulation für den aktuellen Zeitabschnitt beendet. Alle Daten, die im Schritt S5 ermittelt wurden, stehen nach der Abarbeitung des Simulationsprogrammcodes 44 in einem festgelegten Speicherbereich 50 für den Steuerprogrammcode 42 zur Verfügung. Die Prozessoreinrichtung 40 führt anschließend die eigentliche durch den Steuerprogrammcode 42 vorgegebene Steuerroutine aus. Diese besteht zum einen aus einer Auswer¬ tung (Schritt S6) sowohl der in dem Schritt Sl empfangenen Sensordaten als auch der in dem Speicherbereich 50 gespeicherten Betriebszustandsdaten . Zum anderen erzeugt die Pro- zessoreinrichtung 40 im Rahmen der Steuerroutine in einem
Schritt S7 Steuersignale für die Aktoren der Fabrikanlage 10 in Abhängigkeit von den ausgewerteten Daten.
Die Steuerung gemäß dem Steuerprogrammcode 42 und die Simula- tion gemäß dem Simulationsprogrammcode 44 befinden sich in "zeitlicher Synchronizität" der Abarbeitung der beiden Aus¬ führungssysteme (Steuerroutine und Simulation) , das heißt das Simulationsmodell wird im gleichen Zeitraster ausgeführt wie der SPS-Steuercode . Des Weiteren arbeitet das Simulationsmo- dell mit inhaltlich konsistenten Daten (Datenpaket 48) . Auch die von dem Simulationsmodell an den Steuercode übermittelten Daten (im Speicherbereich 50) sind konsistent.
Im Folgenden wird erläutert, wie durch die Prozessoreinrich- tung 40 auf der Grundlage des Simulationsprogrammcodes 44 in dem Schritt S4 ein Betrieb der Einrichtungen der Fabrikanlage 10 simuliert wird.
Durch das der Simulation zugrundeliegende Simulationsmodell sind die Transportbänder 12, 14, 16, die Stationen 20, 22 und die Kameras 24, 26, 28 nachgebildet. Eine Position des Pro¬ zessguts 18 ist in dem Simulationsmodell durch ein Positionsintervall 52 beschrieben. Dies ermöglicht den Umgang mit möglichen Toleranzen in Eigenschaften der simulierten Größen. Anstelle einer konkreten Größe „Position" wird der Simulation also ein Intervall möglicher Positionen auf den Transportbändern 12, 14, 16 zugrundegelegt. Hierdurch werden stochastisch auftretende Einflüsse, wie zum Beispiel Reibung, in der Simu- lation abgebildet. Anstelle der beschriebenen Größe "Positi¬ on" kann auch eine Übertragung auf andere Unsicherheiten als Reibung und andere zu simulierende Prozessgrößen als die Po¬ sition erfolgen, wenn dies für die Umsetzung der Anwendung sinnvoll ist.
Auf der Grundlage von FIG 3 wird erläutert, wie das Positionsintervall 52 für die möglichen Positionen des Prozessguts 18 mit der (tatsächlichen) Position des Prozessguts 18 syn- chronisiert wird. Dazu sei beispielhaft angenommen, dass das Prozessgut 18 auf dem Transportband 12 den Erfassungsbereich 30 der Kamera 16 passiert. Ein entsprechendes Signal der Ka¬ mera 16 wird von der SPS 38 empfangen und in dem Datenpaket 48 an den Simulationsprogrammcode 44 übergeben. Nun wird eine Schnittbildung des Positionsintervalls 52 mit dem Erfassungs¬ bereich 30 der ebenfalls in dem Simulationsmodell nachgebil¬ deten Kamera 16 durchgeführt. Ist die Schnittmenge nicht leer, so wird das Positionsintervall 52 in dem Simulationsmo¬ dell durch ein neues Positionsintervall 54 ersetzt, dessen Grenzen denjenigen des aktuell durchfahrenden Erfassungsbereichs 30 entsprechen.
Bei einem Start der Simulation sieht die Parametrisierung des Simulationsmodells vor, vorbestimmte feste Grenzen für be- stimmte Größen zu ermitteln. Das Positionsintervall 52 stellt ein entsprechendes Ausgangsintervall dar, das dem Prozessgut 18 beim Start der Simulation zugeordnet wurde. Das Ausgangs¬ intervall wurde in einer Initialisierungsphase der SPS 38 nach deren Installation in der Fabrikanlage 10 bestimmt. Im Falle von Materialflusssystemen mit vereinzelbaren Transportgütern, wie hier dem Prozessgut 18, wurde folgende Modellie¬ rung durchgeführt.
Die durch die Transportbänder 12, 14, 16 gebildeten Trans- portwege oder Transportstrecken sind in Kontrollabschnitte Kl, K2, K3 aufgeteilt. Die Enden jeweils zweier Kontrollabschnitte sind dabei miteinander verbunden, d. h. ein Austritt aus einem der Kontrollabschnitte ist der Eintritt in den an- grenzenden Kontrollabschnitt. Die Grenzen der Kontrollab¬ schnitte Kl, K2, K3 sind durch die Sensoren der Fabrikanlage 10, d. h. die Kameras 24, 26 und 28, festgelegt. Mit anderen Worten ist der Austritt und der Eintritt eines Prozessguts durch die Signaländerung eines Sensors kenntlich gemacht. Ei¬ ne bevorzugte Variante stellen geschlossene Transportpfade dar .
Zum Bilden der Ausgangsintervalle für die einzelnen Trans- portbänder 12, 14, 16 wurde ein einzelnes Transportgut wie¬ derholt und unter deterministisch identischen Bedingungen auf den Transportbändern 12, 14, 16 durch in dem Simulationsmo¬ dell zu modellierende Kontrollabschnitte Kl, K2, K3 transpor¬ tiert. Jede Messerfahrt erzeugte dabei eine charakteristische Signalfolge der Kameras 24, 26, 28 und weiterer, nicht darge¬ stellter Sensoren. Es wurden - bei gegebenen Soll- Transportgeschwindigkeiten - pro vergleichbarer Durchfahrt die Signaländerungen der auf der Strecke liegenden Sensoren mit Zeitstempeln aufgezeichnet. Basierend auf den derart auf- gezeichneten Signaländerungen wurden dann Positionsintervalle der Transportgüter kontrollabschnittsweise berechnet und in das Simulationsmodell übertragen.
Durch die daraus gebildeten Ausgangsintervalle werden sto- chastisch auftretende Einflüsse, wie zum Beispiel Reibung, in dem Simulationsmodell nachgebildet. In gleicher Weise wurden für andere Parameter als die Positionen der Prozessgüter ent¬ sprechende Ausgangsmengen möglicher Parameterwerte ermittelt. Ein Ausgangsintervall umfasst dabei all diejenigen Positio- nen, die ein Prozessgut in einem ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage aufweisen kann. Durch die Verwendung von Positionsin¬ tervallen ist die Möglichkeit gegeben, auch in Anlagen mit diskretem Materialflusssystem Größen zu simulieren, die Unsi¬ cherheiten ausgesetzt sind. Hierdurch werden falsch-negative Fehlermeldungen verhindert.
Anhand von FIG 4 ist im Folgenden erläutert, wie in dem Simu¬ lationsmodell mögliche Positionen von Prozessgütern 56, 58 bestimmt werden, nachdem diese die Weiche 36 passiert haben. Bei der Fabrikanlage 10 befindet sich unmittelbar hinter der Weiche 36 weder an dem Transportband 12 noch an dem Transportband 16 eine Kamera oder ein anderer Sensor zum Erfassen einer Position der Prozessgüter 56, 58. Für das in FIG 4 gezeigte Beispiel sei angenommen, dass das Prozessgut 56 die Weiche 36 gerade passiert hat und dabei von der Weiche 36 von dem Transportband 14 auf das Transportband 12 umgeleitet wur¬ de. Weiterhin gelte für das gezeigte Beispiel, dass während der Umschaltung der Weiche 36 das Positionsintervall des Pro¬ zessguts 56 im Simulationsmodell eine größere Ausdehnung besitzt als der Erfassungsbereich der Weiche 36. In dem Simula¬ tionsmodell wird nun zunächst für jeden möglichen Weg, den das Prozessgut 56 nach dem Passieren der Weiche 36 entweder auf dem Transportband 12 oder dem Transportband 16 nehmen kann, ein Positionsintervall 60, 62 erzeugt. Die Positionsin¬ tervalle 60, 62 bilden zusammen eine Menge möglicher Positio¬ nen des Prozessguts 56 in der Fabrikanlage 10. Das Prozessgut 58 wurde von der Weiche 36 auf das Transportband 16 geleitet. Wie im Falle des Transportguts 56 wurde für das Prozessgut 58 nach Passieren der Weiche 36 für jeden mög¬ lichen Transportweg zunächst ein eigenes Positionsintervall 64, 68 gebildet. Das Prozessgut 58 befindet sich gerade in einem Erfassungsbereich 70 einer Kamera 72. In dem Schritt S4 wird deshalb durch Bilden einer Schnittmenge aus dem Erfas¬ sungsbereich 70 und der Menge der möglichen Positionen, d. h. der beiden Positionsintervalle 64, 68, ein neues Positionsin¬ tervall 74 für das Prozessgut 58 gebildet. Das Positionsin- tervall 64 wird dabei in dem Simulationsmodell vollständig gelöscht .
Anhand von FIG 5 ist im Folgenden erläutert, wie in dem
Schritt S4 der Simulation ein Abweichen eines Verhaltens der Fabrikanlage 10 von einem Anlagenreferenzverhalten erkannt wird. Das Anlagenreferenzverhalten ist durch all diejenigen Betriebszustände definiert, die mit Bezug auf eine Gesamtan- lageneffektivität als wünschenswert oder ordnungsgemäß einge- stuft wurden. Für das in FIG 5 gezeigte Beispiel sei angenom¬ men, dass das Prozessgut 18 von dem Transportband 14 gerade durch den Erfassungsbereich 32 der Kamera 26 transportiert wird. Durch die Kamera 26 wird ein entsprechendes Sensorsig- nal erzeugt und an die SPS 38 übertragen.
In dem Simulationsmodell haben sich durch vorangegangene Si¬ mulationsschritte Werte für das Positionsintervall 52 des Prozessguts 18 ergeben, durch die sich ausschließlich mögli- che Positionen des Prozessguts 18 ergeben, die in Förderer¬ richtung F des Transportband 14 gesehen bereits hinter dem Erfassungsbereich 32 liegen. Ein Grund für das zurückbleiben des Prozessguts 18 hinter dem durch das Simulationsmodell be¬ schriebenen Positionsintervall 52 liegt darin, dass das Pro- zessgut 18 für einige Zeit an einer Wandung hängengeblieben ist, durch welche das Prozessgut 18 auf dem Transportband 18 gehalten wird. Ein anderer Grund kann ein Stau von Prozessgü¬ tern auf dem Transportband 14 sein. Diese Effekte wurden wäh¬ rend der Initialisierung in dem Simulationsmodell nicht be- rücksichtigt und sind auch nicht in der Fabrikanlage 10 er¬ wünscht .
In dem Schritt S4 wird durch die Prozessoreinrichtung 40 er¬ kannt, dass die Schnittmenge aus dem Erfassungsbereich 32 und dem Positionsintervall 52 leer ist. Dies deutet darauf hin, dass die Fabrikanlage 10 nicht wie erwünscht funktioniert. In dem Schritt S5 wird deshalb ein Signal erzeugt, dass von der Prozessoreinrichtung 40 an eine (in Fig. 2 nicht dargestell¬ te) Anzeigeeinrichtung übertragen wird, welche die Fehlfunk- tion der Fabrikanlage 10 einer Person anzeigt, welche den Be¬ trieb der Fabrikanlage 10 überwacht.
Falls erkannt z. B. wird, dass sich Prozessgüter auf einem Transportband stauen oder dass vergleichbare, nicht auf einen Defekt einer Einrichtung zurückzuführende, sich selbst ausre¬ gulierende Abweichungen vom Anlagenreferenzverhalten vorlie¬ gen, kann auch vorgesehen sein, Einrichtungen der Anlage vo¬ rübergehend in einen Betriebsmodus zu schalten, in welchem sie weniger Energie verbrauchen. So kann z. B. die Trans¬ portgeschwindigkeit des Transportbands 14 verringert werden, bis der Stau abgebaut ist. In FIG 6 ist noch einmal die SPS 38 gezeigt, in deren Prozes¬ soreinrichtung 40 der Steuerprogrammcode 42 und der Simulati¬ onsprogrammcode 44 gespeichert sind. Die beiden Programmcodes 42, 44 stammen aus einem Entwicklungssystem 76 mit einer SPS- Entwicklungsumgebung 78. Diese ist in einen Entwicklungsteil 80 für SPS-Steuercode oder PLC-Code (PLC - Programmable Logic Controller) und einen Modellierungsteil 82 zum Entwerfen ei¬ nes Simulationsmodells aufgeteilt. Eine Bedienperson hat mit¬ tels der Entwicklungsumgebung 78 durch Eingeben eines ent¬ sprechenden Quellcodes sowohl die Steuerroutine als auch das Simulationsmodell festgelegt. Anschließend wurde durch die
SPS-Entwicklungsumgebung 78 auf der Grundlage der Quellcodes ein Binärcode für den Steuerprogrammcode 42 und ein weiterer Binärcode für den Simulationsprogrammcode 44 erzeugt. Beide Binärcodes sind von der Prozessoreinrichtung 40 ausführbar. Die beiden Binärcodes wurden schließlich von dem Entwick¬ lungssystem 76 in den Speicher der Prozessoreinrichtung 40 übertragen .
Bei dem Simulationsprogrammcode 44 kann vorgesehen sein, dass durch ihn von der Prozessoreinrichtung 40 Informationen aus der Simulation an andere Komponenten der Anlage, wie zum Bei¬ spiel einem Melde- bzw. SCADA-System 84 (SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition) übertragen werden. Die Übertra¬ gung kann mithilfe eines Feldbusses 86 erfolgen. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass durch das Meldesystem 84 auf einem Bildschirm 88 die bereits beschriebene Fehlermeldung angezeigt wird, falls sich bei dem Bilden einer Schnittmenge eines Erfassungsbereichs mit einem Positionsintervall eine leere Menge ergibt (vgl. das FIG 5 zugrundeliegende Bei- spiel) . Durch die Beispiele ist gezeigt, wie sich folgende Vorteile für die Automatisierungstechnik in einem Fabrikbetrieb erge¬ ben :
Eine Diagnose einer Fabrikanlage erfordert die Erkennung di¬ agnoserelevanter Ereignisse. Diese sind anhand von Abweichun¬ gen vom Anlagenreferenzverhalten (d. h. dem gewünschten Ver¬ halten) zu erkennen. Mittels des parallel und synchron lau¬ fenden Simulationsmodells kann in jedem SPS-Zyklus überprüft werden, ob der reale Anlagenzustand (Sensor-/Aktordaten, Mer¬ kervariablen und dergl . ) dem simulierten Anlagenzustand ent¬ spricht. Abweichungen werden noch im selben SPS-Zyklus er¬ kannt und können gemeldet werden. Aufwändige Synchronisati¬ onsmechanismen aufgrund unterschiedlicher Zeitbasen werden vermieden. Die Ergebnisse stehen praktisch verzögerungsfrei zur Verfügung. Des Weiteren bietet der Einsatz der Simulation den Vorteil, nicht mehr anderweitige Mechanismen zur Diagnose aufwändig direkt in den SPS-Code zu integrieren zu müssen (zum Beispiel mittels Überwachungstimern an jedem zu überwa¬ chenden Sensor) , was letztlich auch die Fehleranfälligkeit reduziert .
Außerdem wird ein robuster und fehlertoleranter Betrieb er¬ möglicht. Der robuste Betrieb hat zum Ziel, ausgefallene oder ausfallende Sensorik, aber auch beispielsweise unzuverlässige Sensorwerte, zeitweise zu ersetzen. Das Simulationssystem kann derartige Daten liefern (Soft-Sensor) . Somit ist es mög¬ lich, beispielsweise in einem Transportsystem, eine ausfal¬ lende Detektion von Transportgütern zeitweise zu ersetzen und den Betrieb aufrechtzuerhalten. Der Ersatz der relevanten Signale erfolgt transparent, sofern das Simulationsmodell zu Beginn des SPS-Zyklus ausgeführt wird. Mit anderen Worten kann in dem Steuerprogrammcode nicht erkannt werden, dass ein Signal ersetzt wurde. Das Simulationssystem kann jedoch eine Meldung an ein Meldesystem generieren. Des Weiteren arbeitet das System fehlertolerant, da die auftretenden Unsicherhei¬ ten, zum Beispiel tolerable Reibung, durch die vorher be¬ stimmten Intervalle implizit mitberücksichtigt werden. Auf der Grundlage der Ermittlung des Betriebszustands in dem Schritt S5 der Simulation kann somit ein Soft-Sensor gebildet werden. Der Soft-Sensor dient als zusätzlicher Datenlieferant für die Steuerung. An einem Transportsystem kann zum Beispiel eine Stauberechnung durchgeführt werden, indem der Abstand zwischen den einzelnen Prozessgütern in jedem SPS-Zyklus be¬ rechnet wird und in Abhängigkeit von im Simulationsmodell an¬ zugebender Schwellwerte (wie etwa "minimaler Abstand: 10 mm", "Zahl gestauter Prozessgüter: 5") der Steuerung ein Stausig¬ nal zur Verfügung gestellt wird. Diese kann sodann beispiels¬ weise die Bandgeschwindigkeit zur Energieeinsparung drosseln. Im Weiteren ist es auch möglich, dass die Simulation über ei¬ nen bestimmten Zeitraum mögliche Staupotenziale erkennt und somit durch ein Leitsystem Handlungsalternativen hinsichtlich der Wegewahl ermittelt werden können. Auch dieser Anwendungs¬ fall profitiert von der hohen Dynamik der vorgeschlagenen Lö¬ sung .
Insgesamt steigt das Einsatzpotenzial von Simulationen in der Automatisierungstechnik während des Fabrikbetriebs erheblich, da bisher sowohl die Synchronisation als auch die Kommunika¬ tion zwischen einer Anlagensteuerung und einer Simulation ei¬ nes Betriebs der Anlage nicht in dem durch die Erfindung er¬ möglichten Maße gegeben war.
Bezugs zeichenliste
10 Fabrikanlage
12, 14, 16 Transportband
18, 56, 58 Prozessgut
20, 22 Station
24, 26, 28, Kamera
30, 32, 34, Erfassungsbereich
36 Weiche
38 SPS
40 Prozessoreinrichtung
42 Steuerprogrammcode
44 Simulationsprogrammcode
46 zyklischer Aufruf
48 Datenpaket
50 Speicherbereich
52, 54,
60 bis 68, Positionsintervall
76 Entwicklungssystem
78 SPS-Entwicklungsumgebung 80 PLC-Entwicklungsteil 82 Modellierungsteil
84 Meldesystem
86 Feldbus
88 Bildschirm
F Förderrichtung
Kl, K2, K3 Kontrollabschnitte
Sl bis S7 Schritt

Claims

Patentansprüche
1. Steuervorrichtung (38) für eine Fabrikanlage (10), mit ei¬ ner Steuereinheit (42) zum Steuern von Einrichtungen (12, 14, 16, 20, 22, 24, 26, 28, 36) der Fabrikanlage (10) sowie mit einer Simulationseinrichtung (44) zum Simulieren eines Betriebs der Einrichtungen (12, 14, 16, 20, 22, 24, 26, 28, 36), wobei die Steuereinheit (42) dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Steuerroutine (S6, S7) zum Steuern der Einrich- tungen in einem Zeitraster aus aufeinanderfolgenden Zeitab¬ schnitten wiederholt auszuführen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Simulationseinrichtung (44) dazu ausgelegt ist, den Be¬ trieb der Einrichtungen synchron zu dem Zeitraster für die einzelnen Zeitabschnitte zu simulieren.
2. Steuervorrichtung (38) nach Anspruch 1, bei welcher die Steuereinrichtung (42) dazu ausgelegt ist, die Steuerroutine innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 100 ms, bevorzugt weniger als 20 ms, auszuführen.
3. Steuervorrichtung (38) nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Prozessoreinrichtung (40), welche dazu ausgelegt ist, sowohl einen Steuerprogrammcode (42) der Steuereinheit als auch ei- nen Simulationsprogrammcode (44) der Simulationseinrichtung auszuführen .
4. Steuervorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, welche dazu ausgelegt ist, das Ausführen der Steuer- routine (S6, S7) in einem Zeitabschnitt und das zu diesem
Zeitabschnitt gehörige Simulieren des Betriebs der Einrich¬ tungen in diesem Zeitabschnitt zeitlich nacheinander auszu¬ führen .
5. Verfahren zum Steuern von Einrichtungen einer Fabrikanla¬ ge, bei welchem mittels einer Steuereinheit wiederholt eine Steuerroutine (S6, S7) ausgeführt wird, gemäß welcher in Ab¬ hängigkeit von einem Sensorsignal wenigstens eines Sensors (24, 26, 28) an wenigstens einer der Einrichtungen ein Steu¬ ersignal erzeugt wird, wobei durch das wiederholte Ausführen
(46) der Steuerroutine ein Zeitraster aus aufeinanderfolgen¬ den Zeitabschnitten vorgegeben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels einer Simulationseinrichtung (44) ein Betrieb der Einrichtungen synchron zu dem Zeitraster simuliert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Sensorsignal des wenigstens einen Sensors (24, 26, 28) an die Simulations¬ einrichtung (44) übertragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem ein Ergebnis (50) der Simulation, durch welche der Betrieb der Einrichtun- gen für einen Zeitabschnitt simuliert wurde, an die Steuer¬ einheit (42) übertragen wird.
8. Verfahren zum Überwachen eines Betriebs von Einrichtungen einer Fabrikanlage (10), bei welchem durch eine Simulations- einheit (44) ein Aufenthaltsort eines in der Fabrikanlage be¬ findlichen Prozessguts (18, 56, 58) durch eine Menge (52, 54, 60, 62, 64, 68, 74) möglicher Aufenthaltsorte beschrieben wird .
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem jedem der möglichen Aufenthaltsorte in der Menge eine Aufenthaltswahrscheinlich¬ keit zugeordnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem durch einen Sensor (24, 26, 28) der Fabrikanlage (10) ein Sensorsignal erzeugt wird, falls sich das Prozessgut (18, 56, 58) in einem Erfassungsbereich (30, 32, 34, 70) des Sensors (24, 26, 28) befindet, und das Signal durch die Simulationseinheit (44) empfangen und eine neue Menge (54, 74) möglicher Aufent- haltsorte des Prozessguts durch Bilden einer Schnittmenge aus der bisherigen Menge (52, 64, 68) von möglichen Aufent¬ haltsorten und einer Menge der von dem Erfassungsbereich (30, 32, 34, 70) erfassten Orte gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem für den Fall, dass das Bilden der Schnittmenge eine leere Menge ergibt, ei¬ ne Fehlfunktion der Fabrikanlage angezeigt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welchem in der Fabrikanlage (10) wenigstens zwei unterschiedliche Transportwege (12, 16) zum Transportieren des Prozessguts (56, 58) vorgesehen sind und bei welchem durch die Simulati- onseinheit (44) bei einer Simulation eines Transports des
Prozessguts (56, 58) Orte entlang wenigstens zweier der mög¬ lichen Transportwege (12, 16), bevorzugt aller möglichen Transportwege, in der Menge (60, 62, 64, 68) der möglichen Aufenthaltsorte berücksichtigt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei welchem die Einrichtungen der Fabrikanlage (10) durch eine Steuereinheit (42) gesteuert werden und durch die Simulationseinrich¬ tung (44) eine Information über wenigstens einen möglichen Aufenthaltsort aus der Menge der möglichen Aufenthaltsorte an die Steuereinheit (42) übermittelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei welchem eine Ausgangsmenge (52) möglicher Aufenthaltsorte des Pro- zessguts (18) ermittelt wird und hierzu in einer Initialisie¬ rungsphase der Simulationseinrichtung (44) ein Probeprozess¬ gut wiederholt und jeweils unter gleichen Betriebsbedingungen der Fabrikanlage (10) in einen vorbestimmten Kontrollab¬ schnitt (Kl, K2, K3) gebracht, dabei jeweils ein sich erge- bender Aufenthaltsort des Probeprozessguts erfasst und jeder erfasste Aufenthaltsort der Ausgangsmenge (52) als möglicher Aufenthaltsort hinzugefügt wird.
15. Verfahren zum Erstellen einer Steuerroutine für eine Steuervorrichtung (38) einer Fabrikanlage (10), bei welchem eine Beschreibung für eine Steuerroutine empfangen und daraus ein Steuerprogrammcode (42) erzeugt wird, welcher auf einer Prozessoreinrichtung (40) einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Beschreibung für ein Simulationsmodell der Fabrikanlage (10) empfangen und daraus ein Simulationsprogrammcode (44) erzeugt wird, welcher ebenfalls auf der Prozessoreinrichtung (40) der speicherprogrammierbaren Steuerung ausführbar ist.
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