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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines technischen Prozesses gemäß Patentanspruch 1.
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Zur Analyse technischer Prozesse, wie z. B. industrieller Fertigungsprozesse, ist es bereits bekannt, sowohl Messdaten aus dem Prozess als auch Bilder des Prozesses zu erfassen und online oder offline zu visualisieren.
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Im Falle der
EP 1 312 990 A2 werden zur Störungsanalyse oder zur Überwachung einer technischen Anlage sowohl Messdaten aus der Anlage als auch auf einen mechanischen Bewegungsablauf der Anlage bezogene Bilddaten an eine Regelungseinrichtung übermittelt und in der Regelungseinrichtung mit einem Zeitstempel versehen. Dieser Zeitstempel legt den genauen Erfassungszeitpunkt der Daten fest und ermöglicht es, die Bilddaten und die Messdaten zur Analyse der technischen Anlage zeitsynchronisiert anzuzeigen und/oder weiter zu verarbeiten.
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Auch aus dem Abstract der Japanischen Offenlegungsschrift
JP 2001 125612 A ist es bekannt, von einer Produktionseinrichtung sowohl Bilddaten als auch Daten eines PLC (programmable logic controller) in einer zentralen Erfassungseinheit zu erfassen und dort mit einem Zeitstempel zu versehen, um eine spätere zeitchronisierte Analyse der Daten zu ermöglichen.
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Aus der
DE 102 36 843 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Fertigungsanlage bekannt, wobei Daten der Anlage durch ein Erfassungsmittel erfasst und in einer Echtzeitdatenbank abgespeichert werden, über die sie wiederum Auswerteeinheiten für eine Auswertung zur Verfügung stehen. Dabei werden die erfassten Daten entweder durch das Erfassungsmittel oder bei der Aufzeichnung in der Echtzeitdatenbank mit einem eindeutigen Zeitstempel verknüpft.
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Aus der
EP 1 256 858 A2 ist ein Mess- und Steuersystem bekannt, das aus mehreren Mess-/Ausgabemodulen besteht, die über eine Kommunikationseinrichtung miteinander in Verbindung stehen. Zur zeitlichen Koordinierung der Messungen oder Ausgaben umfassen die Mess-/Ausgabemodulen jeweils einen Zeitgeber, wobei die Zeitgeber sämtlicher Module miteinander synchronisiert sind. Die Synchronisierung der Zeitgeber erfolgt durch die Messung von Laufzeiten von Datenpaketen, die über die Kommunikationseinrichtung übertragen werden, und der gegenseitigen Benachrichtigung der Zeitgeber über diese Laufzeiten.
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Bei einer technischen Anlage mit weit voneinander getrennten, dezentralen Einheiten ist für die Analyse des technischen Prozesses die zeitliche Abfolge der von den einzelnen dezentralen Einheiten erfassten Mess- und Bilddaten von Bedeutung. Insbesondere bei einer Störung ist zur Ermittlung der auslösenden Ursache eine hochgenaue Analyse der zeitlichen Abfolge der von den Mess- und den Bilderfassungs-Einrichtungen erzeugten Daten erforderlich.
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Dies gilt insbesondere für schnelle technische Prozesse, wie z. B. bei Fertigungsprozessen für durchlaufende Warenbahnen wie Papier und Kunststofffolien, für die aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Warenbahn (z. B. 180 km/h im Fall einer Papierbahn in einer Papiermaschine) eine Messdaten- und Bilddaten-Erfassung im Millisekunden-Bereich, besser noch im Mikrosekundenbereich, notwendig ist.
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Bei räumlich weit (beispielsweise mehrere hundert Meter und mehr) von der zentralen Erfassungseinheit entfernten Mess- und Bilderfassungs-Einrichtungen besteht allerdings das Problem, dass z. B. aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten der Daten von den dezentralen Mess- und Bilderfassungseinrichtungen zu der zentralen Erfassungseinheit die Zeitstempelung eine gewisse Unschärfe aufweist, so dass unter Umständen eine klare Aussage über die zeitliche Abfolge der von den Mess- und Bilderfassungseinrichtungen abgegebenen Daten nicht möglich ist. Dies führt zu einer Unschärfe in der zeitsynchronen Zuordnung der Bilddaten zu den Messdaten. Die unterschiedlichen Laufzeiten können durch die Länge der Übertragungswege, aber auch durch in die Übertragungswege geschaltete Einrichtungen verursacht sein.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analyse eines technischen Prozesses anzugeben, die auch im Fall einer räumlich weiten Entfernung zwischen einer zentralen Erfassungseinheit und den Mess- und Bilderfassungseinrichtungen eine hochgenaue Zeitsynchronisation der Bild- und Messdaten ermöglichen.
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Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wendet sich ab von der bisherigen Vorgehensweise, eine Zeitstempelung der Mess- und Bilddaten in der zentralen Erfassungseinheit vorzunehmen. Vielmehr erfolgt die Zeitstempelung nun unmittelbar vor Ort, d. h. dezentral, in den Mess- und Bilderfassungseinrichtungen. Da die Mess- und Bilddaten bereits in den dezentralen Einrichtungen mit dem Zeitstempel versehen werden, ist die Datenübertragungszeit zu der zentralen Erfassungseinheit unkritisch. Da weiterhin der Zeitstempel an sämtlichen Mess- und Bilderfassungseinrichtungen zur Verfügung steht, ist zudem gewährleistet, dass beispielsweise gleichzeitig auftretende Ereignisse sowohl von den Messeinrichtungen als auch den Bilderfassungseinrichtungen mit dem gleichen Zeitstempel, also mit der gleichen Zeitangabe, versehen werden. Mit Hilfe der Zeitstempel ist in der zentralen Erfassungseinheit somit eine hochgenaue Zeitsynchronisation der Mess- und Bilddaten möglich, so dass Bilder und Messwerte im Bereich von Mikrosekunden oder weniger miteinander zeitsynchronisiert zur Anzeige gebracht oder weiterverarbeitet werden können.
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Ein sämtlichen Einrichtung zur Verfügung stehender Zeitstempel kann dadurch erzeugt werden, dass der zumindest einen dezentralen Messeinrichtung und der zumindest einen dezentralen Bilderfassungseinrichtung ein gemeinsamen Zeitgeber zur Lieferung einer Zeitangabe für den Zeitstempel zugeordnet ist. Der Zeitgeber kann hierbei drahtlos oder drahtgebunden sowohl mit der zumindest einen dezentralen Messeinrichtung als auch mit der zumindest einen dezentrale Bilderfassungseinrichtung verbunden sein.
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Erfindungsgemäß ist der gemeinsame Zeitgeber ein Bussystem, über das die zumindest eine Messeinrichtung und die zumindest eine Bilderfassungseinrichtung miteinander verbunden sind. Bei diesem Bussystem kann es sich z. B. um ein Messbussystem handeln, an das auch die zentrale Erfassungseinheit angeschlossen ist und über das die Messdaten und die Bilddaten an die zentrale Erfassungseinheit übertragen werden.
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Hierbei wird der Bustakt des Bussystems als Zeitangabe für den Zeitstempel herangezogen. Der Bustakt gibt dann unmittelbar und direkt die Zeit an, mit der die Messdaten und Bilddaten versehen werden. Es wird also auf ein standardmäßig im Bussystem integriertes Zeitelement zugegriffen, so dass die Zeitstempelung ohne besonderen Mehraufwand erfolgen kann. Beispielsweise zählt der Bustakt periodisch von Null auf eine vorgegebene Endzeit hoch. Bei der Zeitstempelung über den Bustakt handelt es sich dann um eine relative Zeitstempelung, da die über den Bustakt abgegebenen Zeitangaben sich nach Durchlauf einer Bustaktperiode wiederholen. Für die Analyse der meisten Messaufgaben ist es hinreichend, eine genaue Aussage über die relative Zeit eines Messwertes zu einem aufgenommenen Bild zu erhalten.
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Falls gewünscht können den an den Mess- und Bilderfassungseinrichtungen über den Bustakt mit einer relativen Zeitangabe versehenen Daten auch absolute Zeiten zugeordnet werden. Hierzu können die vom Bustakt vorgegebenen relativen Zeitangaben des Zeitstempels in der zentralen Erfassungseinheit in eine absolute Zeitangabe umgerechnet werden. Genauere Details über das Umrechnungsverfahren können der deutschen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Anmeldeaktenzeichen 10 2004 012 506.6 (
DE 10 2004 012 506 A1 ) entnommen werden.
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Für eine besonders hochgenaue Zeitsynchronisation der Bilddaten mit den Messdaten werden die Bilddaten jedes einzelnen Bildes jeweils mit einem eigenen Zeitstempel versehen. Alternativ können aber auch Bilddaten einer vorgegebenen Anzahl von Bildern zu einer Gruppe zusammengefasst und mit einem gemeinsamen Zeitstempel versehen werden. In der zentralen Erfassungseinheit können dann aus dem gemeinsamen Zeitstempel der Bilddaten eine Gruppe von Bildern durch zeitliche Linearisierung die Zeitstempel der Bilddaten der einzelnen Bilder gewonnen werden.
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Erfindungsgemäß ist der zumindest einen dezentralen Messeinrichtung und der zumindest einen dezentralen Bilderfassungseinrichtung ein gemeinsamer Zeitgeber zur Lieferung einer Zeitangabe für den Zeitstempel zugeordnet.
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Weitere Vorteile der Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Funktional gleiche Elemente sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine erste, prinzipielle Ausführungsform einer Einrichtung zur Analyse eines technischen Prozesses,
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2 eine zweite besonders vorteilhafte Ausführungsform einer Einrichtung zur Analyse eines technischen Prozesses,
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3 eine prinzipielle Darstellung einer Zeitstempelung der Bilddaten jedes einzelnen Bildes,
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4 eine prinzipielle Darstellung einer Zeitstempelung der Bilddaten einer Gruppe von Bildern,
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5 eine Gewinnung der einzelnen Zeitstempel der Bilddaten einer Gruppe von Bildern anhand eines gemeinsamen Zeitstempels durch zeitliche Linearisierung.
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1 zeigt eine Einrichtung 1 zur Analyse eines technischen Prozesses 10. Bei dem technischen Prozess 10 handelt es sich um einen Fertigungsprozess für eine durchlaufende Warenbahn 11, wie z. B. Papier, die durch Umroller 12 geführt durch eine nicht weiter dargestellte, räumlich weit verteilte Anlage zur Herstellung der Warenbahn 11 läuft. Für den Fertigungsprozess werden eine Vielzahl von Antriebs-, Energieversorgungs- und Automatisierungskomponenten benötigt, von denen in 1 beispielhaft nur zwei Motoren 13 und eine Automatisierungskomponente 14 dargestellt sind.
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Mit Hilfe von Messeinrichtungen 2 werden von den Motoren 13 bzw. der Automatisierungskomponente 14 Messsignale erfasst und als Messdaten über Verbindungsleitungen 6 zu einer zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 übertragen. Die Messeinrichtungen 2 können beispielsweise einen Signalgeber 2a aufweisen, der Messsignale an eine Einrichtung 2b übergibt, die aus den Messsignalen Messdaten M zur Übertragung an die zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 generiert. Weiterhin umfasst jede der Messeinrichtungen 2 eine Zeitstempelungsvorrichtung 2c, in der die Messdaten M mit einem Zeitstempel versehen und anschließend über eine Verbindungsleitung 6 als zeitgestempelte Messdaten MZ an die zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 übermittelt werden. Natürlich kann die Übertragung der zeitgestempelten Messdaten MZ statt über diskrete Verbindungsleitungen 6 auch über ein Bussystem (siehe 2) oder drahtlos, z. B. über ein Wireless LAN, erfolgen.
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Für eine hochgenaue visuelle Analyse des technischen Prozesses 10 weist die Einrichtung 1 zudem Bilderfassungseinrichtungen 3 auf, die in unmittelbarer Nähe zu der Warenbahn 11 positioniert sind und mit hoher Frequenz Bilder der Warenbahn 11 an einer bestimmten Stelle des Prozesses 10 erfassen. Die Bilderfassungseinrichtungen 3 weisen hierzu beispielsweise einen Bildaufnehmer 3a zur Umwandlung optischer Bilder in elektrische Signale auf, die an eine Verarbeitungseinheit 3b weitergegeben werden, in der die elektrischen Signale in Bilddaten B umgewandelt werden. Die Bilderfassungseinrichtungen 3 umfassen hierbei jeweils eine Zeitstempelungsvorrichtung 3c, in der die Bilddaten mit einem Zeitstempel versehen und anschließend über eine Verbindungsleitung 6 als zeitgestempelte Bilddaten BZ an die zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 übermittelt werden.
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Die Messeinrichtungen 2 und die Bilderfassungseinrichtungen 3 weisen sowohl zu der zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 als auch zueinander eine große räumliche Entfernung, z. B. im Bereich von 100 m und mehr, auf.
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Die Zeitstempelungseinrichtungen 2c und 3c sind mit einem gemeinsamen Zeitgeber 5 zur Lieferung einer Zeitangabe für einen Zeitstempel zur Zeitstempelung der Messdaten M und der Bilddaten B in den Zeitstempelungseinrichtungen 2c und 3c verbunden. In sämtlichen Zeitstempelungseinrichtungen 2c und 3c steht somit ein Zeitstempel für eine Zeitstempelung zur Verfügung. Der Zeitgeber 5 kann hierbei sowohl drahtgebunden als auch drahtlos über die strichliert gezeichneten Verbindungen 9 mit den Messeinrichtungen 2 bzw. Bilderfassungseinrichtungen 3 verbunden sein.
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Die zeitgestempelten Messdaten MZ bzw. Bilddaten BZ werden von den Messeinrichtungen 2 bzw. Bilderfassungseinrichtungen 3 an die zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 übermittelt, in der sie abgespeichert werden. Dort können sie zu einem späteren Zeitpunkt, d. h. offline, zeitsynchronisiert auf einer Anzeigeeinheit 8 zur Anzeige gebracht werden. Beispielhaft ist in 1 in der Anzeigeeinheit 8 ein aus Messdaten M gewonnener zeitlicher Verlauf 18 eines Messsignals über Bildern P dargestellt, die aus zu gleichen Zeiten aufgenommenen Bilddaten B gewonnenen wurden.
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Aufgrund der Zeitstempelung dezentral in den Messeinrichtungen 2 und Bilderfassungseinrichtungen 3 spielen Laufzeiten der Mess- und Bilddaten auf den Verbindungsleitungen 6 zu der zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 keine Rolle und die zeitliche Synchronisation der Bild- und Messdaten kann in der zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 mit höchster Genauigkeit erfolgen.
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Bei der in 2 dargestellten Einrichtung 21 zur Analyse eines technischen Prozesses 10 ist der gemeinsame Zeitgeber ein Bussystem 7, über das die Messeinrichtung 2, die Bilderfassungseinrichtungen 3 und die zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 miteinander verbunden sind und über das auch die Übertragung der zeitgestempelten Messdaten MZ und Bilddaten BZ erfolgt. Bevorzugt wird hierbei der Bustakt BT als Zeitangabe für den Zeitstempel herangezogen. Bei dem Bussystem handelt es sich insbesondere um ein standardisiertes Bussystem, insbesondere um ein Bussystem mit der Bezeichnung IEEE 1394. Dieses Bussystem ist auch unter dem Namen „Firewire” bekannt. Über den durch dieses Bussystem zur Verfügung gestellten Bustakt ist eine besonders hochgenaue relative Zeitstempelung möglich.
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Anhand der 3 bis 5 soll die Zeitstempelung in den Mess- und Bilderfassungseinrichtungen 2 bzw. 3 der 1 bis 2 näher erläutert werden. Gemäß 3 werden in einer Bilderfassungseinrichtung 3 aus einem Bild P digitale Bilddaten B erzeugt, die mit einem Zeitstempel Z versehen und an die zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 übertragen werden. Für eine besonders genaue Zeitsynchronisation mit Messdaten M oder anderen Bilddaten B in der zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 sind die Bilddaten B jedes einzelnen Bildes P jeweils mit einem eigenen Zeitstempel Z versehen.
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Bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit der Zeitsynchronisation ist es gemäß 4 ausreichend, wenn jeweils Bilddaten B1, B2, B3 einer vorgegebenen Anzahl von Bildern P1, P2, P3 zu einer Gruppe B' zusammengefasst und mit einem gemeinsamen Zeitstempel Z' versehen werden.
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Auch bei einer solchen Zusammenfassung zu einer Gruppe ist es möglich, in der zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 die Genauigkeit einer Einzelzeitstempelung zu erzielen. Hierzu werden in der zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 aus dem gemeinsamen Zeitstempel Z' der Bilddaten der Gruppe B' von Bilddaten B1, B2, B3 durch zeitliche Linearisierung die Zeitstempel Z1, Z2, Z3 der Bilddaten B1, B2, B3 der einzelnen Bilder P1, P2, P3 wiedergewonnen. Wie 5 zeigt, gilt für den Zeitstempel Zn der Bilddaten Bn: Zn = Z' + ΔTn. Hierbei ist Z' der Zeitstempel der zeitlich frühesten Daten, d. h. der Daten B1, und ΔTn ein Offset, der sich in im Wesentlichen selbsterklärender Weise aus der Kennlinie 20 der 5 bestimmt. In dem dargestellten Diagramm ist auf der Ordinate der Offset ΔT für die Bilddaten B1, B2 und B3 über den Zeitpunkten t der Erzeugung der Bilddaten B1, B2, B3 dargestellt. Eine Zeitstempelung erfolgt hierbei jeweils in zeitlichen Abständen von T, wobei zwischen aufeinander folgenden Zeitstempelungen Z' jeweils Bilddaten B1, B2, B3 dreier Bilder P1, P2, P3 erzeugt und an die zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 4 übertragen werden. Für die Bilddaten B1, erzeugt zum Zeitpunkt Zeitstempelung Z', ergibt sich somit ein Offset von ΔT1 = 0, für die Bilddaten B2, erzeugt zum Zeitpunkt tB2 = T/3 ein Offset von ΔT2 = T/3 und für die Bilddaten B3, erzeugt zum Zeitpunkt tB3 = 2T/3, ein Offset von ΔT3 = 2T/3.
