WO2021129922A1 - Method for operating an automation system, and automation system - Google Patents

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WO2021129922A1
WO2021129922A1 PCT/EP2019/086909 EP2019086909W WO2021129922A1 WO 2021129922 A1 WO2021129922 A1 WO 2021129922A1 EP 2019086909 W EP2019086909 W EP 2019086909W WO 2021129922 A1 WO2021129922 A1 WO 2021129922A1
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formal
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educt
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PCT/EP2019/086909
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German (de)
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Andrés Botero Halblaub
Jan Götz
Tim Schenk
Jan Christoph Wehrstedt
Markus Michael Geipel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/418Total 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], computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/41845Total 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], computer integrated manufacturing [CIM] characterised by system universality, reconfigurability, modularity
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B19/418Total 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], computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/41885Total 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], computer integrated manufacturing [CIM] characterised by modeling, simulation of the manufacturing system
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an automation system and an automation system.
  • Automation systems are known which are suitable for the automated manufacture of products, such as robot factories for example. Such factories can be set up to manufacture different products.
  • a production plan must often be specified explicitly for each individual product. The production plan includes all the steps necessary to manufacture the product, starting with raw materials or semi-finished products through certain intermediate stages or intermediate products to the finished product.
  • the factory's production facilities have certain capabilities. Based on the capabilities, production steps can be assigned to production systems.
  • Such automation systems do not have a high degree of flexibility, since, for example, products for the production of which new skills are necessary cannot be produced automatically, although one of the production systems would possibly be able to carry out the required skill. Rather, an operator of the automation system would have to implement the new capability manually, which is time-consuming and costly.
  • a method for operating an automation system which comprises at least one production plant for the automated production of a product with predetermined product properties from a number of N starting materials, with N> 1.
  • the product and each starting material can be characterized by a number of property parameters.
  • a digital twin is provided for each production plant of the automation system, a digital twin for each of the N starting materials and a digital twin for the product to be manufactured.
  • a formal skill description is generated for each production plant on the basis of the respective digital twin of the production plant, with the formal skill description showing a formal relationship between a control variable of the production plant and a manipulated variable associated with the control variable a formal language.
  • a formal educt description is generated for each of the N educts on the basis of the digital twin of the respective educt, the respective formal educt description a formal connection between the manipulated variable and the property parameters of the educt in the formal language includes.
  • a formal product description of the product is generated on the basis of the digital twin of the product, the formal product description comprising a formal relationship between the predetermined product properties and the property parameters of the product in the formal language.
  • a manufacturing specification for manufacturing the product is determined using the formal skills description, the formal educt description and the formal product description, the manufacturing specification comprising a sequence of production steps, with each of the production steps one suitable for carrying out the production step Capability of at least one production facility is assigned.
  • This method has the advantage that a manufacturing specification can also be determined for products for whose manufacture previously unknown capabilities are required, provided that the formal relationships result in a continuous link from the control variables via the manipulated variables to the property parameters.
  • the automation system is not limited to predefined capabilities of the production systems, but all conceivable capabilities can be derived from the formal capabilities description without an operator of the automation system having to make manual intervention.
  • a capability of a production plant is understood to mean, in particular, that the production plant is able to carry out an action or manipulation specified by the capability.
  • a capability has, in particular, a change of state as its objective, with the state of an educt preferably being changed during processing into the product.
  • the change in state can, however, also relate to a production plant, for example exchanging a tool on a production plant and / or changing a parameter of a production plant can be referred to as a capability.
  • the production facility can also be referred to as a production cell.
  • the automation system can also be referred to as an automated factory, robot factory or process plant.
  • the automation system can be set up to manufacture discrete products, such as mechanical and / or electrotechnical components or products, and / or to manufacture formulated products, such as chemical and / or pharmaceutical products and / or foodstuffs.
  • Educts are, for example, raw materials, blanks, individual components, semi-finished products and / or intermediate products that are suitable for further processing.
  • a digital twin is understood to mean, for example, a digital image or digital model of a real existing entity, such as a production plant, an educt or a product.
  • a digital twin can in particular have different levels of abstraction. For example, a digital twin can have a relatively high level of detail, that is to say a very detailed digital description of the respective entity, or also have a relatively low level of detail.
  • the digital twin of a production plant includes, for example, explicit functions, such as moving an object from a position A to a position B, and can also include more generally specified functions, such as an indication of all accessible positions (these can be defined explicitly or parametrically).
  • explicit functions such as moving an object from a position A to a position B
  • more generally specified functions such as an indication of all accessible positions (these can be defined explicitly or parametrically).
  • the digital twin can comprise a dynamic and / or a stationary model and / or a data-driven model of the production plant.
  • a data-driven model is understood to mean, for example, that parameter values for a parameter equation that describes a specific relationship are determined on the basis of measurement data. This can also be called a Euchung or a calibration.
  • a respective production plant can in particular comprise a number of production cells.
  • the digital twin of an educt includes, in particular, information on the characteristic property parameters of the educt. This includes, for example, information on the type of educt, on a composition of the educt, a quantity and / or geometric dimensions, as well as information on specific properties, in particular physical-chemical properties such as hardness, heat capacity, elasticity modulus, reactivity and the like, as well as biochemical Properties.
  • the digital twin of the product includes, in particular, information on the characteristic property parameters of the product and on the predetermined product properties, for example as a target specification. This includes, for example, an indication of the type of product, a composition of the product, an indication of quantity and / or geometric dimensions.
  • a predetermined product property in the form of a value of a physical measurement variable, such as a conductivity, a concentration and the like, can be contained in the digital twin.
  • a formal skill description a formal educt description or a formal product description (in the following, in unambiguous cases, only a formal description can be used, whereby the reference results from the context) is generated
  • a formal context that is contained in the respective formal description is read from the respective digital twin
  • an information contained in the digital twin is generalized and / or abstracted on the basis an indication in the digital twin
  • a general context is determined and / or retrieved from a database or the like, and the like.
  • the respective formal description can be generated automatically, for example by means of an algorithm or script, but it can also be generated by a user or operator of the automation system or a manufacturer of a production plant.
  • the formal description of the capabilities of the respective production plant includes a formal relationship, formulated in an abstract formal language, between a control variable of the production plant and a manipulated variable associated with the control variable.
  • the formal description represents a relationship between an input variable and an output variable of the production plant.
  • a control variable for example, an input current or a Input voltage or a value of an input parameter.
  • a variable that is dependent on the control variable can be considered as a manipulated variable, for example an amount of heat generated, an acceleration of a movement, forces that are caused by an acceleration, a generated luminous flux and the like.
  • the formal context therefore depends on the type and, for example, a structure or set-up of the respective production facility.
  • the formal context can also be referred to as a formal ability.
  • a relationship between an input parameter and different collection points can form a formal relationship, and a relationship between an input flow and a conveying speed can form a further formal relationship.
  • a relationship between the input current and the amount of heat generated can form the formal relationship.
  • the formal relationship preferably includes a formally logical description, in particular abstractly by means of mathematical equations, functions and / or images, of a concrete relationship between the control variable and the manipulated variable.
  • a formal relationship can also be given in the form of a table of values, for example based on a measurement of the behavior of a manipulated variable as a function of the control variable or a property parameter as a function of the manipulated variable.
  • the formal language corresponds to a syntax comprising characters, the meaning of which is clear.
  • the formal language includes operators in particular to represent the relationships between the various variables, such as the control variable and manipulated variable, and the property parameters.
  • the formal language forms a semantic.
  • the formal educt description includes, for example, a relationship between a manipulated variable of one of the production systems and one of the property parameters.
  • Property parameters can be state variables or observables, for example.
  • a heating behavior of water in the form of an equation can represent such a formal relationship, with an amount of heat supplied as a manipulated variable and a specific heat capacity of water, an amount of water and a water temperature as a property parameter.
  • Another formal context can describe the solubility (solution product) of a certain chemical compound in water, with the amount of heat supplied (indirectly via the temperature) also being the manipulated variable and the solubility being the property parameter.
  • the formal product description includes in particular a formal relationship between the predetermined product properties, such as a quantitative ratio of different substances, a temperature and / or a consistency, and the property parameters of the product, such as a composition, the temperature and / or a (statistical ) spatial distribution of components of the product.
  • the predetermined product properties such as a quantitative ratio of different substances, a temperature and / or a consistency
  • the property parameters of the product such as a composition, the temperature and / or a (statistical ) spatial distribution of components of the product.
  • the various formal descriptions and the formal relationships they contain can all be represented using the same formal language.
  • Different formal descriptions can also contain formal relationships in different formal languages, provided that the linked variables, i.e. control variable, manipulated variable and / or property parameters, are identified in such a way that they can each be assigned to the corresponding variables in the other formal descriptions.
  • the temperature can appear in a first formal context as the capital letter “T”, in a second formal context as the word “temperature” and in a third formal context as the abbreviation “Temp.”. Therefore, from a synopsis of all formal descriptions, connections between them can be found capture.
  • the formal relationships contained in the formal descriptions form a system of equations.
  • the formal descriptions can be recorded by a computing unit and interfaces between different formal descriptions of different production systems, educts and / or products can be filtered or determined.
  • An interface is, for example, the same manipulated variable or the same property parameter. Such interfaces can be determined, for example, by similarity algorithms, by a comparison of the type and / or the name and the like.
  • the formal descriptions of capabilities and formal educt descriptions of an automation system are integrated in a formal overall description.
  • This formal overall description shows, for example, which of the production facilities of the automation system can interact with other components of the automation system by means of a mechanical force.
  • an arithmetic unit can therefore determine production steps completely independently of the predefined capabilities of a production plant.
  • a manufacturing specification is therefore determined which comprises a sequence of production steps, the actual implementation of which leads to the product to be manufactured.
  • the manufacturing specification is in particular automatically determined or derived, for example based on the formal overall description and the formal product description.
  • the manufacturing specification can be referred to as a manual or a recipe.
  • the manufacturing specification is not necessarily static, but a dynamic update, for example on the basis of current measurement data, can also be provided. Furthermore, the manufacturing specification can be continued and / or updated continuously, so that, for example, changing boundary conditions can be taken into account.
  • Each of the production steps a capability of the at least one production plant that is suitable for carrying out the production step is assigned.
  • the capabilities can also include predetermined capabilities that are defined, for example, in the digital twin.
  • each production step that is contained in the manufacturing specification can itself be defined by means of a manufacturing specification.
  • complex products which have to be assembled from a large number of semi-finished products, for example, can be represented by interleaved manufacturing instructions.
  • different production systems can interact.
  • the determination of the manufacturing specification can in particular include calculating the system of equations formed by the formal relationships, for example by means of a control unit.
  • control variables can be varied in order to test or simulate the effect on the property parameters. In this respect, one can also speak of a simulated execution of the automation system.
  • a trial-and-error method can also be used, in which different control variable values or sequences can be tried out with good luck. Different combinations of starting materials can also be tried out. In this way, it can be determined with a high degree of probability whether the production of the product with the automation system is possible in principle, or whether additional production systems and / or starting materials are necessary.
  • a simple example involves mixing two liquids. The only production facility is a robotic arm with a gripper.
  • an arithmetic unit determines that a spatial distribution of the individual components must be achieved from being separate to being disordered (by mixing) in order to achieve the goal.
  • the arithmetic unit determines that this goal can be achieved by "shaking" or by "stirring", with a container containing the two liquids as a whole for shaking is gripped by the gripper and then moved back and forth, and for stirring, the gripper is immersed in the container containing the two liquids and, for example, moved in a circular manner.
  • the formal skills determined in this way are based entirely on the formal descriptions. In this example, there are thus two alternative manufacturing instructions.
  • the proposed method has the particular advantage that it is possible to produce constantly changing products without constant reprogramming of capabilities or re-parameterization of the production systems.
  • the method can also be used to design an automation system.
  • manufacture of different products is simulated on the basis of the digital twins and / or the different formal descriptions. This makes it possible to determine which skills are required or which skills could accelerate or make a manufacturing process cheaper.
  • step e) further comprises determining skills required for manufacturing the product as a function of the formal skills Product description and the formal educt description, and checking a skills database which includes known skills for the at least one production plant of the automation system, depending on the skills required.
  • the required capabilities can in particular be determined independently of the production systems. For example, it is determined here that mixing of two liquids is possible by shaking (supplying kinetic energy into the liquid via the vessel) or by stirring (supplying kinetic energy into the liquid by a stirring rod).
  • Known capabilities include both predetermined capabilities, which are based, for example, on a specific function of the production system and are predetermined by a user, operator or manufacturer of the production system down to individual parameters, as well as formal capabilities of a production system, for example with an earlier production of a product. If a predetermined "stirring" ability is present, it is possible, for example, to dispense with determining a new "shaking" ability with a production plant. This embodiment is advantageous because it is possible to fall back on already known capabilities for manufacturing the product, as a result of which the computational effort for determining new capabilities based on the formal descriptions can be reduced.
  • this includes determining a new capability for the at least one production plant of the automation system on the basis of the formal capability description and the formal educt description.
  • the determination takes place in particular automatically by a computing unit.
  • the new ability can be an ability which fulfills a purpose that has not yet been required, but can also represent an alternative to an already known ability.
  • An example of this is mixing two liquids by stirring or shaking. All skills newly determined in this way form, in particular, formal skills.
  • this includes storing the determined new capability in the capability database for the at least one production facility of the automation system.
  • this includes optimizing the manufacturing specification as a function of a predetermined optimization parameter by assigning to each of the production steps of the manufacturing specification that capability of the at least one production plant that optimally performs the respective production step with respect to the optimization parameter.
  • Optimization parameters are, for example, a production time, the energy required for production, wear and tear caused by production, material scrap occurring during production, and the like.
  • new capabilities with optimized costs can be determined in a targeted manner in relation to an optimization parameter.
  • one of steps b), c) and / or d) comprises providing a physical model and / or a chemical model as a function of the digital twin for each production facility of the automation system, the digital twin for each of the starting materials and / or the digital twin of the product, and determining the formal skills description, the formal educt description and / or the formal Product description depending on the physical model and / or chemical model provided.
  • a chemical model includes, in particular, a chemical reaction equation, such as, for example, the dissolution of hydrogen chloride in water to form hydrochloric acid.
  • the physical model and / or the chemical model can in particular be provided by an external database and can be called up from this as required.
  • formal relationships for the respective formal descriptions can be determined.
  • the physical model and / or the chemical model can in particular comprise a comparatively rough description of a real behavior of a physical or chemical variable or the course of a physical or chemical process.
  • This embodiment is advantageous when a respective digital twin contains only a small amount of information.
  • this includes simulating the physical model and / or the chemical model to determine the formal relationship between the control variable of the production plant and the associated manipulated variable, the formal relationship between the manipulated variable and the property parameters of the educts and / or the formal relationship between the predetermined product properties and the property parameters of the product.
  • this embodiment is advantageous because it allows completely new formal relationships to be determined.
  • this comprises detecting a value of at least one of the property parameters of the at least one educt and / or a value of at least one of the property parameters of the product, and producing the product in accordance with the determined manufacturing specification and as a function of the detected value.
  • This embodiment is advantageous because the manufacture of the product is monitored.
  • different sensors can be provided in order to detect values of different property parameters.
  • this comprises producing a first product from the educts by means of a first production plant of the automation system according to a first production specification and producing a second product using the produced first product as an educt by means of a second production plant of the automation system according to a second manufacturing specification.
  • the first product can also be referred to as an intermediate product and the second product as the end product.
  • This embodiment has the advantage that for a complex product that is to be produced from the starting materials using a larger number of intermediate products, the entire production process does not have to be determined at once, but that the production of each of the intermediate products is determined separately and this then chained accordingly.
  • it can be provided that for each of the production systems it is determined on the basis of the formal capabilities description whether it can produce a certain product (has the required capability) and which educts it requires for this. The required educts can then be seen as a product requirement, with each of the Product requirements like a product to be manufactured are considered. In this way, a production process for a complex product can be traced back to the existing starting materials as a chain of intermediate products.
  • the formal relationship includes an assignment of the control variable to the manipulated variable, an assignment of the manipulated variable to the property parameters of the educts and / or an assignment of the predetermined product property to the property parameters of the product in the form of an algebraic equation, a differential equation, a tensor equation, or a mapping.
  • the formal relationship is, for example, a mapping from the space of the control variables into the space of the manipulated variables or a mapping from the space of the manipulated variables into the space of the property parameters or vice versa or a mapping from the space of the predetermined product properties into the space of the property parameters.
  • a computer program product which comprises instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the proposed method.
  • a computer program product such as a computer program means, for example, can be provided or delivered as a storage medium such as a memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or also in the form of a downloadable file from a server in a network. This can be done, for example, in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
  • an automation system with at least one production plant for the automated manufacture of a product with predetermined product properties is Shafts from a number of N starting materials (El - E3), with N> 1, proposed.
  • the automation system comprises a control unit which is set up to carry out the proposed method.
  • the control unit can be implemented in terms of hardware and / or also in terms of software.
  • the control unit can be designed as a device or as part of a device, for example as a computer or as a microprocessor or as a control computer.
  • the control unit can be designed as a computer program product, as a function, as a routine, as part of a program code or as an executable object
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of an example for an automation system
  • Fig. 2 shows a schematic block diagram of an example for determining a manufacturing specification based on formal descriptions
  • Fig. 3 shows a schematic block diagram of an example for an automation system
  • Fig. 4 shows a schematic block diagram of an example of a method for operating an automation system.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an example for an automation system 100.
  • three production systems 110, 111, 112 are arranged by way of example.
  • the automation system can also have more than three or fewer than three production systems 110, 111, 112.
  • Production system 110 is configured, for example, as a robot arm with a gripper
  • production system 111 is configured, for example, as a climatic cabinet with an oven and a cooling compartment
  • production system 112 is configured, for example, as a heating plate.
  • three educts E1, E2, E3 are in stock or available in automation system 100.
  • these are water El, olive oil E2 and an emulsifier E3.
  • the automation system can also have more than three or less than three educts E1, E2, E3.
  • the automation system 100 is to be used to manufacture the product P.
  • the product P is characterized by predetermined product properties SPEC. For example, a skin cream P is to be produced.
  • a digital twin DU O, Dill, D112 is provided for each of the production systems 110, 111, 112, for example by the manufacturer of the respective production system 110, 111, 112.
  • a digital twin is also created for each of the educts E1, E2, E3 DE1, DE2, DE3 provided, for example by the supplier of the respective educt El, E2, E3.
  • a digital twin DP of the product P to be manufactured is provided. This can be done, for example, by automatically reading out the predetermined product properties SPEC, by an operator of the automation system 100 or by the customer who orders the product P.
  • a respective formal description F110, F111, F112, FEI, FE2, FE3, FP is generated on the basis of each digital twin DU O, Dill, D112, DE1, DE2, DE3, DP.
  • a control unit 105 which, for example, forms a higher-level control entity for the automation system 100, links all formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP in such a way that, for example, a coherent system of equations results.
  • a link table is created which contains all correlations between the existing control variables XI, manipulated variables X2, property parameters X3 and predetermined product properties SPEC. In this way, for example, a possibility can be found of how the product P can be produced from the existing educts E1, E2, E3 using the existing production systems 110, 111, 112.
  • control unit 105 determines a production instruction PLAN, which here comprises, for example, a sequence of three production steps PA, PB, PC that are to be processed one after the other. Below is this for the example the skin cream P explained.
  • the control unit 105 can, for example, use or employ optimization algorithms, genetic algorithms, machine learning methods, search algorithms, or algorithms from the field of satisfiability modulo theories (SMT) to determine the manufacturing specification PLAN.
  • SMT satisfiability modulo theories
  • the skin cream P to be produced consists, for example, of an emulsion with certain proportions of water E1 and olive oil E2, an emulsifier E3 being contained to stabilize the emulsion.
  • An emulsion must therefore be prepared from the three components, but no "emulsification" ability is known.
  • the control unit 105 must therefore itself determine how the emulsion can be produced on the basis of the formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP.
  • the digital twin DU O contains, for example, a maximum deflection for each axis of the robot arm 110, as well as maximum acceleration values for the movement of the arm in each of the axes.
  • the formal skills description F110 is generated, which includes, for example, a three-dimensional equation of motion as a formal relationship, with control variables XI being the motor currents for driving the respective axis and manipulating variables X2 a position, speed and acceleration of the gripper for each axis.
  • the formal skills description F110 includes a formal context for the gripper, for example a control current as the control variable XI and a physical (gripping) force as the manipulated variable X2.
  • the digital twin Dill contains, for example, a range of values with regard to the maximum and minimum temperatures that can be reached in the oven and in the freezer compartment.
  • the formal skill description Fll is generated, which, for example, shows a formal relationship between an electrical output as the control variable XI and a heating output achieved as a result (for the Oven) or cooling capacity (for the freezer compartment) as the manipulated variable X2.
  • Another formal relationship can describe, for example, a heating behavior over time (for the oven) or cooling behavior (for the ice compartment), with the heating output (for the oven) or the cooling output (for the freezer compartment) as the control variable XI and the temperature in linked to the respective area.
  • the digital twin D112 includes, for example, a function that describes a surface temperature as a function of an input parameter.
  • the input parameter is, for example, translated into a control current by means of an assignment table that corresponds to a calibration.
  • the formal skills description F112 is generated for the heating plate 112, this for example including the input parameter as a control variable XI with the surface temperature as a manipulated variable X2 in the form of the function and as a second formal relationship Input parameters as control variable XI with the assignment table for the respective control current as manipulated variable X2.
  • the digital twins DE1, DE2, DE3 of the educts El, E2, E3 contain, for example, a chemical sum formula and an indication of the state of aggregation under normal conditions for the respective educt El, E2, E3. It can also contain information such as a package size. Based on this, the formal educt descriptions FEI, FE2,
  • FE3 is generated which, for example, includes values for physical quantities such as a heat capacity, a viscosity, a state diagram and the like in a formal context, for example a heating behavior or a flow behavior.
  • a supplied amount of heat is linked as a manipulated variable X2 and the temperature as the property parameter X3 via the formal relationship.
  • the formal relationships thus include in particular special physical equations that determine the behavior of the respective educt as a function of influencing variables and Describe environmental conditions.
  • chemical reaction equations can exist as a formal relationship.
  • the formal relationships can in particular be provided by an external unit, for example a server or a database.
  • the digital twin DP of the product P contains in particular the predetermined product properties SPEC. Based on this, the formal description FP is generated. This contains, for example, in the form of a formal relationship, an assignment of a property parameter X3, for example quantitative ratios of substances contained in the product P, to a value determined by the predetermined product properties SPEC.
  • the formal descriptions can be generated fully or partially automatically, but they can also be generated fully or partially manually.
  • a formal description that has been generated once is preferably stored, for example together with the respective digital twin, so that it does not have to be continuously generated anew.
  • the formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP are transferred to the control unit 105, which determines a manufacturing specification PLAN for manufacturing the product P from the educts E1, E2, E3 with the existing production systems 110, 111, 112 .
  • the product P is an emulsion of water El and olive oil E2, which is stabilized by the emulsifier E3. Since the ability to "emulsify" or a production specification for producing an emulsion are not known, based on the formal educt descriptions FEI, FE2, FE3 and the formal product description FP, it is determined that the preparation of the emulsion must be carried out separately lying liquids must be mixed.
  • the control unit 105 can thus determine a plurality of manufacturing regulations PLAN which differ in terms of individual production steps PA, PB, PC.
  • An exemplary production specification PLAN could include the following production steps PA, PB, PC: filling PA a vessel with water E1, olive oil E2 and emulsifier E3 according to their proportions in the emulsion by means of the robot arm 110; Heating PB the liquid mixture in the vessel to a predetermined temperature by means of the heating plate 112; and shaking PC of the closed vessel by means of the robot arm 110 until the emulsion is produced by the mixing of the liquids achieved.
  • the emulsion can therefore be produced with the robot arm 110 and the heating plate 112, although an "emulsifying" ability is not known.
  • Fig. 2 shows a schematic block diagram of an example for determining a manufacturing specification PLAN on the basis of formal descriptions F110, FEI, FP.
  • a control variable XI in this case a control current
  • a manipulated variable X2 in this case an amount of heat generated
  • property parameters X3 in this case the temperature of educt El (see Fig. 1) and product P (see Fig. 1), given as an example.
  • the product P is hot water, the temperature being fixed at an interval in the form of the predetermined product properties SPEC.
  • This temperature interval is given in the formal product description FP in the form of two inequalities, where the actual temperature T of the product P represents the property parameter X3 and the predetermined specification SPEC by a lower limit Tmin (e.g. 80 ° C) and a upper limit Tmax (e.g. 105 ° C) is included.
  • the educt El is, for example, water.
  • the formal educt description FEI contains, as a formal relationship, an equation which sets the temperature T as the property parameter X3 in relation to the supplied amount of heat Q as the manipulated variable X2.
  • TO is the starting temperature of the water El
  • c is the specific heat capacity of water
  • m is the mass of the water to be heated El.
  • the production facility 110 (see FIG. 1) is, for example, a heating plate.
  • the formal capability description F110 of the heating plate 110 contains an equation as a formal relationship which represents a generated amount of heat Q as the manipulated variable X2 as a function of the control current I (t), which is variable over time, as the controlled variable XI.
  • U denotes a defined control voltage
  • tO is a starting point in time
  • tl is an end point in time for energizing the heating plate 110.
  • the control unit 105 relates the formal relationships to one another, that is, it links the same variables with one another.
  • the control unit 105 recognizes in particular that the water El can be heated by the heating plate 110, the manipulated variable X2 (the amount of heat Q) corresponding to one another in the formal context of the heating plate 110 and the water El.
  • the control unit 105 carries out a simulation, which is shown in FIG. 2 by two diagrams.
  • the left diagram shows a time profile of the control current XI for the heating plate 110.
  • the control current I is set to the maximum value Imax, which leads to a heat supply to the water El and thus to an increase in temperature.
  • the right diagram shows the time course of the temperature X3 of the water El.
  • the two limit values Tmin, Tmax known from the formal product description FP are also entered here.
  • the temperature X3 of the water El it increases starting from the starting value T0, for example linearly, as long as the control current XI is constant.
  • the temperature X3 is above the lower limit value Tmin, which is why the control current XI is switched off.
  • the product P is thus produced from the educt E1.
  • control unit 105 determines the manufacturing specification PLAN, which includes a single production step PA, which causes the heating of the water El.
  • Fig. 3 shows a schematic block diagram of an example for an automation system 100.
  • the automation system 100 comprises three production systems 110, 111,
  • control unit 105 is connected to a first database 101, which stores the digital twins DU O, Dill, D112 of the production systems 110, 111, 112 arranged in the automation system 100 and makes them available on request. Furthermore, the control unit 105 is connected to a second database 102 which stores the digital twins DE1, DE2, DE3 of the educts E1, E2, E3 (see FIG. 1) present in the automation system 100 and makes them available on request.
  • Formal descriptions Fl10, Fl11, Fl12, FEI, FE2, FE3 are generated based on the digital twins DU O, Dil, D112, DE1, DE2, DE3.
  • F112, FEI, FE2, FE3 are contained in the digital twins DU O, Dil, D112, DE1, DE2, DE3 or are stored together with them in the respective database 101, 102.
  • An order for a product P (see FIG. 1) is fed to the control unit 105 in the form of a digital twin DP of the product P.
  • the control unit 105 first determines whether all necessary educts E1, E2, E3 are available for the automatic production of the product P and whether the necessary skills are known. To this end, the control unit 105 queries a connected skills database 120.
  • the capabilities database 120 stores, for example, all of the capabilities of the production systems 110, 111, 112 before certain capabilities and, in addition, all of the formats newly determined over time. len skills. If all the required skills are known in the skills database 120, the control unit 105 determines a manufacturing specification PLAN for the product P from the known skills. Otherwise, the control unit 105 tries, as described above with reference to FIGS. 1 or 2, based on the formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP to determine a new formal capability in order to automatically manufacture the product P to make possible with the available means.
  • Fig. 4 shows a schematic block diagram of an example of a method for operating an automation system 100 (see Fig. 1 or 3).
  • the automation system 100 comprises at least one production plant 110,
  • 111, 112 for the automated production of a product P (see Fig. 1) with predetermined product properties SPEC (see Fig. 1 or 2) from a number of N starting materials E1, E2, E3 (see Fig . 1), where N> 1.
  • the product P and each educt El, E2, E3 can be characterized by a number of property parameters X3 (see Fig. 1 or 2).
  • a digital twin DU O, Dill, D112 for each production plant 110, 111, 112 of the automation system 100, a digital twin DE1, DE2, DE3 (see Fig. 1 or 3 ) for each of the N educts E1, E2, E3 and a digital twin DP (see Fig. 1 or 3) of the product P to be produced is provided.
  • a formal skill description F110, Fll, F112 (see FIGS. 1 - 3) is created for each production plant 110, 111, 112 on the basis of the respective digital twin DU O, Dill, D112 of the production plant 110, 111, 112 is generated, the formal ability description F110, Fll, F112 a formal relationship between a control variable XI (see FIG. 1 or 2) of the production plant 110, 111, 112 and one of the control variable XI associated manipulated variable X2 (see Fig. 1 or 2) in a formal language.
  • a formal educt description FEI, FE2, FE3 (see Fig. 1 - 3) for each of the N educts El, E2, E3 on the basis of the digital twin DE1, DE2, DE3 of the respective educt El, E2, E3 generated, the respective formal educt description FEI, FE2, FE3 comprising a formal relationship between the manipulated variable X2 and the property parameters X3 of the educt El, E2, E3 in the formal language.
  • a formal product description FP (see FIGS. 1-3) of the product P is generated on the basis of the digital twin DP of the product P, the formal product description FP showing a formal relationship between the predetermined product properties SPEC and the property parameters X3 of the product (P) in the formal language.
  • a manufacturing specification PLAN (see FIGS. 1 - 3) for manufacturing the product P using the formal skill description F110, Fll, F112, the formal educt description FEI, FE2, FE3 and the formal product Description FP determined, the manufacturing regulation PLAN comprising a sequence of production steps PA, PB, PC (see Fig. 1 or 2), each of the production steps PA, PB, PC being one suitable for carrying out the production step PA, PB, PC Capability of the at least one production plant 110, 111, 112 is assigned.
  • Further steps of the method can include an optimization of a production instruction PLAN and / or a production step PA, PB, PC as a function of an optimization parameter. For example, an increased temperature could be used for the shortest possible production time, but this would mean a higher energy consumption.
  • the method can also be used to simulate an automation system 100. For example, by means of such a simulation, an optimal composition of the automation system 100 with regard to the equipment with production systems 110, 111, 112 can be determined. Furthermore, an extension of an existing automation system 100 can be simulated with an additional production plant, on the basis of which a better purchase decision for the operator of the automation system 100 is possible.
  • each individual production plant is viewed as an automation system and is operated as described above.
  • Each production plant can thus manufacture products from educts independently of the other production plants. If a complex product is to be manufactured, a chain of production steps carried out by different production plants may be necessary.
  • the production plants in the association can, for example, “order” an educt that corresponds to a product from another production plant. For example, a production plant for making a soup requires hot water, which it requests (orders) from a production plant for heating liquids, which in turn requests the requested amount of water from a bottling plant for water. In this way, the association of production systems can automatically produce complex products in a very flexible manner. List of reference symbols

Abstract

The invention relates to a method for operating an automation system (100), which comprises at least one production plant (110 - 112) for the automatic production of a product (P) with predefined product properties (SPEC) from a number of N reactants (E1 - E3), where N > 1. Formal descriptions are generated in a formal language based on digital twins (D110 - D112) of the production plants (110 - 112), digital twins (DE1 - DE3) of the reactants (E1 - E3) and a digital twin (DP) of the product (P). A manufacturing instruction (PLAN) is determined based on the formal descriptions. The advantage of the method is that flexible and automated production of different products is possible.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betreiben eines Automatisierungssystems und Au tomatisierungssystem Method for operating an automation system and automation system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrei ben eines Automatisierungssystems und ein Automatisierungs system. The present invention relates to a method for operating an automation system and an automation system.
Es sind Automatisierungssysteme bekannt, die zum automati sierten Herstellen von Produkten geeignet sind, wie bei spielsweise Roboterfabriken. Derartige Fabriken können dazu eingerichtet sein, unterschiedliche Produkte herzustellen. Häufig ist hierbei für jedes einzelne Produkt explizit ein Produktionsplan anzugeben. Der Produktionsplan umfasst alle zur Herstellung des Produkts notwendigen Schritte, ausgehend von Rohmaterialien oder Halbzeugen über bestimmte Zwischen stufen oder Zwischenprodukte bis hin zum fertigen Produkt.Automation systems are known which are suitable for the automated manufacture of products, such as robot factories for example. Such factories can be set up to manufacture different products. A production plan must often be specified explicitly for each individual product. The production plan includes all the steps necessary to manufacture the product, starting with raw materials or semi-finished products through certain intermediate stages or intermediate products to the finished product.
Die Produktionsanlagen der Fabrik weisen beispielsweise be stimmte Fähigkeiten auf. Auf der Basis der Fähigkeiten kann eine Zuordnung von Produktionsschritten zu Produktionsanlagen vorgenommen werden. Derartige Automatisierungssysteme weisen keine hohe Flexibilität auf, da beispielsweise Produkte, zu deren Produktion neue Fähigkeiten notwendig sind, nicht auto matisch hergestellt werden können, obwohl eine der Produkti onsanlagen möglicherweise in der Lage wäre, die benötigte Fä higkeit durchzuführen. Vielmehr müsste ein Betreiber des Au tomatisierungssystems die neue Fähigkeit manuell implementie ren, was zeit- und kostenintensiv ist. For example, the factory's production facilities have certain capabilities. Based on the capabilities, production steps can be assigned to production systems. Such automation systems do not have a high degree of flexibility, since, for example, products for the production of which new skills are necessary cannot be produced automatically, although one of the production systems would possibly be able to carry out the required skill. Rather, an operator of the automation system would have to implement the new capability manually, which is time-consuming and costly.
Eine individuelle Herstellung geringer Stückzahlen einzelner Produkte, die sich jeweils unterscheiden, wie bei make-to- order vorgesehen, ist daher nicht effizient möglich. Weiter hin ist eine flexible Anpassung der Zielorientierung bei der Produktion nicht umsetzbar, da die Optimierung der Produktion im Hinblick auf einzelne Parameter von einer Vielzahl von dy namischen Größen abhängen kann. Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben ei nes Automatisierungssystems vorzuschlagen. An individual production of small numbers of individual products, which differ in each case, as provided in the case of make-to-order, is therefore not efficiently possible. Furthermore, flexible adaptation of the target orientation in production cannot be implemented, since the optimization of production with regard to individual parameters can depend on a large number of dynamic variables. Against this background, it is an object of the present invention to propose an improved method for operating an automation system.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Automatisie rungssystems, welches wenigstens eine Produktionsanlage zum automatisierten Herstellen eines Produkts mit vorbestimmten Produkteigenschaften aus einer Anzahl von N Edukten, mit N > 1, umfasst, vorgeschlagen. Das Produkt und jedes Edukt sind durch eine Anzahl von Eigenschaftsparametern charakterisier bar. In einem ersten Schritt a) wird ein digitaler Zwilling für jede Produktionsanlage des Automatisierungssystems, ein digitaler Zwilling für jedes der N Edukte und ein digitaler Zwilling des herzustellenden Produkts bereitgestellt. In einem zweiten Schritt b) wird eine formale Fähigkeiten-Be- schreibung für jede Produktionsanlage auf Basis des jeweili gen digitalen Zwillings der Produktionsanlage erzeugt, wobei die formale Fähigkeiten-Beschreibung einen formalen Zusammen hang zwischen einer Steuergröße der Produktionsanlage und einer der Steuergröße zugehörigen Stellgröße in einer Formal sprache umfasst. In einem dritten Schritt c) wird eine for male Edukt-Beschreibung für jedes der N Edukte auf Basis des digitalen Zwillings des jeweiligen Edukts erzeugt, wobei die jeweilige formale Edukt-Beschreibung einen formalen Zusammen hang zwischen der Stellgröße und den Eigenschaftsparametern des Edukts in der Formalsprache umfasst. In einem vierten Schritt d) wird eine formale Produkt-Beschreibung des Pro dukts auf Basis des digitalen Zwillings des Produkts erzeugt, wobei die formale Produkt-Beschreibung einen formalen Zusam menhang zwischen den vorbestimmten Produkteigenschaften und den Eigenschaftsparametern des Produkts in der Formalsprache umfasst. In einem fünften Schritt e) wird eine Herstellungs vorschrift zum Herstellen des Produkts unter Verwendung der formalen Fähigkeiten-Beschreibung, der formalen Edukt-Be schreibung und der formalen Produkt-Beschreibung ermittelt, wobei die Herstellungsvorschrift eine Abfolge von Produk tionsschritten umfasst, wobei jedem der Produktionsschritte eine für die Durchführung des Produktionsschritts geeignete Fähigkeit der wenigstens einen Produktionsanlage zugeordnet ist. Accordingly, a method for operating an automation system is proposed which comprises at least one production plant for the automated production of a product with predetermined product properties from a number of N starting materials, with N> 1. The product and each starting material can be characterized by a number of property parameters. In a first step a) a digital twin is provided for each production plant of the automation system, a digital twin for each of the N starting materials and a digital twin for the product to be manufactured. In a second step b), a formal skill description is generated for each production plant on the basis of the respective digital twin of the production plant, with the formal skill description showing a formal relationship between a control variable of the production plant and a manipulated variable associated with the control variable a formal language. In a third step c), a formal educt description is generated for each of the N educts on the basis of the digital twin of the respective educt, the respective formal educt description a formal connection between the manipulated variable and the property parameters of the educt in the formal language includes. In a fourth step d), a formal product description of the product is generated on the basis of the digital twin of the product, the formal product description comprising a formal relationship between the predetermined product properties and the property parameters of the product in the formal language. In a fifth step e), a manufacturing specification for manufacturing the product is determined using the formal skills description, the formal educt description and the formal product description, the manufacturing specification comprising a sequence of production steps, with each of the production steps one suitable for carrying out the production step Capability of at least one production facility is assigned.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass auch für Produkte, für deren Herstellung bislang unbekannte Fähigkeiten notwendig sind, eine Herstellungsvorschrift ermittelt werden kann, sofern sich aus den formalen Zusammenhängen eine durchgehende Verknüpfung von den Steuergrößen über die Stellgrößen hin zu den Eigenschaftsparametern ergibt. Somit ist das Automatisie rungssystem nicht auf vordefinierte Fähigkeiten der Produk tionsanlagen beschränkt, sondern es lassen sich alle denk baren Fähigkeiten aus der formalen Fähigkeiten-Beschreibung ableiten, ohne dass ein Betreiber des Automatisierungssystems einen manuellen Eingriff vornehmen müsste. This method has the advantage that a manufacturing specification can also be determined for products for whose manufacture previously unknown capabilities are required, provided that the formal relationships result in a continuous link from the control variables via the manipulated variables to the property parameters. Thus, the automation system is not limited to predefined capabilities of the production systems, but all conceivable capabilities can be derived from the formal capabilities description without an operator of the automation system having to make manual intervention.
Unter einer Fähigkeit einer Produktionsanlage wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die Produktionsanlage in der Lage ist, eine durch die Fähigkeit näher bezeichnete Handlung oder Manipulation vorzunehmen. Eine Fähigkeit hat insbeson dere eine Zustandsänderung zum Ziel, wobei vorzugsweise der Zustand eines Edukts während der Verarbeitung hin zu dem Produkt verändert wird. Die Zustandsänderung kann aber auch eine Produktionsanlage betreffen, beispielsweise kann ein Austauschen eines Werkzeugs an einer Produktionsanlage und/ oder eine Änderung eines Parameters einer Produktionsanlage als eine Fähigkeit bezeichnet werden. Die Produktionsanlage kann auch als Produktionszelle bezeichnet werden. In the present case, a capability of a production plant is understood to mean, in particular, that the production plant is able to carry out an action or manipulation specified by the capability. A capability has, in particular, a change of state as its objective, with the state of an educt preferably being changed during processing into the product. The change in state can, however, also relate to a production plant, for example exchanging a tool on a production plant and / or changing a parameter of a production plant can be referred to as a capability. The production facility can also be referred to as a production cell.
Das Automatisierungssystem kann auch als automatisierte Fabrik, Roboterfabrik oder Prozessanlage bezeichnet werden. Das Automatisierungssystem kann zum Herstellen von diskreten Produkten, wie mechanischen und/oder elektrotechnischen Bauteilen oder Produkten, und/oder zum Herstellen von formu lierten Produkten, wie chemischen und/oder pharmazeutischen Produkten und/oder von Nahrungsmitteln eingerichtet sein. Edukte sind beispielsweise Rohstoffe, Rohlinge, Einzelbau teile, Halbzeuge und/oder Zwischenprodukte, die zur Weiter verarbeitung geeignet sind. Unter einem digitalen Zwilling wird beispielsweise ein digi tales Abbild oder digitales Modell einer real existierenden Entität, wie beispielsweise einer Produktionsanlage, eines Edukts oder eines Produkts, verstanden. Ein digitaler Zwil ling kann insbesondere unterschiedliche Abstraktionsstufen aufweisen. Beispielsweise kann ein digitaler Zwilling einen relativ hohen Detailgrad, das heißt eine sehr detaillierte digitale Beschreibung der jeweiligen Entität, aufweisen oder auch einen relativ geringen Detailgrad aufweisen. The automation system can also be referred to as an automated factory, robot factory or process plant. The automation system can be set up to manufacture discrete products, such as mechanical and / or electrotechnical components or products, and / or to manufacture formulated products, such as chemical and / or pharmaceutical products and / or foodstuffs. Educts are, for example, raw materials, blanks, individual components, semi-finished products and / or intermediate products that are suitable for further processing. A digital twin is understood to mean, for example, a digital image or digital model of a real existing entity, such as a production plant, an educt or a product. A digital twin can in particular have different levels of abstraction. For example, a digital twin can have a relatively high level of detail, that is to say a very detailed digital description of the respective entity, or also have a relatively low level of detail.
Der digitale Zwilling einer Produktionsanlage umfasst bei spielsweise explizite Funktionen, wie ein Versetzen eines Objekts von einer Position A in eine Position B, und kann auch allgemeiner angegebene Funktionen umfassen, wie eine Angabe aller zugänglicher Positionen (diese können explizit oder parametrisch definiert sein). Man kann von spezifischen Funktionen oder Fähigkeiten und Grundfunktionen oder -fähig- keiten sprechen. Der digitale Zwilling kann ein dynamisches und/oder ein stationäres Modell und/oder ein datengetriebenes Modell der Produktionsanlage umfassen. Unter einem datenge triebenen Modell wird beispielsweise verstanden, dass Para meterwerte für eine Parametergleichung, die einen bestimmten Zusammenhang beschreibt, auf Grundlage von Messdaten ermit telt werden. Man kann dies auch als eine Euchung oder eine Kalibrierung bezeichnen. Eine jeweilige Produktionsanlage kann insbeosndere eine Anzahl von Produktionszellen umfassen. The digital twin of a production plant includes, for example, explicit functions, such as moving an object from a position A to a position B, and can also include more generally specified functions, such as an indication of all accessible positions (these can be defined explicitly or parametrically). One can speak of specific functions or skills and basic functions or skills. The digital twin can comprise a dynamic and / or a stationary model and / or a data-driven model of the production plant. A data-driven model is understood to mean, for example, that parameter values for a parameter equation that describes a specific relationship are determined on the basis of measurement data. This can also be called a Euchung or a calibration. A respective production plant can in particular comprise a number of production cells.
Der digitale Zwilling eines Edukts umfasst insbesondere Angaben zu den charakterististischen Eigenschaftsparametern des Edukts. Dies umfasst beispielsweise eine Angabe zu der Art des Edukts, zu einer Zusammensetzung des Edukts, eine Mengenangabe und/oder geometrische Abmessungen, sowie Angaben zu spezifischen Eigenschaften, insbesondere physikalisch chemische Eigenschaften wie Härte, Wärmekapazität, Elastizi tätsmodul, Reaktionsfähigkeit und dergleichen, als auch biochemische Eigenschaften. Der digitale Zwilling des Produkts umfasst insbesondere Angaben zu den charakterististischen Eigenschaftsparametern des Produkts sowie zu den vorbestimmten Produkteigenschaften, beispielsweise als Zielspezifikation. Dies umfasst beispiels weise eine Angabe zu der Art des Produkts, zu einer Zusammen setzung des Produkts, eine Mengenangabe und/oder geometrische Abmessungen. Weiterhinn kann eine vorbestimmte Produkteigen schaft in Form eines Werts einer physikalischen Messgröße, wie eine Leitfähigkeit, eine Konzentration und dergleichen in dem digitalen Zwilling enthalten sein. The digital twin of an educt includes, in particular, information on the characteristic property parameters of the educt. This includes, for example, information on the type of educt, on a composition of the educt, a quantity and / or geometric dimensions, as well as information on specific properties, in particular physical-chemical properties such as hardness, heat capacity, elasticity modulus, reactivity and the like, as well as biochemical Properties. The digital twin of the product includes, in particular, information on the characteristic property parameters of the product and on the predetermined product properties, for example as a target specification. This includes, for example, an indication of the type of product, a composition of the product, an indication of quantity and / or geometric dimensions. Furthermore, a predetermined product property in the form of a value of a physical measurement variable, such as a conductivity, a concentration and the like, can be contained in the digital twin.
Darunter, dass auf Basis des jeweiligen digitalen Zwillings eine formale Fähigkeiten-Beschreibung, eine formale Edukt- Beschreibung oder eine formale Produkt-Beschreibung (im Folgenden kann in eindeutigen Fällen auch nur von formaler Beschreibung gesprochen werden, wobei sich der Bezug aus dem Kontext ergibt) erzeugt wird, ist beispielsweise zu verste hen, dass ein formaler Zusammenhang, der in der jeweiligen formalen Beschreibung enthalten ist, aus dem jeweiligen digitalen Zwilling ausgelesen wird, dass eine in dem digi talen Zwilling enthaltene Angabe verallgemeinert und/oder abstrahiert wird, dass auf Basis einer Angabe in dem digi talen Zwilling ein allgemeiner Zusammenhang ermittelt und/ oder aus einer Datenbank oder dergleichen abgerufen wird und dergleichen mehr. Die jeweilige formale Beschreibung kann automatisch, beispielsweise mittels eines Algorithmus oder Skriptes erzeugt werden, sie kann aber auch durch eine Nutzer oder Betreiber des Automatisierungssystems oder einen Her steller einer Produktionsanlage erzeugt werden. Including that on the basis of the respective digital twin, a formal skill description, a formal educt description or a formal product description (in the following, in unambiguous cases, only a formal description can be used, whereby the reference results from the context) is generated, it is to be understood, for example, that a formal context that is contained in the respective formal description is read from the respective digital twin, that an information contained in the digital twin is generalized and / or abstracted on the basis an indication in the digital twin, a general context is determined and / or retrieved from a database or the like, and the like. The respective formal description can be generated automatically, for example by means of an algorithm or script, but it can also be generated by a user or operator of the automation system or a manufacturer of a production plant.
Die formale Fähigkeiten-Beschreibung der jeweiligen Produk tionsanlage umfasst einen in einer abstrakten Formalsprache formulierten formalen Zusammenhang zwischen einer Steuergröße der Produktionsanlage und einer der Steuergröße zugehörigen Stellgröße. Man kann auch sagen, dass die formale Beschrei bung eine Beziehung zwischen einer Eingangsgröße und einer Ausgangsgröße der Produktionsanlage darstellt. Als Steuer größe kann beispielsweise ein Eingangsstrom oder eine Eingangsspannung betrachtet werden, oder ein Wert eines Eingangsparameters. Als Stellgröße kann eine von der Steuer größe abhängige Größe betrachtet werden, beispielsweise eine erzeugte Wärmemenge, eine Beschleunigung einer Bewegung, Kräfte, die durch eine Beschleunigung hervorgerufen werden, ein erzeugter Lichtstrom und dergleichen. Der formale Zusam menhang hängt damit von der Art und beispielsweise einer Struktur oder einem Aufbau der jeweiligen Produktionsanlage ab. Der formale Zusammenhang kann auch als formale Fähigkeit bezeichnet werden. Für eine Förderband-Anlage kann beispiels weise ein Zusammenhang zwischen einem Eingangsparameter und unterschiedlichen Sammelplätzen einen formalen Zusammenhang bilden, und ein Zusammenhang zwischen einem Eingangsstrom und einer Fördergeschwindigkeit einen weiteren formalen Zusammen hang bilden. Für eine Heizplatte kann ein Zusammenhang zwi schen Eingangsstrom und erzeugter Wärmemenge den formalen Zusammenhang bilden. Die formale Fähigkeiten-Beschreibung einer Produktionsanlage ist insbesondere abstrakter als der digitale Zwilling der Produktionsanlage. The formal description of the capabilities of the respective production plant includes a formal relationship, formulated in an abstract formal language, between a control variable of the production plant and a manipulated variable associated with the control variable. One can also say that the formal description represents a relationship between an input variable and an output variable of the production plant. As a control variable, for example, an input current or a Input voltage or a value of an input parameter. A variable that is dependent on the control variable can be considered as a manipulated variable, for example an amount of heat generated, an acceleration of a movement, forces that are caused by an acceleration, a generated luminous flux and the like. The formal context therefore depends on the type and, for example, a structure or set-up of the respective production facility. The formal context can also be referred to as a formal ability. For a conveyor belt system, for example, a relationship between an input parameter and different collection points can form a formal relationship, and a relationship between an input flow and a conveying speed can form a further formal relationship. For a heating plate, a relationship between the input current and the amount of heat generated can form the formal relationship. The formal description of the capabilities of a production plant is in particular more abstract than the digital twin of the production plant.
Der formale Zusammenhang umfasst vorzugsweise eine formal logische Beschreibung, inbesondere abstrakt mittels mathema tischer Gleichungen, Funktionen und/oder Abbildungen, eines konkreten Zusammenhangs zwischen der Steuergröße und der Stellgröße. In Abhängigkeit der Komplexität der Produktions anlage können mehrere Steuergrößen und/oder mehrere Stell größen in einem formalen Zusammenhang enthalten sein. Ein formaler Zusammenhang kann auch in Form einer Wertetabelle, beispielsweise basierend auf einer Messung des Verhaltens einer Stellgröße als Funktion der Steuergröße oder eines Eigenschaftsparameters als Funktion der Stellgröße, gegeben sein. Die Formalsprache entspricht einer Syntax umfassend Zeichen, deren Bedeutung eindeutig ist. Die Formalsprache umfasst insbesondere Operatoren, um die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Größen, wie Steuergröße und Stellgröße, und den Eigenschaftsparametern darzustellen. Man kann auch sagen, dass die Formalsprache eine Semantik bildet. Die formale Edukt-Beschreibung umfasst beispielsweise einen Zusammenhang zwischen einer Stellgröße einer der Produktions anlagen und einem der Eigenschaftsparameter. Eigenschafts parameter können beispielsweise Zustandsgrößen oder Observable sein. Beispielsweise kann ein Aufheizverhalten von Wasser in Form einer Gleichung einen solchen formalen Zusam menhang darstellen, wobei als Stellgröße eine zugeführte Wärmemenge und als Eigenschaftsparameter eine spezifische Wärmekapazität von Wasser, eine Wassermenge und eine Wasser temperatur vorliegen können. Ein weiterer formaler Zusammen hang kann eine Löslichkeit (Lösungprodukt) einer bestimmten chemischen Verbindung in Wasser beschreiben, wobei als Stellgröße ebenfalls die zugeführte Wärmemenge (mittelbar über die Temperatur) und als Eigenschaftsparameter die Löslichkeit vorliegen. The formal relationship preferably includes a formally logical description, in particular abstractly by means of mathematical equations, functions and / or images, of a concrete relationship between the control variable and the manipulated variable. Depending on the complexity of the production system, several control variables and / or several manipulated variables can be contained in a formal context. A formal relationship can also be given in the form of a table of values, for example based on a measurement of the behavior of a manipulated variable as a function of the control variable or a property parameter as a function of the manipulated variable. The formal language corresponds to a syntax comprising characters, the meaning of which is clear. The formal language includes operators in particular to represent the relationships between the various variables, such as the control variable and manipulated variable, and the property parameters. One can also say that the formal language forms a semantic. The formal educt description includes, for example, a relationship between a manipulated variable of one of the production systems and one of the property parameters. Property parameters can be state variables or observables, for example. For example, a heating behavior of water in the form of an equation can represent such a formal relationship, with an amount of heat supplied as a manipulated variable and a specific heat capacity of water, an amount of water and a water temperature as a property parameter. Another formal context can describe the solubility (solution product) of a certain chemical compound in water, with the amount of heat supplied (indirectly via the temperature) also being the manipulated variable and the solubility being the property parameter.
Die formale Produkt-Beschreibung umfasst insbesondere einen formalen Zusammenhang zwischen den vorbestimmten Produkt eigenschaften, wie beispielsweise ein Mengenverhältnis unterschiedlicher Stoffe, einer Temperatur und/oder einer Konsistenz, und den Eigenschaftsparametern des Produkts, wie eine Zusammensetzung, die Temperatur und/oder einer (statis tischen) räumlichen Verteilung von Komponenten des Produkts. The formal product description includes in particular a formal relationship between the predetermined product properties, such as a quantitative ratio of different substances, a temperature and / or a consistency, and the property parameters of the product, such as a composition, the temperature and / or a (statistical ) spatial distribution of components of the product.
Die verschiedenen formalen Beschreibungen und die darin enthaltenen formalen Zusammenhänge sind alle mit der gleichen Formalsprache darstellbar. Verschiedene formale Beschreibun gen können formale Zusammenhänge auch in unterschiedlichen Formalsprachen enthalten, sofern die verknüpften Größen, also Steuergröße, Stellgröße und/oder Eigenschaftsparameter, so identifiziert sind, dass diese jeweils den entsprechenden Größen in den anderen formalen Beschreibungen zuordenbar sind. So kann beispielsweise die Temperatur in einem ersten formalen Zusammenhang als der Großbuchstabe "T" auftreten, in einem zweiten formalen Zusammenhang als das Wort "Temperatur" und in einem dritten formalen Zusammenhang als Abkürzung "Temp.". Daher lassen sich aus einer Zusammenschau aller formalen Beschreibungen Zusammenhänge zwischen diesen erfassen. Man kann sagen, dass die in den formalen Beschrei bungen enthaltenen formalen Zusammenhänge ein Gleichungs system bilden. Insbesondere lassen sich die formalen Be schreibungen von einer Recheneinheit erfassen und Schnitt stellen zwischen verschiedenen formalen Beschreibungen von unterschiedlichen Produktionsanlagen, Edukten und/oder Pro dukten filtern oder ermitteln. Eine Schnittstelle ist dabei beispielsweise eine gleiche Stellgröße oder ein gleicher Eigenschaftsparameter. Derartige Schnittstellen lassen sich beispielsweise durch Ähnlichkeitsalgorithmen, durch einen Vergleich des Typs und/oder des Namens und dergleichen mehr ermitteln. Man kann sagen, dass die formalen Fähigkeiten- Beschreibungen und formalen Edukt-Beschreibungen eines Auto matisierungssystems in einer formalen Gesamt-Beschreibung integriert werden. Aus dieser formalen Gesamt-Beschreibung geht beispielsweise hervor, welche der Produktionsanlagen des Automatisierungsystems mittels einer mechanischen Kraft mit anderen Bestandteilen des Automatisierungssystems interagie ren können. Auf Grundlage der formalen Beschreibungen kann daher eine Recheneinheit Produktionsschritte ganz unabhängig von vordefinierten Fähigkeiten einer Produktionsanlage ermitteln . The various formal descriptions and the formal relationships they contain can all be represented using the same formal language. Different formal descriptions can also contain formal relationships in different formal languages, provided that the linked variables, i.e. control variable, manipulated variable and / or property parameters, are identified in such a way that they can each be assigned to the corresponding variables in the other formal descriptions. For example, the temperature can appear in a first formal context as the capital letter “T”, in a second formal context as the word “temperature” and in a third formal context as the abbreviation “Temp.”. Therefore, from a synopsis of all formal descriptions, connections between them can be found capture. One can say that the formal relationships contained in the formal descriptions form a system of equations. In particular, the formal descriptions can be recorded by a computing unit and interfaces between different formal descriptions of different production systems, educts and / or products can be filtered or determined. An interface is, for example, the same manipulated variable or the same property parameter. Such interfaces can be determined, for example, by similarity algorithms, by a comparison of the type and / or the name and the like. It can be said that the formal descriptions of capabilities and formal educt descriptions of an automation system are integrated in a formal overall description. This formal overall description shows, for example, which of the production facilities of the automation system can interact with other components of the automation system by means of a mechanical force. On the basis of the formal descriptions, an arithmetic unit can therefore determine production steps completely independently of the predefined capabilities of a production plant.
Basierend auf den formalen Beschreibungen wird daher eine Herstellungsvorschrift ermittelt, die eine Abfolge von Produktionsschritten umfasst, deren tatsächliche Durchführung zu dem herzustellenden Produkt führen. Die Herstellungsvor schrift wird insbesondere automatisch ermittelt oder abgelei tet, beispielsweise basierend auf der formalen Gesamt-Be schreibung und der formalen Produkt-Beschreibung. Die Her stellungsvorschrift kann als eine Anleitung oder ein Rezept bezeichnet werden. Die Herstellungsvorschrift ist dabei nicht notwendigerweise statisch, sondern es kann auch eine dynami sche Aktualisierung, beispielsweise auf Basis von aktuellen Messdaten, vorgesehen sein. Weiterhin kann die Herstellungs vorschrift kontinuierlich fortgesetzt und/oder aktualisiert werden, wodurch beispielswiese sich ändernde Randbedingungen berücksichtigt werden können. Jedem der Produktionsschritte ist eine für die Durchführung des Produktionsschritts geeignete Fähigkeit der wenigstens einen Produktionsanlage zugeordnet. Unter Fähigkeit wird hierbei beispielsweise verstanden, dass eine der in der formalen Fähigkeiten-Be- schreibung vorliegenden formalen Fähigkeiten ausgenutzt wird, um eine durch einen formalen Zusammenhang in der formalen Edukt-Beschreibung beschriebenen Effekt oder Wirkung zu erzielen. Die Fähigkeiten können aber auch vorbestimmte Fähigkeiten umfassen, die beispielsweise in dem digitalen Zwilling definiert sind. Based on the formal descriptions, a manufacturing specification is therefore determined which comprises a sequence of production steps, the actual implementation of which leads to the product to be manufactured. The manufacturing specification is in particular automatically determined or derived, for example based on the formal overall description and the formal product description. The manufacturing specification can be referred to as a manual or a recipe. The manufacturing specification is not necessarily static, but a dynamic update, for example on the basis of current measurement data, can also be provided. Furthermore, the manufacturing specification can be continued and / or updated continuously, so that, for example, changing boundary conditions can be taken into account. Each of the production steps a capability of the at least one production plant that is suitable for carrying out the production step is assigned. Ability is understood here, for example, to mean that one of the formal abilities present in the formal skill description is used to achieve an effect or effect described by a formal context in the formal educt description. However, the capabilities can also include predetermined capabilities that are defined, for example, in the digital twin.
Es sei angemerkt, dass jeder Produktionsschritt, der in der Herstellungsvorschrift enthalten ist, selbst mittels einer Herstellungsvorschrift definiert sein kann. Insofern können komplexe Produkte, die beispielswiese aus einer Vielzahl von Halbzeugen zusammengesetzt werden müssen, durch ineinander verschachtelte Herstellungsvorschriften dargestellt werden. Dabei können insbesondere unterschiedliche Produktionsanlagen Zusammenwirken. It should be noted that each production step that is contained in the manufacturing specification can itself be defined by means of a manufacturing specification. In this respect, complex products, which have to be assembled from a large number of semi-finished products, for example, can be represented by interleaved manufacturing instructions. In particular, different production systems can interact.
Das Ermitteln der Herstellungsvorschrift kann insbesondere ein Berechnen des durch die formalen Zusammenhänge gebildeten Gleichungssystems umfassen, beispielsweise mittels einer Steuereinheit. Zum Beispiel können dabei Steuergrößen vari iert werden, um den Effekt auf die Eigenschaftsparameter zu testen oder zu simulieren. Insofern kann man auch von einer simulierten Ausführung des Automatisierungssystems sprechen. Beim Ermitteln der Herstellungsvorschrift kann ferner ein Trial-and-Error Verfahren zur Anwendung kommen, bei dem auf gut Glück verschiedene Steuergrößenwerte oder -Sequenzen ausprobiert werden. Ebenso können verschiedene Kombinationen von Edukten ausprobiert werden. Auf diese Weise kann mit hoher Wahrscheinlichkeit festgestellt werden, ob die Herstel lung des Produkts mit dem Automatisierungssystem grundsätz lich möglich ist, oder ob zusätzliche Produktionsanlagen und/oder Edukte notwendig sind. Ein einfaches Beispiel betrifft das Mischen von zwei Flüs sigkeiten. Die einzige Produktionsanlage ist ein Roboterarm mit einem Greifer. Eine vordefinierte Fähigkeit "Mischen von Flüssigkeiten" ist nicht vorhanden. Unter Berücksichtigung der formalen Beschreibungen von Produkt und den Edukten wird durch eine Recheneinheit (formallogisch) ermittelt, dass zum Erreichen des Ziels eine räumliche Verteilung der einzelnen Komponenten von getrennt vorliegend zu ungeordnet (durch mischt) erzielt werden muss. Unter Berücksichtigung der for malen Beschreibungen der Produktionsanlage und der Edukte wird durch die Recheneinheit (formallogisch) ermittelt, dass dieses Ziel durch "Schütteln" oder auch durch "Rühren" er reicht werden kann, wobei zum Schütteln ein die beiden Flüs sigkeiten enthaltendes Behältnis als Ganzes von dem Greifer gegriffen und dann hin-und-her bewegt wird, und zum Rühren wird der Greifer in das die beiden Flüssigkeiten enthaltendes Behältnis eingetaucht und beispielsweise kreisförmig bewegt. Die so ermittelten formalen Fähigkeiten basieren vollkommen auf den formalen Beschreibungen. Bei diesem Beispiel ergeben sich somit zwei alternative Herstellungsvorschriften. The determination of the manufacturing specification can in particular include calculating the system of equations formed by the formal relationships, for example by means of a control unit. For example, control variables can be varied in order to test or simulate the effect on the property parameters. In this respect, one can also speak of a simulated execution of the automation system. When determining the manufacturing specification, a trial-and-error method can also be used, in which different control variable values or sequences can be tried out with good luck. Different combinations of starting materials can also be tried out. In this way, it can be determined with a high degree of probability whether the production of the product with the automation system is possible in principle, or whether additional production systems and / or starting materials are necessary. A simple example involves mixing two liquids. The only production facility is a robotic arm with a gripper. There is no predefined ability "Mixing liquids". Taking into account the formal descriptions of the product and the educts, an arithmetic unit (formal logic) determines that a spatial distribution of the individual components must be achieved from being separate to being disordered (by mixing) in order to achieve the goal. Taking into account the formal descriptions of the production plant and the educts, the arithmetic unit (formal logic) determines that this goal can be achieved by "shaking" or by "stirring", with a container containing the two liquids as a whole for shaking is gripped by the gripper and then moved back and forth, and for stirring, the gripper is immersed in the container containing the two liquids and, for example, moved in a circular manner. The formal skills determined in this way are based entirely on the formal descriptions. In this example, there are thus two alternative manufacturing instructions.
Das vorgeschlagene Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass eine Produktion von sich ständig ändernden Produkten ohne eine ständige Neuprogrammierung von Fähigkeiten oder eine Neuparametrierung der Produktionsanlagen möglich ist. The proposed method has the particular advantage that it is possible to produce constantly changing products without constant reprogramming of capabilities or re-parameterization of the production systems.
Das Verfahren kann auch zum Entwerfen eines Automatisierungs systems verwendet werden. Hierbei wird beispielsweise auf Grundlage der digitalen Zwillinge und/oder der unterschied lichen formalen Beschreibungen die Herstellung unterschied licher Produkte simuliert. So lässt sich ermitteln, welche Fähigkeiten benötigt werden oder welche Fähigkeiten einen Herstellungsprozess beschleunigen oder günstiger machen könnten. The method can also be used to design an automation system. Here, for example, the manufacture of different products is simulated on the basis of the digital twins and / or the different formal descriptions. This makes it possible to determine which skills are required or which skills could accelerate or make a manufacturing process cheaper.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt e) ferner ein Ermitteln von zur Herstellung des Produkts benötigten Fähigkeiten in Abhängigkeit der formalen Produkt-Beschreibung und der formalen Edukt-Beschreibung, und ein Überprüfen einer Fähigkeiten-Datenbank, welche bekannte Fähigkeiten für die wenigstens eine Produktionsanlage des Automatisierungssystems umfasst, in Abhängigkeit der ermit telten benötigten Fähigkeiten. According to one embodiment of the method, step e) further comprises determining skills required for manufacturing the product as a function of the formal skills Product description and the formal educt description, and checking a skills database which includes known skills for the at least one production plant of the automation system, depending on the skills required.
Das Ermitteln der benötigten Fähigkeiten kann insbesondere unabhängig von den Produktionsanlagen erfolgen. Beispielswei se wird hierbei ermittelt, dass ein Durchmischen von zwei Flüssigkeiten durch Schütteln (Zufuhr von Bewegungsenergie in die Flüssigkeit über das Gefäß) oder durch Rühren (Zufuhr von Bewegungsenergie in die Flüssigkeit durch einen Rührstab) möglich ist. The required capabilities can in particular be determined independently of the production systems. For example, it is determined here that mixing of two liquids is possible by shaking (supplying kinetic energy into the liquid via the vessel) or by stirring (supplying kinetic energy into the liquid by a stirring rod).
Bekannte Fähigkeiten umfassen hierbei sowohl vorbestimmte Fähigkeiten, die beispielsweise eine auf einer spezifischen Funktion der Produktionsanlage beruhen und durch einen Nutzer, Betreiber oder auch Hersteller der Produktionsanlage bis auf einzelne Parameter vorbestimmt sind, als auch formale Fähigkeiten einer Produktionsanlage, die beispielsweise bei einer zeitlich früheren Herstellung eines Produkts ermittelt wurden. Wenn eine vorbestimmte Fähigkeit "Rühren" vorhanden ist, kann beispielsweise darauf verzichtet werden, eine neue Fähigkeit "Schütteln" zu mit einer Produktionsanlage zu ermitteln. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da auf bereits bekannte Fähigkeiten zur Herstellung des Produkts zurückgegriffen werden kann, wodurch ein Rechenaufwand zum Ermitteln von neuen Fähigkeiten basierend auf den formalen Beschreibungen reduziert werden kann. Known capabilities include both predetermined capabilities, which are based, for example, on a specific function of the production system and are predetermined by a user, operator or manufacturer of the production system down to individual parameters, as well as formal capabilities of a production system, for example with an earlier production of a product. If a predetermined "stirring" ability is present, it is possible, for example, to dispense with determining a new "shaking" ability with a production plant. This embodiment is advantageous because it is possible to fall back on already known capabilities for manufacturing the product, as a result of which the computational effort for determining new capabilities based on the formal descriptions can be reduced.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ein Ermitteln einer neuen Fähigkeit für die wenigstens eine Produktionsanlage des Automatisierungssystems auf Basis der formalen Fähigkeiten-Beschreibung und der formalen Edukt- Beschreibung . According to a further embodiment of the method, this includes determining a new capability for the at least one production plant of the automation system on the basis of the formal capability description and the formal educt description.
Das Ermitteln erfolgt insbesondere automatisch durch eine Recheneinheit. Die neue Fähigkeit kann eine Fähigkeit sein, die einen bislang nicht benötigten Zweck erfüllt, kann aber auch eine Alternative zu einer bereits bekannten Fähigkeit darstellen. Ein Beispiel hierfür ist das Mischen von zwei Flüssigkeiten durch Rühren oder durch Schütteln. Alle auf diese Weise neu ermittelten Fähigkeiten bilden insbesondere formale Fähigkeiten. The determination takes place in particular automatically by a computing unit. The new ability can be an ability which fulfills a purpose that has not yet been required, but can also represent an alternative to an already known ability. An example of this is mixing two liquids by stirring or shaking. All skills newly determined in this way form, in particular, formal skills.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ein Speichern der ermittelten neuen Fähigkeit in der Fähigkeiten-Datenbank für die wenigstens eine Produktionsan lage des Automatisierungssystem. According to a further embodiment of the method, this includes storing the determined new capability in the capability database for the at least one production facility of the automation system.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ein Optimieren der Herstellungsvorschrift in Abhängig keit eines vorbestimmten Optimierungsparameters, indem jedem der Produktionsschritte der Herstellungsvorschrift diejenige Fähigkeit der wenigstens einen Produktionsanlage zugeordnet wird, die den jeweiligen Produktionsschritt in Bezug auf den Optimierungsparameter optimal durchführt. According to a further embodiment of the method, this includes optimizing the manufacturing specification as a function of a predetermined optimization parameter by assigning to each of the production steps of the manufacturing specification that capability of the at least one production plant that optimally performs the respective production step with respect to the optimization parameter.
Optimierungsparameter sind beispielsweise eine Herstellungs dauer, eine zur Herstellung benötigte Energie, ein durch die Herstellung verursachter Verschleiß, ein bei der Herstellung anfallender Materialausschuss, und dergleichen mehr. Optimization parameters are, for example, a production time, the energy required for production, wear and tear caused by production, material scrap occurring during production, and the like.
Insbesondere lassen sich neue Fähigkeiten mit optimierten Kosten in Bezug auf einen Optimierungsparameter gezielt er mitteln . In particular, new capabilities with optimized costs can be determined in a targeted manner in relation to an optimization parameter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst einer der Schritte b), c) und/oder d) ein Bereitstellen eines physikalischen Modells und/oder eines chemischen Modells in Abhängigkeit des digitalen Zwillings für jede Produktionsan lage des Automatisierungssystems, des digitalen Zwillings für jedes der Edukte und/oder des digitalen Zwillings des Pro dukts, und ein Ermitteln der formalen Fähigkeiten-Beschrei- bung, der formalen Edukt-Beschreibung und/oder der formalen Produkt-Beschreibung in Abhängigkeit des bereitgestellten physikalischen Modells und/oder chemischen Modells. According to a further embodiment of the method, one of steps b), c) and / or d) comprises providing a physical model and / or a chemical model as a function of the digital twin for each production facility of the automation system, the digital twin for each of the starting materials and / or the digital twin of the product, and determining the formal skills description, the formal educt description and / or the formal Product description depending on the physical model and / or chemical model provided.
Ein physikalisches Modell umfasst beispielsweise einen phy sikalischen Zusammenhang, wie das zweite Newtonsche Gesetz, Kraft = Masse c Beschleunigung. Ein chemisches Modell umfasst insbesondere eine chemische Reaktionsgleichung, wie bei spielsweise das Lösen von Chlorwasserstoff in Wasser zu Salzsäure. A physical model includes, for example, a physical relationship, such as Newton's second law, force = mass c acceleration. A chemical model includes, in particular, a chemical reaction equation, such as, for example, the dissolution of hydrogen chloride in water to form hydrochloric acid.
Das physikalische Modell und/oder das chemische Modell können insbesondere durch eine externe Datenbank bereitgestellt und bedarfsmäßig von dieser abgerufen werden. Auf Basis des phy sikalischen Modells und/oder des chemischen Modells können formale Zusammenhänge für die jeweiligen formalen Beschrei bungen ermittelt werden. The physical model and / or the chemical model can in particular be provided by an external database and can be called up from this as required. On the basis of the physical model and / or the chemical model, formal relationships for the respective formal descriptions can be determined.
Das physikalische Modell und/oder das chemische Modell kann insbesondere eine vergleichsweise grobe Beschreibung eines realen Verhaltens einer physikalischen oder chemischen Größe oder des Ablaufs eines physikalischen oder chemischen Vorgangs umfassen. The physical model and / or the chemical model can in particular comprise a comparatively rough description of a real behavior of a physical or chemical variable or the course of a physical or chemical process.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn ein jeweiliger digitaler Zwilling nur wenige Informationen enthält. This embodiment is advantageous when a respective digital twin contains only a small amount of information.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ein Simulieren des physikalischen Modells und/oder des chemischen Modells zum Ermitteln des formalen Zusammenhangs zwischen der Steuergröße der Produktionsanlage und der zuge hörigen Stellgröße, des formalen Zusammenhangs zwischen der Stellgröße und den Eigenschaftsparametern der Edukte und/oder des formalen Zusammenhangs zwischen den vorbestimmten Pro dukteigenschaften und den Eigenschaftsparametern des Pro dukts. According to a further embodiment of the method, this includes simulating the physical model and / or the chemical model to determine the formal relationship between the control variable of the production plant and the associated manipulated variable, the formal relationship between the manipulated variable and the property parameters of the educts and / or the formal relationship between the predetermined product properties and the property parameters of the product.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da hierdurch ganz neue formale Zusammenhänge ermittelt werden können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ein Erfassen eines Werts von wenigstens einem der Eigenschaftsparameter des wenigstens einen Edukts und/oder eines Werts von wenigstens einem der Eigenschaftsparameter des Produkts, und ein Herstellen des Produkts gemäß der ermittelten Herstellungsvorschrift und in Abhängigkeit des erfassten Werts. This embodiment is advantageous because it allows completely new formal relationships to be determined. According to a further embodiment of the method, this comprises detecting a value of at least one of the property parameters of the at least one educt and / or a value of at least one of the property parameters of the product, and producing the product in accordance with the determined manufacturing specification and as a function of the detected value.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da die Herstellung des Produkt überwacht wird. Beispielsweise können verschiedene Sensoren vorgesehen sein, um Werte verschiedener Eigen schaftsparameter zu erfassen. This embodiment is advantageous because the manufacture of the product is monitored. For example, different sensors can be provided in order to detect values of different property parameters.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ein Herstellen eines ersten Produkts aus den Edukten mittels einer ersten Produktionsanlage des Automatisierungs systems gemäß einer ersten Herstellungsvorschrift und ein Herstellen eines zweiten Produkts unter Verwendung des hergestellten ersten Produkts als ein Edukt mittels einer zweiten Produktionsanlage des Automatisierungssystems gemäß einer zweiten Herstellungsvorschrift. According to a further embodiment of the method, this comprises producing a first product from the educts by means of a first production plant of the automation system according to a first production specification and producing a second product using the produced first product as an educt by means of a second production plant of the automation system according to a second manufacturing specification.
Das erste Produkt kann auch als Zwischenprodukt und das zweite Produkt als Endprodukt bezeichnet werden. The first product can also be referred to as an intermediate product and the second product as the end product.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass für ein komplexes Produkt, das aus den Edukten über eine größere Anzahl von Zwischenprodukten herzustellen ist, nicht der gesamte Her stellungprozess auf einmal ermittelt werden muss, sondern dass die Herstellung jedes der Zwischenprodukte für sich genommen ermittelt wird und diese dann entsprechend verkettet werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass für jede der Produktionsanlagen auf Basis der formalen Fähigkeiten Be schreibung ermittelt wird, ob diese ein bestimmtes Produkt hersteilen kann (die benötigte Fähigkeit aufweist) und welche Edukte diese dazu benötigt. Die benötigten Edukte können dann als eine Produkt-Anforderung gesehen werden, wobei jede der Produkt-Anforderungen wie ein herzustellendes Produkt be trachtet werden. Auf diese Weise lässt sich ein Produktions prozess eines komplexen Produkts als eine Verkettung von Zwischenprodukten auf die vorhandenen Edukte zurückführen. This embodiment has the advantage that for a complex product that is to be produced from the starting materials using a larger number of intermediate products, the entire production process does not have to be determined at once, but that the production of each of the intermediate products is determined separately and this then chained accordingly. In particular, it can be provided that for each of the production systems it is determined on the basis of the formal capabilities description whether it can produce a certain product (has the required capability) and which educts it requires for this. The required educts can then be seen as a product requirement, with each of the Product requirements like a product to be manufactured are considered. In this way, a production process for a complex product can be traced back to the existing starting materials as a chain of intermediate products.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst der formale Zusammenhang eine Zuordnung der Steuergröße zu der Stellgröße, eine Zuordnung der Stellgröße zu den Eigen schaftsparametern der Edukte und/oder eine Zuordnung der vorbestimmten Produkteigenschaft zu den Eigenschaftspara metern des Produkts in Form von einer algebraischen Glei chung, einer Differentialgleichung, einer Tensorgleichung oder einer Abbildung umfasst. According to a further embodiment of the method, the formal relationship includes an assignment of the control variable to the manipulated variable, an assignment of the manipulated variable to the property parameters of the educts and / or an assignment of the predetermined product property to the property parameters of the product in the form of an algebraic equation, a differential equation, a tensor equation, or a mapping.
Ganz allgemein ist der formale Zusammenhang beispielsweise eine Abbildung aus dem Raum der Steuergrößen in den Raum der Stellgrößen oder eine Abbildung aus dem Raum der Stellgrößen in den Raum der Eigenschaftsparameter oder umgekehrt oder eine Abbildung aus dem Raum der vorbestimmten Produkteigen schaften in den Raum der Eigenschaftsparameter. In general, the formal relationship is, for example, a mapping from the space of the control variables into the space of the manipulated variables or a mapping from the space of the manipulated variables into the space of the property parameters or vice versa or a mapping from the space of the predetermined product properties into the space of the property parameters.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches Befehle umfasst, die bei der Ausfüh rung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das vorgeschlagene Verfahren auszuführen. According to a further aspect, a computer program product is proposed which comprises instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the proposed method.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm- Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form ei ner herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertra gung einer entsprechenden Datei mit dem Computerpro grammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen. A computer program product, such as a computer program means, for example, can be provided or delivered as a storage medium such as a memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or also in the form of a downloadable file from a server in a network. This can be done, for example, in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Automatisierungssystem mit wenigstens einer Produktionsanlage zum automatisierten Herstellen eines Produkts mit vorbestimmten Produkteigen- schäften aus einer Anzahl von N Edukten (El - E3), mit N > 1, vorgeschlagen. Das Automatisierungssystem umfasst eine Steuerungseinheit, die zum Ausführen des vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet ist. According to a further aspect, an automation system with at least one production plant for the automated manufacture of a product with predetermined product properties is Shafts from a number of N starting materials (El - E3), with N> 1, proposed. The automation system comprises a control unit which is set up to carry out the proposed method.
Die Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens gelten entsprechend für das vorgeschlagene Automatisierungssystem. The embodiments of the proposed method apply accordingly to the proposed automation system.
Die Steuerungseinheit kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretech nischen Implementierung kann die Steuerungseinheit als Vor richtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor oder als Steuerrechner aus gebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die Steuerungseinheit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein The control unit can be implemented in terms of hardware and / or also in terms of software. In the case of a hardware implementation, the control unit can be designed as a device or as part of a device, for example as a computer or as a microprocessor or as a control computer. In the case of a software implementation, the control unit can be designed as a computer program product, as a function, as a routine, as part of a program code or as an executable object
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der je weiligen Grundform der Erfindung hinzufügen. Further possible implementations of the invention also include not explicitly mentioned combinations of features or embodiments described above or below with regard to the exemplary embodiments. The person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfin dung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgen den beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Wei teren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungs formen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher er läutert . Further advantageous refinements and aspects of the inven tion are the subject matter of the subclaims and of the exemplary embodiments of the invention described below. In Wei direct the invention based on preferred embodiment forms with reference to the accompanying figures he explained in more detail.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für ein Automatisierungssystem; Fig. 1 shows a schematic block diagram of an example for an automation system;
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für das Ermitteln einer Herstellungsvorschrift auf Ba sis formaler Beschreibungen; Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für ein Automatisierungssystem; und Fig. 2 shows a schematic block diagram of an example for determining a manufacturing specification based on formal descriptions; Fig. 3 shows a schematic block diagram of an example for an automation system; and
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für ein Verfahren zum Betreiben eines Automatisie rungssystems . Fig. 4 shows a schematic block diagram of an example of a method for operating an automation system.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist. In the figures, elements that are the same or have the same function have been given the same reference symbols, unless otherwise stated.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für ein Automatisierungssystem 100. In dem Automati sierungssystem 100 sind beispielhaft drei Produktionsanlagen 110, 111, 112 angeordnet. Das Automatisierungssystem kann auch mehr als drei oder weniger als drei Produktionsanlagen 110, 111, 112 aufweisen. Produktionsanlage 110 ist beispiels weise als ein Roboterarm mit einem Greifer ausgebildet, Pro duktionsanlage 111 ist beispielsweise als ein Klimaschrank mit einem Ofen und einem Kühlfach ausgebildet und Produkti onsanlage 112 ist beispielsweise als eine Heizplatte ausge bildet. Weiterhin sind beispielhaft drei Edukte El, E2, E3 in dem Automatisierungssystem 100 vorrätig oder verfügbar. Bei spielsweise handelt es sich dabei um Wasser El, Olivenöl E2 und einen Emulgator E3. Das Automatisierungssystem kann auch mehr als drei oder weniger als drei Edukte El, E2, E3 aufwei sen. Das Automatisierungssystem 100 soll zum Herstellen des Produkts P verwendet werden. Das Produkt P ist hierbei durch vorbestimmte Produkteigenschaften SPEC charakterisiert. Bei spielsweise soll eine Hautcreme P hergestellt werden. 1 shows a schematic block diagram of an example for an automation system 100. In the automation system 100, three production systems 110, 111, 112 are arranged by way of example. The automation system can also have more than three or fewer than three production systems 110, 111, 112. Production system 110 is configured, for example, as a robot arm with a gripper, production system 111 is configured, for example, as a climatic cabinet with an oven and a cooling compartment, and production system 112 is configured, for example, as a heating plate. Furthermore, by way of example, three educts E1, E2, E3 are in stock or available in automation system 100. For example, these are water El, olive oil E2 and an emulsifier E3. The automation system can also have more than three or less than three educts E1, E2, E3. The automation system 100 is to be used to manufacture the product P. The product P is characterized by predetermined product properties SPEC. For example, a skin cream P is to be produced.
Für jede der Produktionsanlagen 110, 111, 112 wird ein digi taler Zwilling DU O, Dill, D112 bereitgestellt, beispiels weise durch den Hersteller der jeweiligen Produktionsanlage 110, 111, 112. Ebenso wird für jedes der Edukte El, E2, E3 ein digitaler Zwilling DE1, DE2, DE3 bereitgestellt, bei spielsweise von dem Lieferanten des jeweiligen Edukts El, E2, E3. Weiterhin wird ein digitaler Zwilling DP des herzustel lenden Produkts P bereitgestellt. Dies kann beispielsweise durch ein automatisches Auslesen der vorbestimmten Produktei genschaften SPEC erfolgen, durch einen Betreiber des Automa tisierungssystems 100 oder durch den Kunden, der das Produkt P bestellt. A digital twin DU O, Dill, D112 is provided for each of the production systems 110, 111, 112, for example by the manufacturer of the respective production system 110, 111, 112. A digital twin is also created for each of the educts E1, E2, E3 DE1, DE2, DE3 provided, for example by the supplier of the respective educt El, E2, E3. Furthermore, a digital twin DP of the product P to be manufactured is provided. This can be done, for example, by automatically reading out the predetermined product properties SPEC, by an operator of the automation system 100 or by the customer who orders the product P.
Auf Basis eines jeden digitalen Zwillings DU O, Dill, D112, DE1, DE2, DE3, DP wird eine jeweilige formale Beschreibung Fl10, Fl11, Fl12, FEI, FE2, FE3, FP erzeugt. Diese enthält einen formalen Zusammenhang zwischen einer Steuergröße XI und einer dieser zugehörigen Stellgröße X2, zwischen einem Eigen schaftsparameter X3 und einer Stellgröße X2, oder zwischen einem Eigenschaftsparameter X3 und den vorbestimmten Pro dukteigenschaften SPEC in einer Formalsprache. Durch die ein heitliche Verwendung der Formalsprache können alle formalen Zusammenhänge gemeinsam betrachtet werden und gegenseitige Abhängigkeiten oder auch Einflussmöglichkeiten ermittelt wer den. A respective formal description F110, F111, F112, FEI, FE2, FE3, FP is generated on the basis of each digital twin DU O, Dill, D112, DE1, DE2, DE3, DP. This contains a formal relationship between a control variable XI and a manipulated variable X2 associated with it, between a property parameter X3 and a manipulated variable X2, or between a property parameter X3 and the predetermined product properties SPEC in a formal language. Thanks to the uniform use of the formal language, all formal relationships can be viewed together and mutual dependencies or possibilities for influencing can be determined.
Eine Steuerungseinheit 105, die beispielsweise eine über geordnete Kontrollinstanz für das Automatisierungssystem 100 bildet, verknüpft alle formalen Beschreibungen F110, Flll, F112, FEI, FE2, FE3, FP derart, dass sich beispielsweise ein zusammenhängendes Gleichungssystem ergibt. Beispielsweise wird eine Verknüpfungstabelle erstellt, die alle Korrelatio nen zwischen den vorhandenen Steuergrößen XI, Stellgrößen X2, Eigenschaftsparametern X3 und vorbestimmten Produkteigen schaften SPEC enthält. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Möglichkeit gefunden werden, wie aus den vorhandenen Edukten El, E2, E3 unter Verwendung der vorhandenen Produkti onsanlagen 110, 111, 112 das Produkt P hergestellt werden kann. A control unit 105, which, for example, forms a higher-level control entity for the automation system 100, links all formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP in such a way that, for example, a coherent system of equations results. For example, a link table is created which contains all correlations between the existing control variables XI, manipulated variables X2, property parameters X3 and predetermined product properties SPEC. In this way, for example, a possibility can be found of how the product P can be produced from the existing educts E1, E2, E3 using the existing production systems 110, 111, 112.
Hierzu ermittelt die Steuerungseinheit 105 eine Herstellungs vorschrift PLAN, die hier beispielsweise eine Abfolge von drei Produktionsschritten PA, PB, PC umfasst, die nacheinan der abzuarbeiten sind. Nachfolgend wird dies für das Beispiel der Hautcreme P erläutert. Die Steuereinheit 105 kann zum Er mitteln der Herstellungsvorschrift PLAN beispielsweise Opti mierungsalgorithmen, genetische Algorithmen, maschinelle Lernverfahren, Suchalgorithmen, oder Algorithmen aus dem Be reich der satisfiability modulo theories (SMT) nutzen oder einsetzen . To this end, the control unit 105 determines a production instruction PLAN, which here comprises, for example, a sequence of three production steps PA, PB, PC that are to be processed one after the other. Below is this for the example the skin cream P explained. The control unit 105 can, for example, use or employ optimization algorithms, genetic algorithms, machine learning methods, search algorithms, or algorithms from the field of satisfiability modulo theories (SMT) to determine the manufacturing specification PLAN.
Die herzustellende Hautcreme P besteht beispielswiese aus ei ner Emulsion mit bestimmten Anteilen an Wasser El und Oli venöl E2, wobei zu Stabilisierung der Emulsion ein Emulgator E3 enthalten ist. Es ist daher eine Emulsion aus den drei Be standteilen herzustellen, es ist jedoch keine Fähigkeit "Emulgieren" bekannt. Daher muss die Steuereinheit 105 auf Basis der formalen Beschreibungen F110, Flll, F112, FEI, FE2, FE3, FP selbst ermitteln, wie die Emulsion hergestellt werden kann. The skin cream P to be produced consists, for example, of an emulsion with certain proportions of water E1 and olive oil E2, an emulsifier E3 being contained to stabilize the emulsion. An emulsion must therefore be prepared from the three components, but no "emulsification" ability is known. The control unit 105 must therefore itself determine how the emulsion can be produced on the basis of the formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP.
Für den Roboterarm 110 enthält der digitale Zwilling DU O beispielsweise eine Maximalauslenkung für jede Achse des Roboterarms 110, sowie maximale Beschleunigungswerte für die Bewegung des Arms in jeder der Achsen. Basierend hierauf wird die formale Fähigkeiten-Beschreibung F110 erzeugt, die als formalen Zusammenhang beispielsweise eine dreidimensionale Bewegungsgleichung umfasst, wobei Steuergrößen XI hierbei die Motorströme zum Antrieb der jeweiligen Achse sind und die Stellgrößen X2 eine Position, Geschwindigkeit und Beschleuni gung des Greifers für jede Achse. Weiterhin umfasst die formale Fähigkeiten-Beschreibung F110 einen formalen Zusam menhang für den Greifer, wobei beispielsweise als Steuergröße XI ein Ansteuerstrom und als Stellgröße X2 eine physikalische (Greif-)Kraft in Zusammenhang gesetzt werden. Für den Klima schrank 111 enthält der digitale Zwilling Dill beispielsweise einen Wertebereich bezüglich der maximalen und minimalen Temperaturen, die in dem Ofen und in dem Eisfach erreicht werden können. Hieraus wird die formale Fähigkeiten-Beschrei bung Flll erzeugt, die beispielsweise einen formalen Zusam menhang zwischen einer elektrischen Leistung als die Steuer größe XI und einer dadurch erzielten Heizleistung (für den Ofen) oder Kühlleistung (für das Eisfach) als die Stellgröße X2 umfasst. Ein weiterer formaler Zusammenhang kann bei spielsweise einen zeitliches Aufheizverhalten (für den Ofen) oder Abkühlverhalten (für das Eisfach) beschreiben, wobei als Steuergröße XI die Heizleistung (für den Ofen) oder die Kühlleistung (für das Eisfach) und als Stellgröße X2 die Temperatur in dem jeweiligen Bereich verknüpft werden. Für die Heizplatte 112 umfasst der digitale Zwilling D112 zum Beispiel eine Funktion, die eine Oberflächentemperatur in Abhängigkeit eines Eingangsparameters beschreibt. Der Ein gangsparameter wird beispielswiese mittels einer Zuordnungs tabelle, die einer Eichung entspricht, in einen Ansteuerstrom übersetzt. Auf Basis des digitalen Zwillings D112 wird die formale Fähigkeiten-Beschreibung F112 für die Heizplatte 112 erzeugt, wobei diese beispielsweise als einen ersten formalen Zusammenhang den Eingangsparameter als Steuergröße XI mit der Oberflächentemperatur als Stellgröße X2 in Form der Funktion umfasst und als einen zweiten formalen Zusammenhang den Eingangsparameter als Steuergröße XI mit der Zuordnungstabel- le für den jeweiligen Ansteuerstrom als Stellgröße X2 um fasst. For the robot arm 110, the digital twin DU O contains, for example, a maximum deflection for each axis of the robot arm 110, as well as maximum acceleration values for the movement of the arm in each of the axes. Based on this, the formal skills description F110 is generated, which includes, for example, a three-dimensional equation of motion as a formal relationship, with control variables XI being the motor currents for driving the respective axis and manipulating variables X2 a position, speed and acceleration of the gripper for each axis. Furthermore, the formal skills description F110 includes a formal context for the gripper, for example a control current as the control variable XI and a physical (gripping) force as the manipulated variable X2. For the climate cabinet 111, the digital twin Dill contains, for example, a range of values with regard to the maximum and minimum temperatures that can be reached in the oven and in the freezer compartment. From this, the formal skill description Fll is generated, which, for example, shows a formal relationship between an electrical output as the control variable XI and a heating output achieved as a result (for the Oven) or cooling capacity (for the freezer compartment) as the manipulated variable X2. Another formal relationship can describe, for example, a heating behavior over time (for the oven) or cooling behavior (for the ice compartment), with the heating output (for the oven) or the cooling output (for the freezer compartment) as the control variable XI and the temperature in linked to the respective area. For the heating plate 112, the digital twin D112 includes, for example, a function that describes a surface temperature as a function of an input parameter. The input parameter is, for example, translated into a control current by means of an assignment table that corresponds to a calibration. On the basis of the digital twin D112, the formal skills description F112 is generated for the heating plate 112, this for example including the input parameter as a control variable XI with the surface temperature as a manipulated variable X2 in the form of the function and as a second formal relationship Input parameters as control variable XI with the assignment table for the respective control current as manipulated variable X2.
Die digitalen Zwillinge DE1, DE2, DE3 der Edukte El, E2, E3 enthalten zum Beispiel die Angabe einer chemischen Summenfor mel und eine Angabe zum Aggregatszustand bei Normalbedingun gen für das jeweiligen Edukt El, E2, E3. Weiterhin können Angaben wie eine Packunggröße darin enthalten sein. Basierend hierauf werden die formalen Edukt-Beschreibungen FEI, FE2,The digital twins DE1, DE2, DE3 of the educts El, E2, E3 contain, for example, a chemical sum formula and an indication of the state of aggregation under normal conditions for the respective educt El, E2, E3. It can also contain information such as a package size. Based on this, the formal educt descriptions FEI, FE2,
FE3 erzeugt, welche beispielsweise Werte für physikalische Größen, wie eine Wärmekapazität, eine Zähigkeit, ein Zu standsdiagramm und dergleichen in einem formalen Zusammen hang, beispielsweise ein Aufheizverhalten oder ein Fließver halten, umfasst. Hierbei ist zum Beispiel eine zugeführte Wärmemenge als Stellgröße X2 und die Temperatur als der Eigenschaftsparameter X3 über den formalen Zusammenhang verknüpft. Die formalen Zusammenhänge umfassen somit insbe sondere physikalische Gleichungen, die das Verhalten des jeweiligen Edukts in Abhängigkeit von Einflußgrößen und Umgebungsbedingungen beschreiben. Weiterhin können chemische Reaktionsgleichungen als ein formaler Zusammenhang vorliegen. Die formalen Zusammenhänge können dabei insbesondere von einer externen Einheit, beispielsweise einem Server oder einer Datenbank, bereitgestellt werden. FE3 is generated which, for example, includes values for physical quantities such as a heat capacity, a viscosity, a state diagram and the like in a formal context, for example a heating behavior or a flow behavior. Here, for example, a supplied amount of heat is linked as a manipulated variable X2 and the temperature as the property parameter X3 via the formal relationship. The formal relationships thus include in particular special physical equations that determine the behavior of the respective educt as a function of influencing variables and Describe environmental conditions. Furthermore, chemical reaction equations can exist as a formal relationship. The formal relationships can in particular be provided by an external unit, for example a server or a database.
Der digitale Zwilling DP des Produkt P enthält insbesondere die vorbestimmten Produkteigenschaften SPEC. Basierend hierauf wird die formale Beschreibung FP erzeugt. Diese enthält beispielsweise in der Form eines formalen Zusammen hangs eine Zuordnung eines Eigenschaftsparameters X3, bei spielsweise Mengenverhältnisse von in dem Produkt P enthal tenen Stoffen, zu einem durch die vorbestimmten Produkteigen schaften SPEC festgelegten Wert. The digital twin DP of the product P contains in particular the predetermined product properties SPEC. Based on this, the formal description FP is generated. This contains, for example, in the form of a formal relationship, an assignment of a property parameter X3, for example quantitative ratios of substances contained in the product P, to a value determined by the predetermined product properties SPEC.
Die formalen Beschreibungen können ganz oder teilweise automatisch erzeugt werden, sie können aber auch ganz oder teilweise manuell erzeugt werden. Vorzugsweise wird eine einmal erzeugte formale Beschreibung gespeichert, beispiels weise zusammen mit dem jeweiligen digitalen Zwilling, so dass diese nicht ständig neu erzeugt werden muss. The formal descriptions can be generated fully or partially automatically, but they can also be generated fully or partially manually. A formal description that has been generated once is preferably stored, for example together with the respective digital twin, so that it does not have to be continuously generated anew.
Die formalen Beschreibungen F110, Flll, F112, FEI, FE2, FE3, FP werden der Steuereinheit 105 übergeben, welche eine Her stellungsvorschrift PLAN zum Herstellen des Produkts P aus den Edukten El, E2, E3 mit den vorhandenen Produktionsanlagen 110, 111, 112 ermittelt. Das Produkt P ist eine Emulsion aus Wasser El und Olivenöl E2, die durch den Emulgator E3 stabi lisiert ist. Da eine Fähigkeit "Emulgieren" oder eine Her stellungsvorschrift zum Herstellen einer Emulsion nicht be kannt sind, wird basierend auf den formalen Edukt-Beschrei bungen FEI, FE2, FE3 und der formalen Produkt-Beschreibung FP ermittelt, dass zum Herstellen der Emulsion die getrennt vor liegenden Flüssigkeiten durchmischt werden müssen. Basierend auf den formalen Fähigkeiten-Beschreibungen F110, Flll, F112 und den formalen Edukt-Beschreibungen FEI, FE2, FE3 wird er mittelt, dass durch Schütteln eines Behälters, der die beiden Flüssigkeiten enthält, eine Durchmischung der beiden Flüssig- keiten erzielt und somit eine Emulsion hergestellt werden kann. Weiterhin wird ermittelt, dass eine erhöhte Temperatur der Flüssigkeiten zur Beschleunigung des Prozesses geeignet ist. Somit kann die Steuereinheit 105 mehrere Herstellungs vorschriften PLAN ermitteln, die sich durch einzelne Produk tionsschritte PA, PB, PC unterscheiden. The formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP are transferred to the control unit 105, which determines a manufacturing specification PLAN for manufacturing the product P from the educts E1, E2, E3 with the existing production systems 110, 111, 112 . The product P is an emulsion of water El and olive oil E2, which is stabilized by the emulsifier E3. Since the ability to "emulsify" or a production specification for producing an emulsion are not known, based on the formal educt descriptions FEI, FE2, FE3 and the formal product description FP, it is determined that the preparation of the emulsion must be carried out separately lying liquids must be mixed. Based on the formal skill descriptions F110, Fll, F112 and the formal educt descriptions FEI, FE2, FE3, it is determined that shaking a container containing the two liquids results in a thorough mixing of the two liquids. can be achieved and thus an emulsion can be produced. It is also determined that an increased temperature of the liquids is suitable for accelerating the process. The control unit 105 can thus determine a plurality of manufacturing regulations PLAN which differ in terms of individual production steps PA, PB, PC.
Eine beispielhafte Herstellungsvorschrift PLAN könnte folgen de Produktionsschritte PA, PB, PC umfassen: Befüllen PA eines Gefäßes mit Wasser El, Olivenöl E2 und Emulgator E3 gemäß ihren Anteilen in der Emulsion mittels des Roboterarms 110; Erhitzen PB des Flüssigkeitsgemischs in dem Gefäß mittels der Heizplatte 112 auf eine vorbestimmte Temperatur; und Schüt teln PC des verschlossenen Gefäßes mittels des Roboterarms 110, bis durch die erzielte Durchmischung der Flüssigkeiten die Emulsion erzeugt ist. Die Emulsion lässt sich daher mit dem Roboterarm 110 und der Heizplatte 112 hersteilen, obwohl eine Fähigkeit "Emulgieren" nicht bekannt ist. An exemplary production specification PLAN could include the following production steps PA, PB, PC: filling PA a vessel with water E1, olive oil E2 and emulsifier E3 according to their proportions in the emulsion by means of the robot arm 110; Heating PB the liquid mixture in the vessel to a predetermined temperature by means of the heating plate 112; and shaking PC of the closed vessel by means of the robot arm 110 until the emulsion is produced by the mixing of the liquids achieved. The emulsion can therefore be produced with the robot arm 110 and the heating plate 112, although an "emulsifying" ability is not known.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für das Ermitteln einer Herstellungsvorschrift PLAN auf Basis formaler Beschreibungen F110, FEI, FP. In diesem Beispiel sind die formalen Zusammenhänge zwischen einer Steu ergröße XI, vorliegend ein Ansteuerstrom, einer Stellgröße X2, vorliegend eine erzeugte Wärmemenge, und Eigenschaftspa rametern X3, vorliegend die Temperatur von Edukt El (siehe Fig. 1) und Produkt P (siehe Fig. 1), beispielhaft angegeben. Fig. 2 shows a schematic block diagram of an example for determining a manufacturing specification PLAN on the basis of formal descriptions F110, FEI, FP. In this example, the formal relationships between a control variable XI, in this case a control current, a manipulated variable X2, in this case an amount of heat generated, and property parameters X3, in this case the temperature of educt El (see Fig. 1) and product P (see Fig. 1), given as an example.
Das Produkt P ist heißes Wasser, wobei die Temperatur in Form der vorbestimmten Produkteigenschaften SPEC auf ein Intervall festgelegt ist. Dieses Temperaturintervall ist in der forma len Produkt-Beschreibung FP in Form von zwei Ungleichungen wiedergegeben, wobei die tatsächliche Temperatur T des Pro dukts P den Eigenschaftsparameter X3 darstellt und die vorbe stimmte Spezifikation SPEC durch eine untere Grenze Tmin (z.B. 80°C) und eine obere Grenze Tmax (z.B. 105°C) enthalten ist. Das Edukt El ist beispielsweise Wasser. Die formale Edukt- Beschreibung FEI enthält als einen formalen Zusammenhang eine Gleichung, die die Temperatur T als den Eigenschaftsparameter X3 in Relation zu der zugeführten Wärmemenge Q als der Stell größe X2 setzt. Hierbei ist TO die Ausgangstemperatur des Wassers El, c ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser und m ist die Masse des zu erhitzenden Wassers El. The product P is hot water, the temperature being fixed at an interval in the form of the predetermined product properties SPEC. This temperature interval is given in the formal product description FP in the form of two inequalities, where the actual temperature T of the product P represents the property parameter X3 and the predetermined specification SPEC by a lower limit Tmin (e.g. 80 ° C) and a upper limit Tmax (e.g. 105 ° C) is included. The educt El is, for example, water. The formal educt description FEI contains, as a formal relationship, an equation which sets the temperature T as the property parameter X3 in relation to the supplied amount of heat Q as the manipulated variable X2. Here, TO is the starting temperature of the water El, c is the specific heat capacity of water and m is the mass of the water to be heated El.
Die Produktionsanlage 110 (siehe Fig. 1) ist beispielsweise eine Heizplatte. Die formale Fähigkeiten-Beschreibung F110 der Heizplatte 110 enthält als einen formalen Zusammenhang eine Gleichung, die eine erzeugte Wärmemenge Q als die Stell größe X2 als Funktion des zeitlich variablen Ansteuerstroms I (t) als die Steuergröße XI darstellt. U bezeichnet hierbei eine festgelegte Ansteuerspannung, tO ist ein Anfangszeit punkt und tl ist ein Endzeitpunkt für das Bestromen der Heiz platte 110. The production facility 110 (see FIG. 1) is, for example, a heating plate. The formal capability description F110 of the heating plate 110 contains an equation as a formal relationship which represents a generated amount of heat Q as the manipulated variable X2 as a function of the control current I (t), which is variable over time, as the controlled variable XI. In this case, U denotes a defined control voltage, tO is a starting point in time and tl is an end point in time for energizing the heating plate 110.
Die Steuereinheit 105 setzt die formalen Zusammenhänge in Re lation zueinander, das heißt, sie verknüpft gleiche Größen miteinander. Vorliegend erkennt die Steuereinheit 105 insbe sondere, dass das Wasser El durch die Heizplatte 110 erhitzt werden kann, wobei die Stellgröße X2 (die Wärmemenge Q) in den formalen Zusammenhängen der Heizplatte 110 und des Was sers El einander entsprechen. Beispielsweise führt die Steue rungseinheit 105 eine Simulation durch, die in der Fig. 2 durch zwei Diagramme dargestellt ist. Das linke Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf des Ansteuerstroms XI für die Heizplatte 110. Zu einem Zeitpunkt tO wird der Ansteuerstrom I auf den maximalen Wert Imax gesetzt, was zu einer Wärmezu fuhr zu dem Wasser El und damit zu einer Temperaturerhöhung führt. Das rechte Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperatur X3 des Wassers El. Hier sind auch die beiden aus der formalen Produkt-Beschreibung FP bekannten Grenzwerte Tmin, Tmax eingetragen. Die Temperatur X3 des Wassers El er höht sich ausgehend von dem Startwert T0 beispielsweise line ar, so lange der Ansteuerstrom XI konstant ist. Zum Zeitpunkt tl ist die Temperatur X3 über dem unteren Grenzwert Tmin, weshalb der Ansteuerstrom XI ausgeschaltet wird. Damit ist das Produkt P aus dem Edukt El hergestellt. The control unit 105 relates the formal relationships to one another, that is, it links the same variables with one another. In the present case, the control unit 105 recognizes in particular that the water El can be heated by the heating plate 110, the manipulated variable X2 (the amount of heat Q) corresponding to one another in the formal context of the heating plate 110 and the water El. For example, the control unit 105 carries out a simulation, which is shown in FIG. 2 by two diagrams. The left diagram shows a time profile of the control current XI for the heating plate 110. At a point in time t0, the control current I is set to the maximum value Imax, which leads to a heat supply to the water El and thus to an increase in temperature. The right diagram shows the time course of the temperature X3 of the water El. The two limit values Tmin, Tmax known from the formal product description FP are also entered here. The temperature X3 of the water El it increases starting from the starting value T0, for example linearly, as long as the control current XI is constant. At time tl, the temperature X3 is above the lower limit value Tmin, which is why the control current XI is switched off. The product P is thus produced from the educt E1.
Basierend auf dieser Simulation ermittelt die Steuereinheit 105 die Herstellungsvorschrift PLAN, die einen einzigen Pro duktionsschritt PA umfasst, der das Erhitzen des Wassers El bewirkt . Based on this simulation, the control unit 105 determines the manufacturing specification PLAN, which includes a single production step PA, which causes the heating of the water El.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für ein Automatisierungssystem 100. Das Automatisie rungssystem 100 umfasst drei Produktionsanlagen 110, 111,Fig. 3 shows a schematic block diagram of an example for an automation system 100. The automation system 100 comprises three production systems 110, 111,
112, die durch die Steuerungseinheit 105 gesteuert werden.112 controlled by the control unit 105.
Die Steuerungseinheit 105 ist in diesem Beispiel mit einer ersten Datenbank 101 verbunden, die die digitalen Zwillinge DU O, Dill, D112 der in dem Automatisierungssystem 100 ange ordneten Produktionsanlagen 110, 111, 112 speichert und auf Abruf bereitstellt. Weiterhin ist die Steuerungseinheit 105 mit einer zweiten Datenbank 102 verbunden, die die digitalen Zwillinge DE1, DE2, DE3 der in dem Automatisierungssystem 100 vorhandenen Edukte El, E2, E3 (siehe Fig. 1) speichert und auf Abruf bereitstellt. Basierend auf den digitalen Zwillin gen DU O, Dil, D112, DE1, DE2, DE3 werden formale Beschrei bungen Fl10, Fl11, Fl12, FEI, FE2, FE3 erzeugt. In Ausfüh rungsformen sind die formalen Beschreibungen F110, Flll,In this example, the control unit 105 is connected to a first database 101, which stores the digital twins DU O, Dill, D112 of the production systems 110, 111, 112 arranged in the automation system 100 and makes them available on request. Furthermore, the control unit 105 is connected to a second database 102 which stores the digital twins DE1, DE2, DE3 of the educts E1, E2, E3 (see FIG. 1) present in the automation system 100 and makes them available on request. Formal descriptions Fl10, Fl11, Fl12, FEI, FE2, FE3 are generated based on the digital twins DU O, Dil, D112, DE1, DE2, DE3. The formal descriptions F110, Fll,
F112, FEI, FE2, FE3 in den digitalen Zwillingen DU O, Dil, D112, DE1, DE2, DE3 enthalten oder mit diesen gemeinsam in der jeweiligen Datenbank 101, 102 gespeichert. F112, FEI, FE2, FE3 are contained in the digital twins DU O, Dil, D112, DE1, DE2, DE3 or are stored together with them in the respective database 101, 102.
Eine Bestellung eines Produkts P (siehe Fig. 1) wird in Form eines digitalen Zwilling DP des Produkts P der Steuereinheit 105 zugeführt. Die Steuereinheit 105 ermittelt zunächst, ob für die automatische Herstellung des Produkts P alle notwen digen Edukte El, E2, E3 vorhanden sind und ob die dafür not wendigen Fähigkeiten bekannt sind. Hierzu fragt die Steuer einheit 105 eine verbundene Fähigkeiten-Datenbank 120 ab. Die Fähigkeiten-Datenbank 120 speichert beispielsweise alle vor bestimmten Fähigkeiten der Produktionsanlagen 110, 111, 112 und zusätzlich alle im Laufe der Zeit neu ermittelten forma- len Fähigkeiten. Wenn alle benötigten Fähigkeiten in der Fä- higkeiten-Datenbank 120 bekannt sind, ermittelt die Steuer einheit 105 eine Herstellungsvorschrift PLAN für das Produkt P aus den bekannten Fähigkeiten. Ansonsten versucht die Steu ereinheit 105, wie vorstehend anhand der Fig. 1 oder 2 be schrieben, auf Grundlage der formalen Beschreibungen F110, Flll, F112, FEI, FE2, FE3, FP eine neue formale Fähigkeit zu ermitteln, um die automatische Herstellung des Produkts P mit den vorhandenen Mitteln zu ermöglichen. An order for a product P (see FIG. 1) is fed to the control unit 105 in the form of a digital twin DP of the product P. The control unit 105 first determines whether all necessary educts E1, E2, E3 are available for the automatic production of the product P and whether the necessary skills are known. To this end, the control unit 105 queries a connected skills database 120. The capabilities database 120 stores, for example, all of the capabilities of the production systems 110, 111, 112 before certain capabilities and, in addition, all of the formats newly determined over time. len skills. If all the required skills are known in the skills database 120, the control unit 105 determines a manufacturing specification PLAN for the product P from the known skills. Otherwise, the control unit 105 tries, as described above with reference to FIGS. 1 or 2, based on the formal descriptions F110, Fll, F112, FEI, FE2, FE3, FP to determine a new formal capability in order to automatically manufacture the product P to make possible with the available means.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Bei spiels für ein Verfahren zum Betreiben eines Automatisie rungssystems 100 (siehe Fig. 1 oder 3). Das Automatisierungs system 100 umfasst wenigstens eine Produktionsanlage 110,Fig. 4 shows a schematic block diagram of an example of a method for operating an automation system 100 (see Fig. 1 or 3). The automation system 100 comprises at least one production plant 110,
111, 112 (siehe Fig. 1 oder 3) zum automatisierten Herstellen eines Produkts P (siehe Fig. 1) mit vorbestimmten Produktei genschaften SPEC (siehe Fig. 1 oder 2) aus einer Anzahl von N Edukten El, E2, E3 (siehe Fig. 1), wobei N > 1 ist. Das Pro dukt P und jedes Edukt El, E2, E3 sind durch eine Anzahl von Eigenschaftsparametern X3 (siehe Fig. 1 oder 2) charakteri sierbar. 111, 112 (see Fig. 1 or 3) for the automated production of a product P (see Fig. 1) with predetermined product properties SPEC (see Fig. 1 or 2) from a number of N starting materials E1, E2, E3 (see Fig . 1), where N> 1. The product P and each educt El, E2, E3 can be characterized by a number of property parameters X3 (see Fig. 1 or 2).
In einem ersten Schritt S1 wird ein digitaler Zwilling DU O, Dill, D112 (siehe Fig. 1 oder 3) für jede Produktionsanlage 110, 111, 112 des Automatisierungssystems 100, ein digitaler Zwilling DE1, DE2, DE3 (siehe Fig. 1 oder 3) für jedes der N Edukte El, E2, E3 und ein digitaler Zwilling DP (siehe Fig. 1 oder 3) des herzustellenden Produkts P bereitgestellt. In a first step S1, a digital twin DU O, Dill, D112 (see Fig. 1 or 3) for each production plant 110, 111, 112 of the automation system 100, a digital twin DE1, DE2, DE3 (see Fig. 1 or 3 ) for each of the N educts E1, E2, E3 and a digital twin DP (see Fig. 1 or 3) of the product P to be produced is provided.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine formale Fähigkeiten- Beschreibung F110, Flll, F112 (siehe Fig. 1 - 3) für jede Produktionsanlage 110, 111, 112 auf Basis des jeweiligen digitalen Zwillings DU O, Dill, D112 der Produktionsanlage 110, 111, 112 erzeugt, wobei die formale Fähigkeiten-Be- schreibung F110, Flll, F112 einen formalen Zusammenhang zwischen einer Steuergröße XI (siehe Fig. 1 oder 2) der Produktionsanlage 110, 111, 112 und einer der Steuergröße XI zugehörigen Stellgröße X2 (siehe Fig. 1 oder 2) in einer Formalsprache umfasst. In a second step S2, a formal skill description F110, Fll, F112 (see FIGS. 1 - 3) is created for each production plant 110, 111, 112 on the basis of the respective digital twin DU O, Dill, D112 of the production plant 110, 111, 112 is generated, the formal ability description F110, Fll, F112 a formal relationship between a control variable XI (see FIG. 1 or 2) of the production plant 110, 111, 112 and one of the control variable XI associated manipulated variable X2 (see Fig. 1 or 2) in a formal language.
In einem dritten Schritt S3 wird eine formale Edukt-Beschrei bung FEI, FE2, FE3 (siehe Fig. 1 - 3) für jedes der N Edukte El, E2, E3 auf Basis des digitalen Zwillings DE1, DE2, DE3 des jeweiligen Edukts El, E2, E3 erzeugt, wobei die jeweilige formale Edukt-Beschreibung FEI, FE2, FE3 einen formalen Zusammenhang zwischen der Stellgröße X2 und den Eigenschafts parametern X3 des Edukts El, E2, E3 in der Formalsprache umfasst. In a third step S3, a formal educt description FEI, FE2, FE3 (see Fig. 1 - 3) for each of the N educts El, E2, E3 on the basis of the digital twin DE1, DE2, DE3 of the respective educt El, E2, E3 generated, the respective formal educt description FEI, FE2, FE3 comprising a formal relationship between the manipulated variable X2 and the property parameters X3 of the educt El, E2, E3 in the formal language.
In einem vierten Schritt S4 wird eine formale Produkt- Beschreibung FP (siehe Fig. 1 - 3) des Produkts P auf Basis des digitalen Zwillings DP des Produkts P erzeugt, wobei die formale Produkt-Beschreibung FP einen formalen Zusammenhang zwischen den vorbestimmten Produkteigenschaften SPEC und den Eigenschaftsparametern X3 des Produkts (P) in der Formalsprache umfasst. In a fourth step S4, a formal product description FP (see FIGS. 1-3) of the product P is generated on the basis of the digital twin DP of the product P, the formal product description FP showing a formal relationship between the predetermined product properties SPEC and the property parameters X3 of the product (P) in the formal language.
In einem fünften Schritt S5 wird eine Herstellungsvorschrift PLAN (siehe Fig. 1 - 3) zum Herstellen des Produkts P unter Verwendung der formalen Fähigkeiten-Beschreibung F110, Flll, F112, der formalen Edukt-Beschreibung FEI, FE2, FE3 und der formalen Produkt-Beschreibung FP ermittelt, wobei die Her stellungsvorschrift PLAN eine Abfolge von Produktionsschrit ten PA, PB, PC (siehe Fig. 1 oder 2) umfasst, wobei jedem der Produktionsschritte PA, PB, PC eine für die Durchführung des Produktionsschritts PA, PB, PC geeignete Fähigkeit der wenigstens einen Produktionsanlage 110, 111, 112 zugeordnet ist. In a fifth step S5, a manufacturing specification PLAN (see FIGS. 1 - 3) for manufacturing the product P using the formal skill description F110, Fll, F112, the formal educt description FEI, FE2, FE3 and the formal product Description FP determined, the manufacturing regulation PLAN comprising a sequence of production steps PA, PB, PC (see Fig. 1 or 2), each of the production steps PA, PB, PC being one suitable for carrying out the production step PA, PB, PC Capability of the at least one production plant 110, 111, 112 is assigned.
Weitere Schritte des Verfahrens können ein Optimieren einer Herstellungsvorschrift PLAN und/oder eines Produktions schritts PA, PB, PC in Abhängigkeit eines Optimierungsparame ters umfassen. Beispielsweise könnte für eine möglichst kurze Herstellungsdauer eine erhöhte Temperatur verwendet werden, was jedoch einen höheren Energieverbrauch bedeuten würde. Das Verfahren kann auch zum Simulieren eines Automatisie rungssystems 100 verwendet werden. Beispielsweise kann durch eine solche Simulation eine optimale Zusammensetzung des Au tomatisierungssystems 100 bezüglich der Ausstattung mit Pro duktionsanlagen 110, 111, 112 ermittelt werden. Weiterhin lässt sich eine Ergänzung eines existierenden Automatisie rungssystems 100 mit einer zusätzlichen Produktionsanlage si mulieren, auf deren Basis eine bessere Kaufentscheidung für den Betreiber des Automatisierungssystems 100 möglich ist. Further steps of the method can include an optimization of a production instruction PLAN and / or a production step PA, PB, PC as a function of an optimization parameter. For example, an increased temperature could be used for the shortest possible production time, but this would mean a higher energy consumption. The method can also be used to simulate an automation system 100. For example, by means of such a simulation, an optimal composition of the automation system 100 with regard to the equipment with production systems 110, 111, 112 can be determined. Furthermore, an extension of an existing automation system 100 can be simulated with an additional production plant, on the basis of which a better purchase decision for the operator of the automation system 100 is possible.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. So kann vorgesehen sein, dass jede einzelne Produktionsanlage als ein Automatisierungssystem betrachtet und wie vorstehend beschrieben betrieben wird. Jede Produktionsanlage kann somit unabhängig von den weiteren Produktionsanlagen Produkte aus Edukten hersteilen. Wenn ein komplexes Produkt hergestellt werden soll, kann eine Kette von Produktionsschritten, die von unterschiedlichen Produktionsanlagen durchgeführt werden, notwendig sein. Die Produktionsanlagen in dem Verband können beispielsweise ein Edukt, das einem Produkt einer anderen Produktionsanlage entspricht, "bestellen". Beispielsweise be nötigt eine Produktionsanlage zum Herstellen einer Suppe hei ßes Wasser, das sie bei einer Produktionsanlage zum Erhitzen von Flüssigkeiten anfordert (bestellt), welche wiederum die angeforderte Menge Wasser bei einer Abfüllanlage für Wasser anfordert. Auf diese Weise kann der Verband von Produktions anlagen sehr flexibel komplexe Produkte automatisiert her steilen. Bezugszeichenliste Although the present invention has been described using exemplary embodiments, it can be modified in many ways. It can thus be provided that each individual production plant is viewed as an automation system and is operated as described above. Each production plant can thus manufacture products from educts independently of the other production plants. If a complex product is to be manufactured, a chain of production steps carried out by different production plants may be necessary. The production plants in the association can, for example, “order” an educt that corresponds to a product from another production plant. For example, a production plant for making a soup requires hot water, which it requests (orders) from a production plant for heating liquids, which in turn requests the requested amount of water from a bottling plant for water. In this way, the association of production systems can automatically produce complex products in a very flexible manner. List of reference symbols
100 Automatisierungssystem100 automation system
101 Datenbank 101 database
102 Datenbank 102 database
105 Steuerungseinheit 105 control unit
110 Produktionsanlage 110 production plant
111 Produktionsanlage 111 production facility
112 Produktionsanlage 120 Datenbank 112 production plant 120 database
DE1 digitaler Zwilling DE2 digitaler Zwilling DE3 digitaler Zwilling DU O digitaler Zwilling Dill digitaler Zwilling D112 digitaler Zwilling DP digitaler Zwilling El Edukt E2 Edukt E3 Edukt DE1 digital twin DE2 digital twin DE3 digital twin DU O digital twin Dill digital twin D112 digital twin DP digital twin El educt E2 educt E3 educt
F110 formale Beschreibung Flll formale Beschreibung F112 formale Beschreibung FEI formale Beschreibung FE2 formale Beschreibung FE3 formale Beschreibung FP formale Beschreibung P Produkt PA Produktionsschritt PB Produktionsschritt PC Produktionsschritt PLAN HerstellungsvorschriftF110 formal description Fll formal description F112 formal description FEI formal description FE2 formal description FE3 formal description FP formal description P product PA production step PB production step PC production step PLAN manufacturing specification
51 Verfahrensschritt 51 procedural step
52 Verfahrensschritt 52 Process step
53 Verfahrensschritt 53 procedural step
54 Verfahrensschritt 54 procedural step
55 Verfahrensschritt SPEC vorbestimmte Produkteigenschaften XI Steuergröße X2 Stellgröße X3 Eigenschaftsparameter 55 Process step SPEC predetermined product properties XI control variable X2 manipulated variable X3 property parameters

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Automatisierungssystems (100), welches wenigstens eine Produktionsanlage (110 - 112) zum automatisierten Herstellen eines Produkts (P) mit vorbestimmten Produkteigenschaften (SPEC) aus einer Anzahl von N Edukten (El - E3), mit N > 1, umfasst, wobei das Produkt (P) und jedes Edukt (El - E3) durch eine Anzahl von Eigenschaftsparametern (X3) charakterisierbar sind, das Verfahren umfassend: a) Bereitstellen (Sl) eines digitalen Zwillings (DU O - D112) für jede Produktionsanlage (110 - 112) des Automatisie rungssystems (100), eines digitalen Zwillings (DE1 - DE3) für jedes der N Edukte (El - E3) und eines digitalen Zwillings (DP) des herzustellenden Produkts (P), b) Erzeugen (S2) einer formalen Fähigkeiten-Beschreibung (F110 - F112) für jede Produktionsanlage (110 - 112) auf Basis des jeweiligen digitalen Zwillings (DU O - D112) der Produktionsanlage (110 - 112), wobei die formale Fähigkeiten- Beschreibung (F110 - F112) einen formalen Zusammenhang zwischen einer Steuergröße (XI) der Produktionsanlage (110 - 112) und einer der Steuergröße (XI) zugehörigen Stellgröße (X2) in einer Formalsprache umfasst, c) Erzeugen (S3) einer formalen Edukt-Beschreibung (FEI - FE3) für jedes der N Edukte (El - E3) auf Basis des digitalen Zwillings (DE1 - DE3) des jeweiligen Edukts (El - E3), wobei die jeweilige formale Edukt-Beschreibung (FEI - FE3) einen formalen Zusammenhang zwischen der Stellgröße (X2) und den Eigenschaftsparametern (X3) des Edukts (El - E3) in der Formalsprache umfasst, d) Erzeugen (S4) einer formalen Produkt-Beschreibung (FP) des Produkts (P) auf Basis des digitalen Zwillings (DP) des Produkts (P), wobei die formale Produkt-Beschreibung (FP) einen formalen Zusammenhang zwischen den vorbestimmten Produkteigenschaften (SPEC) und den Eigenschaftsparametern (X3) des Produkts (P) in der Formalsprache umfasst, und e) Ermitteln (S5) einer Herstellungsvorschrift (PLAN) zum Herstellen des Produkts (P) unter Verwendung der formalen Fähigkeiten-Beschreibung (F110 - F112), der formalen Edukt- Beschreibung (FEI - FE3) und der formalen Produkt-Beschrei bung (FP), wobei die Herstellungsvorschrift (PLAN) eine Abfolge von Produktionsschritten (PA, PB, PC) umfasst, wobei jedem der Produktionsschritte (PA, PB, PC) eine für die Durchführung des Produktionsschritts (PA, PB, PC) geeignete Fähigkeit der wenigstens einen Produktionsanlage (110 - 112) zugeordnet ist. 1. A method for operating an automation system (100) which has at least one production plant (110-112) for the automated production of a product (P) with predetermined product properties (SPEC) from a number of N starting materials (El-E3), with N> 1 , wherein the product (P) and each educt (El - E3) can be characterized by a number of property parameters (X3), the method comprising: a) providing (Sl) a digital twin (DU O - D112) for each production plant (110 - 112) of the automation system (100), a digital twin (DE1 - DE3) for each of the N starting materials (El - E3) and a digital twin (DP) of the product to be manufactured (P), b) generation (S2) a formal skill description (F110 - F112) for each production plant (110 - 112) based on the respective digital twin (DU O - D112) of the production plant (110 - 112), the formal skill description (F110 - F112) being one formal connection between e A control variable (XI) of the production plant (110 - 112) and a manipulated variable (X2) associated with the control variable (XI) in a formal language, c) generating (S3) a formal educt description (FEI - FE3) for each of the N educts (El - E3) based on the digital twin (DE1 - DE3) of the respective educt (El - E3), whereby the respective formal educt description (FEI - FE3) shows a formal relationship between the manipulated variable (X2) and the property parameters (X3 ) of the educt (El - E3) in the formal language, d) generating (S4) a formal product description (FP) of the product (P) on the basis of the digital twin (DP) of the product (P), the formal product -Description (FP) comprises a formal relationship between the predetermined product properties (SPEC) and the property parameters (X3) of the product (P) in the formal language, and e) determining (S5) a manufacturing specification (PLAN) for manufacturing the product (P) using the formal Skills description (F110 - F112), the formal educt description (FEI - FE3) and the formal product description (FP), the manufacturing specification (PLAN) comprising a sequence of production steps (PA, PB, PC), whereby each of the production steps (PA, PB, PC) is assigned a capability of the at least one production plant (110-112) that is suitable for carrying out the production step (PA, PB, PC).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt e) ferner umfasst: 2. The method according to claim 1, characterized in that step e) further comprises:
Ermitteln von zur Herstellung des Produkts (P) benötigten Fähigkeiten in Abhängigkeit der formalen Produkt-Beschreibung (FP) und der formalen Edukt-Beschreibung (FEI - FE3), und Überprüfen einer Fähigkeiten-Datenbank (120), welche bekannte Fähigkeiten für die wenigstens eine Produktionsanlage (110 - 112) des Automatisierungssystems (100) umfasst, in Abhängig keit der ermittelten benötigten Fähigkeiten. Determination of skills required to manufacture the product (P) as a function of the formal product description (FP) and the formal educt description (FEI - FE3), and checking a skills database (120), which known skills for the at least one Production plant (110-112) of the automation system (100), depending on the required capabilities determined.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: Ermitteln einer neuen Fähigkeit für die wenigstens eine Produktionsanlage (110 - 112) des Automatisierungssystems (100) auf Basis der formalen Fähigkeiten-Beschreibung (F110 - F112) und der formalen Edukt-Beschreibung (FEI - FE3). 3. The method according to claim 1 or 2, characterized by: determining a new capability for the at least one production plant (110-112) of the automation system (100) on the basis of the formal skills description (F110 - F112) and the formal educt description ( FEI - FE3).
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch: Speichern der ermittelten neuen Fähigkeit in der Fähigkeiten- Datenbank (120) für die wenigstens eine Produktionsanlage (110 - 112) des Automatisierungssystem (100). 4. The method according to claim 3, characterized by: storing the determined new capability in the capabilities database (120) for the at least one production plant (110-112) of the automation system (100).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch: 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized by:
Optimieren der Herstellungsvorschrift (PLAN) in Abhängigkeit eines vorbestimmten Optimierungsparameters, indem jedem der Produktionsschritte (PA, PB, PC) der Herstellungsvorschrift (PLAN) diejenige Fähigkeit der wenigstens einen Produktions anlage (110) - (112) zugeordnet wird, die den jeweiligen Produktionsschritt (PA, PB, PC) in Bezug auf den Optimie- rungsparameter optimal durchführt. Optimizing the manufacturing specification (PLAN) as a function of a predetermined optimization parameter in that each of the production steps (PA, PB, PC) of the manufacturing specification (PLAN) is assigned the capability of the at least one production system (110) - (112) that corresponds to the respective Performs the production step (PA, PB, PC) optimally in relation to the optimization parameters.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Schritte b), c) und/oder d) ferner umfasst: 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that one of steps b), c) and / or d) further comprises:
Bereitstellen eines physikalischen Modells und/oder eines chemischen Modells in Abhängigkeit des digitalen Zwillings (DU O - D112) für jede Produktionsanlage (110 - 112) des Automatisierungssystems (100), des digitalen Zwillings (DE1 - DE3) für jedes der Edukte (El - E3) und/oder des digitalen Zwillings (DP) des Produkts (P), und Provision of a physical model and / or a chemical model depending on the digital twin (DU O - D112) for each production plant (110 - 112) of the automation system (100), the digital twin (DE1 - DE3) for each of the educts (El - E3) and / or the digital twin (DP) of the product (P), and
Ermitteln der formalen Fähigkeiten-Beschreibung (F110 - F112), der formalen Edukt-Beschreibung (FEI - FE3) und/oder der formalen Produkt-Beschreibung (FP) in Abhängigkeit des bereitgestellten physikalischen Modells und/oder chemischen Modells . Determination of the formal skills description (F110 - F112), the formal educt description (FEI - FE3) and / or the formal product description (FP) depending on the physical model and / or chemical model provided.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch: Simulieren des physikalischen Modells und/oder des chemischen Modells zum Ermitteln des formalen Zusammenhangs zwischen der Steuergröße (XI) der Produktionsanlage (110 - 112) und der zugehörigen Stellgröße (X2), des formalen Zusammenhangs zwischen der Stellgröße (X2) und den Eigenschaftsparametern (X3) der Edukte (El - E3) und/oder des formalen Zusammenhangs zwischen den vorbestimmten Produkteigenschaften (SPEC) und den Eigenschaftsparametern (X3) des Produkts (P). 7. The method according to claim 6, characterized by: simulating the physical model and / or the chemical model to determine the formal relationship between the control variable (XI) of the production plant (110-112) and the associated manipulated variable (X2), the formal relationship between the manipulated variable (X2) and the property parameters (X3) of the educts (El - E3) and / or the formal relationship between the predetermined product properties (SPEC) and the property parameters (X3) of the product (P).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, gekennzeichnet durch: 8. The method according to any one of claims 1 - 7, characterized by:
Erfassen eines Werts von wenigstens einem der Eigenschafts parameter (X3) des wenigstens einen Edukts (El - E3) und/oder eines Werts von wenigstens einem der Eigenschaftsparameter (X3) des Produkts (P), und Detecting a value of at least one of the property parameters (X3) of the at least one educt (El-E3) and / or a value of at least one of the property parameters (X3) of the product (P), and
Herstellen des Produkts (P) gemäß der ermittelten Herstel lungsvorschrift (PLAN) und in Abhängigkeit des erfassten Werts. Manufacture of the product (P) according to the determined manufacturing specification (PLAN) and depending on the recorded value.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, gekennzeichnet durch: 9. The method according to any one of claims 1 - 8, characterized by:
Herstellen eines ersten Produkts (P) aus den Edukten (El - E3) mittels einer ersten Produktionsanlage (110 - 112) des Automatisierungssystems (100) gemäß einer ersten Herstel lungsvorschrift (PLAN), und Production of a first product (P) from the educts (El-E3) by means of a first production plant (110-112) of the automation system (100) in accordance with a first production specification (PLAN), and
Herstellen eines zweiten Produkts (P) unter Verwendung des hergestellten ersten Produkts (P) als ein Edukt (El - E3) mittels einer zweiten Produktionsanlage (110 - 112) des Automatisierungssystems (100) gemäß einer zweiten Herstel lungsvorschrift (PLAN). Production of a second product (P) using the produced first product (P) as an educt (El-E3) by means of a second production plant (110-112) of the automation system (100) according to a second production specification (PLAN).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der formale Zusammenhang eine Zuordnung der Steuergröße (XI) zu der Stellgröße (X2), eine Zuordnung der Stellgröße (X2) zu den Eigenschaftsparametern (X3) der Edukte (El - E3) und/oder eine Zuordnung der vorbestimmten Produkteigenschaft (SPEC) zu den Eigenschaftsparametern (X3) des Produkts (P) in Form von einer algebraischen Gleichung, einer Differentialgleichung, einer Tensorgleichung, und/oder einer Abbildung umfasst. 10. The method according to any one of claims 1 - 9, characterized in that the formal relationship is an assignment of the control variable (XI) to the manipulated variable (X2), an assignment of the manipulated variable (X2) to the property parameters (X3) of the educts (El - E3) and / or an assignment of the predetermined product property (SPEC) to the property parameters (X3) of the product (P) in the form of an algebraic equation, a differential equation, a tensor equation, and / or a mapping.
11. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veran lassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10 auszu führen. 11. Computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to execute the method according to any one of claims 1-10.
12. Automatisierungssystem (100) mit wenigstens einer Produktionsanlage (110 - 112) zum automatisierten Herstellen eines Produkts (P) mit vorbestimmten Produkteigenschaften (SPEC) aus zumindest einem Edukt (El - E3), mit N > 1, und mit einer Steuerungseinheit (105), die zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 10 eingerichtet ist. 12. Automation system (100) with at least one production plant (110-112) for the automated production of a product (P) with predetermined product properties (SPEC) from at least one educt (El-E3), with N> 1, and with a control unit (105 ), which is set up to carry out the method according to any one of claims 1-10.
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