DE102011006786B4

DE102011006786B4 - Produktsensor, Produkt mit Produktsensor, Anlage und Verfahren zur Kommunikation zwischen Produktsensor und Anlage

Info

Publication number: DE102011006786B4
Application number: DE102011006786A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hubauer; Christoph Legat; Christian Seitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: WO2012136526A1; US9696179B2; EP2663905A1; KR101955339B1; CN103443724A; CN103443724B; KR20140027225A; US20140022093A1; DE102011006786A1

Abstract

Produktsensor (103) für ein Produkt (102), das in einer Anlage (101) transportierbar, herstellbar oder bearbeitbar ist mit – einer Verarbeitungseinheit (104) zum Bereitstellen gemessener Daten (md) oder daraus abgeleiteter Daten (d) an die Anlage, – bei der der Produktsensor in das Produkt oder in einen Materialträger für das Produkt integriert ist, – wobei anhand der Verarbeitungseinheit (104) ein Symptom (201) ermittelbar ist basierend auf den gemessenen Daten (202) oder den daraus abgeleiteten Daten (202), – wobei anhand des Symptoms (201, 203) eine Diagnose (205) für die Anlage (101) bestimmbar ist basierend auf mindestens einer Annahme, – wobei die Diagnose durch eine Situations-Analyse-Funktion bestimmt wird, die für die Diagnose ein Plausibilitäts-Maß bestimmt, wobei abhängig von Schwellwerten sowohl automatisierte Reaktionen als auch Interaktionen der Bedienperson anstoßbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Produktsensor, ein Produkt mit mindestens einem solchen Produktsensor, eine Anlage mit einer Diagnoseeinrichtung und ein Verfahren zur Kommunikation zwischen dem Produktsensor und der Anlage.
DE 10 2009 037 302 A1 betrifft eine Anordnung zur Diagnose einer Vorrichtung mit beweglichen Teilen.
DE 10 2008 053 200 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Lagerung und des Transports von durch Umwelteinflüsse sich ändernden Gütern.
DE 10 2005 042 532 A1 betrifft ein System zur Erkennung eines lokalen Auslastungszustandes einer technischen Anlage zum Transport und/oder Verpackung von Objekten, wobei die Objekte eine Vorrichtung zur Kennzeichnung, insbesondere ein RFID Tag, aufweisen, die Vorrichtung zur Kennzeichnung einen Datenspeicher aufweist, und das System mindestens ein Schreib-Lesegerät zum kontaktlosen Auslesen mindestens eines Datenspeichers eines Objektes aufweist. Das System bewerkstelligt eine frühzeitige Meldung eines Auslastungszustandes der technischen Anlage, wie Stauung oder Mangel der Objekte, mit den Vorrichtungen zur Kennzeichnung, die auch zur Objektnachverfolgung verwendet werden können. Die Erkennung des lokalen Auslastungszustandes wird durch das wiederholte Auslesen des Datenspeichers mindestens eines Objektes umgesetzt.
Für eine Sicherstellung produktspezifischer Anforderungen eines Fertigungsprozesses, z. B. Vermeidung von Erschütterungen oder Vibrationen beim Transport eines Produkts im Anschluss an einen bestimmten Fertigungsschritt oder Vermeidung eines Überschreitens vorgegebener Temperaturen (wenn es sich bei dem Produkt z. B. um verderbliche Waren handelt), müssen in der gesamten Anlage entsprechend geeignete Sensoren installiert werden. Doch gerade die Auswirkungen von Störungen oder sonstigen Umgebungsparametern der Anlage auf das Produkt selbst sind nur eingeschränkt durch Sensoren feststellbar, die an Komponenten der Anlage befestigt sind.
Häufig wirken sich Fehler von Anlagenkomponenten direkt auf das Produkt aus, z. B. bewirkt eine defekte Achse eine unerwünschte Vibration des Produkts. Es ist überaus aufwendig, derartige Effekte anhand von in der Anlage installierter Sensoren zu messen. Weiterhin ist es von Nachteil, dass die Vielzahl der hierfür nötigen Sensoren für den Steuerungsprozess der Anlage nicht notwendig sind, aber zu einer erhöhten Aufwand beitragen, der logistisch (Anbindung der Vielzahl von Sensoren) als auch kommunikationstechnisch (Protokolle zur Kommunikation mit den Sensoren und Auswertung der Kommunikation) bewältigt werden muss und somit die Installationskosten sowie den Unterhalt der Anlage erhöht. Bei einer Anpassung des Produktionsprozesses oder bei der Produktion weiterer (insbesondere anderer) Produkte muss womöglich die gesamte Anlage überarbeitet werden, um sie an die neuen herstellungs- oder produktspezifischen Anforderungen hinsichtlich der für die Prüfung der Qualität des Produktionsergebnisses notwendigen Sensorik anzupassen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Lösung für einen effizienten Betrieb einer Anlage zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Produktsensor für ein Produkt, das in einer Anlage transportierbar, herstellbar oder bearbeitbar ist, vorgeschlagen mit

– einer Verarbeitungseinheit zum Bereitstellen gemessener Daten oder daraus abgeleiteter Daten an die Anlage,
– bei der der Produktsensor in das Produkt oder in einen Materialträger für das Produkt integriert ist,
– wobei anhand der Verarbeitungseinheit ein Symptom ermittelbar ist basierend auf den gemessenen Daten oder den daraus abgeleiteten Daten,
– wobei anhand des Symptoms eine Diagnose für die Anlage bestimmbar ist basierend auf mindestens einer Annahme,
– wobei die Diagnose durch eine Situations-Analyse-Funktion bestimmt wird, die für die Diagnose ein Plausibilitäts-Maß bestimmt, wobei abhängig von Schwellwerten sowohl automatisierte Reaktionen als auch Interaktionen der Bedienperson anstoßbar sind.

Unter einer Anlage ist dabei eine beliebige Anlage zu verstehen, in welcher Produkte hergestellt, bearbeitet, verarbeitet und/oder transportiert werden können. Auch kann es sich bei der Anlage um eine Maschine handeln. Bei der Anlage kann es sich insbesondere um eine Fertigungsanlage oder eine Automatisierungsanlage handeln.
Der Produktsensor ist beispielsweise u. a. ein Sensor zur Erfassung einer physikalisch oder chemisch messbaren Größe. Diese Größe liegt vorzugsweise in Form von (digitalen und/oder analogen) Daten vor, die von der Verarbeitungseinheit weiterverarbeitet werden können. In diesem Sinne können gemessene Daten auch von der Verarbeitungseinheit aufbereitet oder (vor-)verarbeitet werden in ”abgeleitete” Daten. Die Daten und/oder die abgeleiteten Daten werden der Anlage bereitgestellt. Diese Bereitstellung kann aktiv in Form einer Übermittlung an die Anlage erfolgen; alternativ ist es möglich, dass die Anlage (bzw. eine Verarbeitungseinheit der Anlage) die Daten von dem Produktsensor anfordert. Die Bereitstellung bzw. Übertragung der Daten und/oder der abgeleiteten Daten kann regelmäßig oder unregelmäßig erfolgen, z. B. bei Eintreten vorgegebener Ereignisse oder Zeitpunkte, oder beim Erreichen vordefinierter Positionen im Raum (sog. Gateways).
Vorteilhaft muss hierbei für die Überwachung einer Fertigungs- oder Transportanlage nicht eine große Anzahl von Sensoren an der Anlage selbst angebracht werden, um über den Zustand der Anlage – insbesondere sofern dieser einen Einfluss auf das Produkt hat – informiert zu sein. Vielmehr kann gezielt an jedem der Produkte oder an einem Teil der Produkte der Produktsensor angeordnet (z. B. lösbar befestigt) werden. Dies ermöglicht eine effektive und produktnahe Erfassung von Messgrößen. Über eine beliebig ausgebildete Schnittstelleneinrichtung können bei Störungen sofort oder später die Daten oder die abgeleiteten Daten an eine Kontrollinstanz oder Diagnoseeinrichtung (z. B. der Anlage oder einer zentralen Diagnoseeinrichtung) übertragen werden. Die Daten der Produktsensoren können so beispielsweise zu einer laufzeitparallelen Diagnose von Fertigungssystemen eingesetzt werden, um Fehler, deren Auswirkungen direkt an Produkten beobachtbar sind, zu entdecken und zur Diagnose z. B. des Gesamtsystems zu nutzen.
Der Produktsensor kann als ein aktiver Sensor ausgeführt sein oder er kann mindestens eine Anschlussmöglichkeit für einen Sensor aufweisen. Der Produktsensor ist beispielsweise mobil ausgeführt und an dem Produkt befestigbar. Insbesondere kann der Produktsensor lösbar mit dem Produkt verbunden sein.
Der Produktsensor kann auch an einem Materialträger des Produkts befestigt sein. Ein solcher Materialträger kann z. B. eine Transportpalette sein, welche das Produkt aufnimmt und/oder trägt und beispielsweise zusammen mit dem Produkt eine eigenständige und von sonstigen Komponenten der Anlage unabhängige Funktion (z. B. die Beförderung des Produkts) übernimmt.
Eine Weiterbildung ist es, dass der Produktsensor an dem Produkt befestigbar ist.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Verarbeitungseinheit zum Speichern der gemessenen Daten oder der abgeleiteten Daten ausgestaltet ist.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Verarbeitungseinheit und/oder der Produktsensor eine Kommunikationsschnittstelle aufweist anhand derer die gemessenen Daten oder die abgeleiteten Daten an die Anlage übertragbar sind.
Die Kommunikation der Daten und/oder der abgeleiteten Daten kann unidirektional oder bidirektional über die Kommunikationsschnittstelle erfolgen. Hierzu kann ein Kommunikationsprotokoll eingesetzt werden, das eine sichere und/oder fehlertolerante Übertragung erlaubt und anhand dessen ggf. feststellbar ist, dass die Kommunikation nicht ordnungsgemäß funktioniert.
Eine Weiterbildung hierzu besteht darin, dass die Kommunikationsschnittstelle eine drahtlose oder eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle ist.
So können die Daten und/oder die abgeleiteten Daten über eine Funkverbindung übertragen werden, z. B. über eine Mobilfunkschnittstelle, eine WLAN-Verbindung, eine Bluetooth-Verbindung, mittels Induktion, etc. Auch ist es möglich, dass eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle eingesetzt wird, um z. B. erfasste Daten (und ggf. daraus abgeleitete Daten) übertragen zu können. Beispielsweise kann eine elektrische Kontaktierung an bestimmten Orten eines Transportsystems erfolgen, so dass mit dieser Kontaktierung eine fehlertolerante, sichere und schnelle Datenübertragung realisiert werden kann.
Die Kommunikation mit der Anlage kann von dem Produktsensor oder von der Anlage veranlasst werden. Der Produktsensor kann somit auf eine Anfrage der Anlage antworten oder von sich aus die Daten an die Anlage übertragen.
Die Kommunikation kann weiterhin zu vorgegebenen Zeitpunkten, an vorgegebenen Orten der Anlage (bzw. des Produkts in der Anlage) und/oder bei Vorliegen vorgegebener Zustände oder Bedingungen durchgeführt werden. Auch kann die Kommunikation priorisiert erfolgen, so dass eine Störung oder ein Fehler schnell von der Anlage erfasst werden kann.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass das Bereitstellen der Daten oder der abgeleiteten Daten Echtzeitanforderungen erfüllt.
Somit kann der Produktsensor derart ausgelegt sein, dass die Daten unter Einhaltung von Echtzeitbedingungen an die Anlage weitergeleitet werden können. Hierzu ist der Produktsensor vorzugsweise mit entsprechend schneller Hardware ausgestattet. Vorzugsweise wird in diesem Fall eine Kommunikationsschnittstelle eingesetzt, die ebenfalls Echtzeitanforderungen genügt. Damit ist es möglich, den Produktsensor auch für eine zeitnahe Steuerung der Anlage einzusetzen.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass anhand des Produktsensors mindestens eine Auswahl der folgenden Größen ermittelbar oder messbar und in Form von Daten der Anlage bereitstellbar ist:

– eine Temperatur;
– eine relative oder absolute Position des Produktsensors;
– eine Bewegung, Beschleunigung oder Orientierung des Produktsensors;
– eine Vibration.

Grundsätzlich kann der Produktsensor jedwede physikalisch oder chemisch messbare Größe in Form von Daten (oder abgeleiteten Daten) bereitstellen.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet, dass die gemessenen Daten und/oder die abgeleiteten Daten überwachbar sind.
Beispielsweise können fortlaufend, zu bestimmten (vorgegebenen) Zeitpunkten oder bei Eintreten bestimmter (vorgegebener) Ereignisse die gemessenen Daten und/oder die abgeleiteten Daten gespeichert werden. Dies ermöglicht z. B. eine effiziente Dokumentation des Fertigungsprozesses, weil auch im Nachhinein (z. B. für eine Qualitätssicherung) feststellbar ist, welchen Einflüssen das Produkt während der Fertigung in der Anlage ausgesetzt war bzw. ob vorgegebene Fertigungsbedingungen für dieses Produkt eingehalten wurden. Demnach kann z. B. ein Fertigungsprotokoll darauf hinweisen, dass vorgeschriebene Umgebungsparameter während der Fertigung des Produkts in einem vorgegebenen Bereich lagen und somit die Fertigung ordnungsgemäß erfolgte. Entsprechend können auch Qualitätsmängel, die an dem fertigen Produkt von außen nicht erkennbar sind, aufgedeckt werden bevor das Produkt tatsächlich ausgeliefert oder eingesetzt wird.
Insbesondere ist es möglich, dass die Verarbeitungseinheit bereits die Messdaten und/oder die abgeleiteten Daten mit vorgegebenen Werten vergleicht und bei einer Abweichung (z. B. Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts) eine entsprechende Meldung für die Anlage bereitstellt, z. B. an die Anlage überträgt. Basierend auf dieser Meldung kann auf der Seite der Anlage dann eine geeignete Maßnahme eingeleitet werden, um fehlerhafte Produkte möglichst zeitnah zu erkennen bzw. eine Herstellung weiterer möglicherweise fehlerhafter Produkte zu verhindern.
Grundsätzlich kann die Auswertung der gemessenen Daten bzw. der abgeleiteten Daten somit bei dem Produktsensor (der Verarbeitungseinheit des Produktsensors) und/oder bei der Anlage (einer Verarbeitungs- oder Diagnoseeinheit der Anlage) erfolgen. Gegenmaßnahmen werden vorzugsweise von der Anlage initiiert. Die Kommunikation zwischen Anlage und Produktsensor kann unidirektional oder bidirektional sein. Insbesondere sind verschiedene Protokolle einsetzbar, so dass z. B. eine sichere Kommunikationsverbindung (z. B. per Funk) zwischen Produktsensor und Anlage sicherstellt, dass die ausgetauschten Nachrichten ankommen bzw. dass der Ausfall der Kommunikationsverbindung bemerkt werden kann.
Eine Ausgestaltung ist es, dass anhand des Symptoms eine Diagnose für die Anlage bestimmbar ist.
Beispielsweise können Annahmen getroffen werden die davon ausgehen, dass es Symptome gibt die noch nicht erkannt wurden. In diesem Fall ist es möglich, Fehler oder Störungen zu erfassen, die noch nicht oder noch nicht vollständig aufgetreten sind. Aus der Menge der bereits vorliegenden Daten kann also rückgeschlossen werden auf eine Menge möglicher Störungen. Diese Störungen können anhand von gesammelten Daten oder sonstigem Wissen plausibilisiert werden, so dass bereits trotz unvollständiger Daten für eine abschließende Beurteilung eines Fehlers durchaus Aussagen hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit des Eintretens dieses Fehlers getroffen werden können.
Hierbei sei angemerkt, dass das Symptom basierend auf den gemessenen Daten und/oder den abgeleiteten Daten in der Anlage und/oder in dem Produktsensor, insbesondere in der Verarbeitungseinheit des Produktsensors, bestimmbar ist. Weiterhin kann die Diagnose von dem Produktsensor und/oder von der Anlage durchgeführt werden. Vorteilhaft kann die Anlage auf eine Vielzahl unterschiedlicher Daten für die Erstellung der Diagnose zurückgreifen. Dabei kann die Menge der möglichen Annahmen auch unter Berücksichtigung bereits vorliegender Symptome oder Daten eingeschränkt werden, so dass eine Diagnose frühzeitig und insbesondere rechtzeitig möglich ist.
Die vorstehende Aufgabe wird auch gelöst mittels eines Produkts mit mindestens einem der hier beschriebenen Produktsensoren.
Auch wird die oben genannte Aufgabe gelöst anhand einer Anlage mit einer Diagnoseeinrichtung zur Kommunikation mit mindestens einem Produktsensor wie hierin beschrieben.
Die Diagnoseeinrichtung kann eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen zur Kommunikation mit den Produktsensoren. Insbesondere kann aufgrund der übermittelten Daten mehrerer Produktsensoren eine Diagnose betreffend die Anlage oder einen Teil der Anlage erstellt werden.
Auch wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren vorgeschlagen zur Kommunikation zwischen einem Produktsensor und einer Anlage,

– bei dem von dem Produktsensor für ein Produkt, das in der Anlage transportierbar, herstellbar oder bearbeitbar ist, gemessene Daten bestimmt werden,
– bei der der Produktsensor in das Produkt oder in einen Materialträger für das Produkt integriert ist,
– bei dem die gemessenen Daten oder daraus abgeleitete Daten an die Anlage übertragen werden,
– bei dem ein Symptom ermittelt wird basierend auf den gemessenen Daten oder den daraus abgeleiteten Daten,
– bei dem anhand des Symptoms eine Diagnose für die Anlage bestimmt wird basierend auf mindestens einer Annahme,
– wobei die Diagnose durch eine Situations-Analyse-Funktion bestimmt wird, die für die Diagnose ein Plausibilitäts-Maß bestimmt, wobei abhängig von Schwellwerten sowohl automatisierte Reaktionen als auch Interaktionen der Bedienperson anstoßbar sind.

Die gemessenen Daten werden bspw. bestimmt, indem ein Sensor oder ein Sensormodul physikalische, elektrische und/oder chemische Größen misst und in Form von Daten bereitstellt.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass basierend auf den gemessenen Daten oder den abgeleiteten Daten eine Diagnose der Anlage durchgeführt wird.
Ergänzend sei angemerkt, dass die Verarbeitungseinheit des Produktsensors u. a. eine Prozessoreinheit aufweisen kann, die in Form eines beliebigen Prozessors oder Rechners oder Computers mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) ausgeführt sein kann. Entsprechend kann die Anlage mindestens eine solche Prozessoreinheit, z. B. zur Wahrnehmung der hier beschriebenen Diagnose, aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch Komponenten einer Anlage zur Fertigung oder zum Transportieren von Produkten und einer Anlagensteuerung unter Einsatz von Produktsensoren an den Produkten,
2 Funktionsmodelle insbesondere eines Produktsensors zum Modellieren einer Umgebungssituation und eines Merkmalsmodells,
3 Funktionen, Agenten und damit zusammenwirkende Modelle einer bevorzugten Datenverarbeitung in einem derart aufgebauten System,
4 schematisch Komponenten einer Anlage ähnlich 1 unter zusätzlicher Angabe von Steuer- und Funktionsmerkmalen der verschiedenen Komponenten und
5 eine beispielhafte Architektur eines Produktsensors bzw. einer Verarbeitungseinheit eines Produktsensors.
Ein Produkt kann mindestens einen Produktsensor aufweisen. Auch kann ein solches Produkt mit mindestens einem Produktsensor als intelligentes Produkt bezeichnet werden. Insbesondere kann ein solches intelligentes Produkt ein eingebettetes System mit Sensoren sein, die auf Materialträgern oder an Werkstücken montiert werden. Das intelligente Produkt kann ferner über eine Verarbeitungseinheit verfügen, die beispielsweise eine Steuerungssoftware aufweist, anhand derer z. B. fortlaufend oder zu vorgegebenen Zeitpunkten die von den Sensoren ermittelten (z. B. gemessenen) Daten verarbeitet werden können, z. B. indem ein Vergleich mit vorgegebenen Werten durchgeführt wird, um so Abweichungen im Fertigungsprozess des Produkts zu erkennen, zu kontrollieren und/oder zu dokumentieren. So kann z. B. auf Anfrage die Information zur Produktqualität basierend auf diesen Daten zur Verfügung gestellt werden.
Im vorliegenden Kontext wird ein Produkt mit mindestens einem Produktsensor ausgestattet (bspw. als eingebettetes System), wobei anhand des mindestens einen Produktsensors die Umgebung beobachtet wird und produktrelevante Daten erfasst und an die Anlage übertragen werden. Bei den produktrelevanten Daten handelt es sich z. B. um Daten, die eine Herstellung, eine Verarbeitung, eine Bearbeitung und/oder einen Transport des Produkts betreffen. Die Daten können Messdaten, abgeleitete Daten oder Prozessparameter sein, z. B.:

– eine Temperatur des Produkts oder in der Nähe des Produkts (insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei dem Produkt um verderbliche Waren handelt);
– eine Schweißtemperatur bei der Fertigung des Produkts;
– eine Erschütterung, die positionsabhängig mit der Bewegung des Produkts entlang eines Förderbands aufgezeichnet wird.

Die Anlage erhält die Daten und kann diese z. B. für die Qualitätssicherung, Diagnose und/oder Überwachung der Anlage nutzen. So ist es möglich, beispielsweise im Wartungsfall wichtige Informationen bereitzustellen oder im Störfall möglichst zeitnah in die Anlage bzw. deren Komponenten oder Steuerfunktionen eingreifen zu können.
Produktsensoren können unmittelbar in oder an dem Produkt befestigt werden. Auch ist es möglich, dass Sensoren oder gar die Produktsensoren bereits ganz oder teilweise an oder in Materialträgern eines Materialflusssystems angebracht werden.
Die Anwendung mobiler Produktsensoren dient somit vorteilhaft als Informationslieferant für die Diagnose der Anlage.
Neben dieser lokalen, produktzentrischen Rolle kann das Produkt auch eine globale Rolle als Informationsanbieter für in der Anlage installierte Diagnosesysteme übernehmen. Dazu werden die Daten der Sensoren je nach Anwendungsfall selektiv oder vollständig interpretiert und z. B. als sogenannte Symptome mittels installierter Funkmodule an das Diagnosesystem übertragen. So können produktspezifische Prozessanforderungen und/oder produktabhängige Effekte von Fehlern, z. B. Temperaturschwankungen oder Vibrationen, einfach bestimmt und zusätzlich durch die Übertragung an das Diagnosesystem zur Diagnose von Fehlern im gesamten Fertigungssystem genutzt werden.
Unter dem Symptom können z. B. gemessene oder daraus gewonnene Daten verstanden werden, die einer bestimmten Messgröße zugeordnet sind. Der Messgröße sind dabei beispielsweise Schwellwerte oder feste Grenzwerte zugeordnet, die für einen kritischen Anlagenzustand oder für einen eingetretenen oder anzunehmenden Störzustand stehen. Dabei können die Messgrößen insbesondere physikalisch oder ggfs. chemisch messbare Größen sein.
Bei der Planung oder Anpassung einer Anlage (z. B. einer Fertigungsanlage) können bereits intelligente Produkte bzw. Produktsensoren für Produkte berücksichtigt werden. Die bei Sensoren für die Automatisierung oft erforderliche Echtzeitfähigkeit ist je nach Ausgestaltung optional; insbesondere ist eine solche Echtzeitfähigkeit entbehrlich, falls die Sensoren nicht für die Steuerung der Anlage eingesetzt werden. Jedoch können bereits bei der Planung der Qualitätssicherung die Sensoren berücksichtigt werden, um mögliche Qualitätseinbußen des Produkts unter Nutzung der zusätzlichen Daten zuverlässig und/oder rechtzeitig erkennen zu können. Damit können auch Zuverlässigkeitsanforderungen an die Anlage erhöht werden.
So kann durch die Integration mobiler Produktsensoren an dem Produkt und die Nutzung ihrer ermittelten Daten in dem Diagnosesystem die Produktionsanlage verbessert werden. Eine Verbesserung ist es, Fehler der Anlage, die sich an dem Produkt messbar auswirken, (rechtzeitig) erkennen zu können. Die Daten in Form von anhand der Produktsensoren durchgeführten Messungen können beispielsweise dem Diagnosesystem mitgeteilt werden, wodurch entweder die Erkennung von Fehlern möglich ist oder mit größerer Sicherheit ein Fehler identifiziert werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich verschiedene Diagnosen durch ihre Auswirkung auf das Produkt unterscheiden.
Bereitgestellt wird insbesondere ein Verfahren zum Unterstützen einer Diagnostik von Anlagen, z. B. Fertigungsmaschinen bzw. -anlagen, durch datenerfassende Produktsensoren. Daten von an intelligenten Produkten installierten Sensoren können zur laufzeitparallelen Diagnose von Fertigungssystemen verwendet werden, um Symptome, deren Auswirkung direkt an den Produkten beobachtbar ist, zu entdecken und zur Diagnose des Gesamtsystems zu nutzen. Entsprechend kann die Anlage bzw. das Gesamtsystem modifiziert oder eingestellt werden. Insbesondere kann die Anlage daraufhin in einem anderen Zustand, ggf. mit einer anderen Aufgabe oder Programmierung, betrieben werden.
Vorteilhaft muss somit nicht in der gesamten Anlage eine Vielzahl zusätzlicher Sensoren zur Überwachung der Produktqualität installiert werden, sofern dies technisch und räumlich überhaupt möglich wäre. Stattdessen können Produktsensoren flexibel in Abhängigkeit des jeweiligen Produktes eingesetzt werden. Werden unterschiedliche Typen von Produkten mit unterschiedlichen Anforderungen an den Produktionsprozess hergestellt oder bearbeitet, so können auf diese Art jeweils die entsprechenden Materialträger und/oder intelligenten Produkte mit der notwendigen Sensorik ausgerüstet werden, ohne dass diese in Teilen der Anlage fest installiert werden müssen. Insbesondere für den Fall, dass die Produktsensoren nicht für die Steuerung der Anlage benötigt werden, ist u. U. keine Echtzeitkommunikation der Produktsensoren mit der Anlage (und eine entsprechende Reaktion der Anlage innerhalb fest vorgegebener Zeitvorgaben) notwendig. Dies reduziert die Komplexität und damit die Kosten der Anlage sowie des Betriebs.
Des Weiteren können z. B. auf Materialträgern bzw. an intelligenten Produkten installierte Produktsensoren dazu verwendet werden, die Diagnose der Anlage zu verbessern, da die Anlage im fehlerfreien Betrieb in der Lage ist, innerhalb eines für das Produkt vorgegebenen Betriebsbereichs zu funktionieren. Dementsprechend liefern die Produktsensoren Daten, die dem zulässigen Betriebsbereich entsprechen. Wird dieser zulässige Betriebsbereich verlassen, kann dies anhand der gelieferten Daten festgestellt werden, sei es von dem Produktsensor selbst (z. B. als intelligentes Produkt mit Verarbeitungseinheit) oder von der Anlage (bzw. einem Diagnosesystem der Anlage), die die Daten z. B. kontinuierlich oder zu vorgegebenen (regelmäßigen oder unregelmäßigen) Zeitpunkten erhält.
Die Daten können an die Anlage mittels Funkkommunikation oder mittels elektrischer Kontaktierung übertragen werden.
1 zeigt einen schematischen Systemaufbau einer Anlage 101. Die Anlage 101 dient dazu, Produkte 102 zu transportieren, zu verarbeiten, zu bearbeiten und/oder herzustellen.
Ein solches Produkt 102, das auch als intelligentes Produkt bezeichnet werden kann, weist eine Aufnahme- oder Befestigungsmöglichkeit für einen Produktsensor 103 auf. Vorzugsweise ist ein solcher Produktsensor 103 lösbar an oder in dem Produkt 102 angeordnet oder befestigt. Optional können ein Produktsensor 103 oder an diesem angeschlossene Sensoren auch an einem Produktträger (Materialträger, z. B. Trägerplatte für das Produkt) angeordnet sein.
Der beispielhaft vergrößert dargestellte Produktsensor 103 weist eine Verarbeitungseinheit 104 auf, welche gemessene Daten md von Umgebungsparametern umfasst und ggfs. auch verarbeitet oder teilweise verarbeitet. Insbesondere kann dazu die Verarbeitungseinheit 104 mit zumindest einem Sensor oder zumindest einem Anschluss zum Anschließen eines Sensors ausgestattet sein. Der Sensor kann beispielsweise Bewegungsdaten, Umgebungstemperaturen oder sonstige physikalisch oder chemisch erfassbare Größen aufnehmen und als gemessene Daten bereitstellen. Außerdem weist der Produktsensor 103 eine Kommunikationsschnittstelle 105 auf, welche eine Antenne 106 zum Übertragen der gemessenen Daten md oder daraus gewonnener Daten d aufweist. Die Kommunikationsschnittstelle kann auch Teil der Verarbeitungseinheit sein.
Auch können die Verarbeitungseinheit, die Kommunikationsschnittstelle und die Antenne aus einer Kombination einer induktionsspulenartigen Antenne und eines direkt daran angeschlossenen Sensors ausgebildet sein.
Die gemessenen Daten md und/oder daraus gewonnene Daten d werden über eine Funkschnittstelle 107 an beispielsweise ein Gateway 108 als einer der Anlage 101 zugeordneten Schnittestelle übertragen. Das Gateway 108 ist über einen Bus 109 bzw. eine Leitung mit weiteren Komponenten der Anlage 101 verbunden, beispielsweise mit einem Diagnosesystem 110 als einer externen Systemvorrichtung zur weiteren Verarbeitung der gemessenen oder gewonnenen Daten. Das Diagnosesystem 110 kann auch als Komponente eines Befehls- und Steuerzentrums ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ zu dem Gateway 108 kann auch ein Computer oder Industrie-PC (PC: Personal Computer/Arbeitsplatzrechner) 111 oder eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zum Empfangen der gemessenen Daten md oder daraus gewonnener Daten d von der Kommunikationsschnittstelle 105 des Produktsensors 103 ausgebildet sein.
Anstelle festverdrahteter Leitungen wie dem Bus 109 oder der Leitung zur Übertragung gemäß einem Protokoll wie z. B. TCP/IP (TCP: Transmission Control Protocol/ein Netzwerkprotokoll im Internet, IP: Internet Protokoll) können auch beliebige andere geeignete Übertragungssysteme verwendet werden, insbesondere auch funkgestützte Übertragungssysteme. Ebenso kann anstelle einer funkgestützten Übertragung der Daten von dem Produktsensor 103 zu dem Gateway 108 oder sonstigen Komponenten der Anlage 101 eine direkte leitungsgekoppelte Verbindung gewählt werden. Eine solche könnte beispielsweise in Art eines sogenannten USB-Anschlusses ausgebildet sein und eine Verbindung durch Einstecken des Produktsensors oder eines damit gekoppelten Kabels in beispielsweise einen Computer ermöglichen.
Bei der beispielhaften Ausgestaltung sind über den Industrie-PC 111 und einen damit verbundenen weiteren Bus 112 gemäß beispielsweise dem Standard PROFINET vorzugsweise Ein-Ausgabe-Untersysteme 113, 115 der Anlage 101 gekoppelt. Das erste der Untersysteme 113 dient beispielsweise zur Steuerung eines Transportbandes 114 und zur Überwachung von dessen Funktionalität. Insbesondere kann über das Untersystem 113 ein Antriebsmotor des Transportbandes 114 angesteuert werden und über Sensoren, beispielsweise Rotationssensoren an einer Antriebswelle, kann eine Rotation einer Antriebswalze überwacht werden. Das zweite Subsystem 115 dient beispielsweise zur Ansteuerung oder Überwachung von weiteren Produktverarbeitungs-, Steuer- oder Überwachungs-Komponenten 116, 117.
Somit ist die Anlage 101 nicht mehr nur noch durch Sensoren überwachbar, die an Komponenten der Anlagen angeordnet sind, sondern zusätzlich oder sogar vollständig ist die Anlage 101 durch die Produktsensoren 103 überwachbar, welche an, in oder in der Nähe der (intelligenten) Produkte(n) 102 angeordnet sind.
Für die Übertragung der Messungen und Symptome an das Überwachungs- und Diagnosesystem sind verschiedene Ausgestaltungen mit spezifischen Charakteristika realisierbar:

(i) Der geringste Zeitverzug bei gleichzeitig verhältnismäßig hohem Kommunikationsaufwand wird erreicht, wenn das intelligente Produkt 102 relevante Symptome sofort nach deren Erkennung an das Diagnosesystem 110 sendet. Dazu wird das intelligente Produkt 102 entweder mit Kommunikationssystemen hoher Reichweite ausgestattet oder die komplette Fabrik bzw. Anlage 101 wird flächendeckend mit Kommunikationspunkten (z. B. WLAN-Zugangspunkten, WLAN: Wireless Local Area Network) versehen.
(ii) Alternativ kann die Kommunikation nur an oder in der Nähe von vordefinierten Kommunikations-Gateways 108, 111 erfolgen, z. B. nach Abschluss eines Fertigungsabschnitts oder nach Fertigstellung des Produkts. Hierdurch wird der Kommunikationsaufwand erheblich reduziert, allerdings erhöht sich die Reaktionszeit des Systems auf die von dem Produktsensor detektierten Symptome.

Beispielsweise kann die Kommunikation berührungslos per Funktechnik realisiert werden. Bei der Nutzung von Gateways 108 können die für die Steuerung des Fertigungssystems installierten Industrie-PCs 111 als Gateways eingesetzt werden.
2 zeigt Komponenten und Funktions- bzw. Prozessablaufmerkmale zur Erfassung und Verarbeitung der gemessenen Daten d. Zur Auswertung der von einem Sensor gemessenen Daten d in der Verarbeitungseinheit 104 des Produktsensors 103 am intelligenten Produkt 102 wird das in 2 vereinfacht skizzierte Diagnose-Modell genutzt. Ein Merkmal (bezeichnet als ”Feature”) stellt die von dem Produktsensor gemessenen Daten d dar.
Gemäß einem Merkmals-Meta-Modell 302 werden Merkmale von dem eingebetteten System interpretiert, so dass Symptome, gemessene Daten md oder daraus gewonnene Daten d generiert werden können, die Eigenschaften der Umgebung des Produkts 102 bzw. Eigenschaften der Anlage 101 beschreiben. Der Umfang der Vorverarbeitung wird von der Verarbeitungs- und Speicherkapazität des eingebetteten Systems bestimmt. So können aktuelle Systeme beispielsweise Messwerte mit kritischen Schwellwerten abgleichen, Daten aggregieren o. ä.
Das Merkmals-Meta-Modell 302 ist beispielsweise ein Modell, wie es in dem Produktsensor integriert sein kann: Ein Symptom 201 weist hierbei mindestens ein Merkmal 202 auf. Das Symptom 201 entspricht der Definition eines Symptoms 203 eines Situations-Meta-Modells 303. Ein Systemelement 204 umfasst mindestens ein Symptom 203 und hat mindestens eine Diagnose 205. Systemelemente können zusätzlich in einer hierarchischen Teil-Ganzes-Beziehung stehen.
Somit wird auch ein Anwendungsszenario mit einem Multi-Agenten-Ansatz angegeben, bei dem bspw. eine adaptive Herstellung eines Produkts 102 mit einer interaktiven Diagnostik verbessert wird. In diesem Szenario werden erschütterungsempfindliche sowie erschütterungsunempfindliche Produkte 102 gleichzeitig in einem System von Transportbändern 114 befördert. Der Produktsensor 103 weist beispielsweise einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor auf und ist auf einem Prototyp eines Produkts 102 angeordnet. Mittels des Produktsensors 103 (bzw. des Beschleunigungssensors) können Erschütterungen bzw. Vibrationen detektiert werden, die gemessene Werte können als Daten an das Diagnosesystem 110, das nachfolgend auch als ein Diagnose-Agent bezeichnet wird, übertragen werden, um so mögliche Fehler des Transportbandes 114 zu diagnostizieren.
Der hier vorgestellte Ansatz betrifft beispielsweise eine Anlagen- oder Herstellungssteuerung, in der eine automatisierte Diagnose gegebenenfalls zusammen mit Interaktion einer Bedienperson umgesetzt ist. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung von Maschinenfähigkeiten und hilft im Fall von Abweichungen von vorgegebenen Betriebszuständen oder sonstigen Anomalitäten, Schäden zu verhindern. Insbesondere kann eine Interpretation modellbasiert erfolgen. Somit kann eine Diagnose vorhergesagt werden unter Verwendung einer abgeleiteten Ursachenuntersuchung, die z. B. auf Plausibilitätsschwellwerten beruht, wobei resultierende Mehrdeutigkeiten zwischen konkurrierenden Lösungsansätzen aufgelöst werden. Zur Ermöglichung menschlicher Intervention können geeignete Informationsvorrichtungen bereitgestellt werden, die eine Bedienperson z. B. über Störzustände informieren. So können potentielle Fehlerzustände erfasst bzw. vermieden werden, bevor sie tatsächlich eintreten. Die vorgeschlagene Architektur integriert zusätzlich intelligente Produkte in Form von mobilen Sensoren, was die Robustheit und Verlässlichkeit des Produktionssystems verbessert.
Steigende Anforderungen an schnelle Reaktionen auf Markttrends sowie die zunehmende weitreichende Konfigurierbarkeit von Produkten durch den Kunden führen zu höheren Flexibilitätsanforderungen der Herstellungssysteme, insbesondere im Hinblick auf eine Bereitstellung flexibler Prozesse für kleinere Stückzahlen und auf eine Robustheit gegenüber Fehlern innerhalb des technischen Systems.
Produktorientierte Herstellungssysteme, die durch die hier beschriebenen Produktsensoren oder intelligenten Produkte unterstützt werden, sind ein vielversprechender Ansatz insbesondere für Produkte, die in geringen Stückzahlen gefertigt oder bearbeitet werden sollen. Das vorliegende Konzept zeigt eine Möglichkeit der Interaktion und Kooperation des Produktsensors mit dem Produktionssteuersystem. Der vorliegende Ansatz erlaubt ein hochflexibles und robustes Rahmenwerk zur Fertigung, Bearbeitung und/oder Verarbeitung eines Produkts insbesondere mittels eines modellbasierten Diagnosesystems ggf. unter Mitwirkung von Bedienpersonal.
Es wird beispielhaft ein flexibles Produktionsszenario gezeigt, das in Verbindung mit intelligenten Produkten eingesetzt werden kann und so im Ergebnis unter anderem eine deutlich verbesserte Diagnose erlaubt. Insbesondere wird beispielhaft ein Logistiksystem betrachtet, umfassend ein zuführendes unidirektionales Transportband, einen Verteiler und zwei selektierbare abgehende Transportbänder, die beispielsweise zu unterschiedlichen Maschinen führen. Jeder Transportbandabschnitt wird durch eine Welle angetrieben, die mit einem Sensor zur Messung der Wellendrehung ausgestattet ist. Da einige zu transportierende Produkte 102 zu bestimmten Zeitpunkten während der Produktion, beispielsweise aufgrund einer noch nicht gehärteten frisch geklebten Verbindung, gegen Vibrationen empfindlich sein können, werden Produktsensoren mit einem digitalem Produktspeicher und einem Beschleunigungssensor ausgestattet, so dass beispielsweise zum Zweck der Qualitätssicherung Beschleunigungsmesswerte bestimmt und gespeichert werden können. Diese Produktsensoren werden an einem Teil (oder alternativ an allen) Produkten angebracht.
Die von den Produktsensoren gelieferten Informationen können mit zusätzlichen Messwerten kombiniert werden, um eine Diagnose des Transportsystems zu ermöglichen. Falls sich beispielsweise die Achse eines Transportbandes dreht und ein Produkt, das auf dem Transportband angeordnet ist, sich nicht bewegt, deutet dies auf ein Übertragungsproblem bzw. Kommunikationsproblem für die ermittelten Messwerte oder auf ein Antriebsproblem des Transportbands hin. Damit könnte das Transportband bis zu seiner Instandsetzung unbrauchbar geworden sein. Beispielsweise können auch unregelmäßige Bewegungen, z. B. plötzliche Beschleunigungen oder Vibrationen, auf Lagerprobleme des Transportbands hinweisen; in diesem Fall sollte das betroffene Transportband bis zu seiner Reparatur nicht mehr für vibrationsempfindliche Produkte eingesetzt werden. Abhängig davon, wo die Fehlfunktion diagnostiziert wurde und/oder auftrat kann eine Einschränkung der Verwendung für die Produktion selektiv erfolgen, d. h. es wird gezielt der Teil der Anlage (z. B. eines der Transportbänder) nicht mehr für solche Produkte verwendet, für die die Fehlfunktion schädlich sein könnte. Die anderen Teile der Anlage könnten unverändert weiterbenutzt werden. Auch ist es möglich, dass der nur eingeschränkt funktionsfähige Teil der Anlage gezielt für ein anderes Produkt eingesetzt wird, z. B. bis zu seiner Wiederinstandsetzung. Dies verhindert ggf. einen Ausfall der Anlage bzw. reduziert die Standzeit der Anlage (da z. B. die Anlage in geänderter Form bis zur Reparatur weiterverwendet werden kann). Dies kann bei der Produktionsplanung bereits berücksichtigt werden, um die Verwendung der Anlage z. B. hinsichtlich des Durchsatzes bei garantierter Produktqualität zu optimieren.
3 zeigt ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung einer Architektur des Multi-Agenten-Systems. Eine Funktionalität des Systems wird durch Agenten realisiert, die vier Funktionen (auch bezeichnet als Rollen) bereitstellen:

– eine Symptom-Bereitstellungs-Funktion 308,
– eine Situations-Analyse-Funktion 309,
– eine Produktions-Steuer-Funktion 311 und
– eine Überwachungs-Mediator-Funktion 310.

Die obere Hälfte von 3 zeigt diese Funktionen und mit diesen Funktionen assoziierte Meta-Modelle, d. h.

– ein Dienste-Meta-Modell 301,
– das Merkmals-Meta-Modell 302 (siehe auch 2) und
– das Situations-Meta-Modell 303 (siehe auch 2).

Eine mögliche Realisierung dieser Funktionen mittels Agenten sowie beispielhafte konkrete Funktionen werden in dem unteren Abschnitt von 3 dargestellt. Vorzugsweise ist ferner ein Ermittlungsdienst vorgesehen (nicht in 3 gezeigt), der es den Agenten ermöglicht, Interaktionspartner zu finden.
Die Meta-Modelle 301 bis 303 umfassen ein relevantes Domänenwissen und reichen von Prozessinformationen bis zu Definitionen von Diagnoseaspekten, wohingegen spezifische Agenten, d. h.

– ein Produktions-Dienste-Agent 304,
– ein Produkt-Agent 305,
– ein Diagnose-Agent 306 und
– ein Wartungs-Agent 307

Kenntnisse über konkrete Produkte und Prozesse umfassen. Die Modelle werden für Diagnosezwecke verwendet, dienen aber auch als Basis für eine Dienstsuche, die Informationsanbieter und Konsumenten abhängig vom Typ der angebotenen und angeforderten Information zusammenbringt. Um eine automatisierte Informationsverarbeitung zu erleichtern und eine Wiederbenutzbarkeit und Austauschbarkeit des Modells zu erhöhen, können formale semantische Begriffe verwendet werden, die beispielsweise auf der sogenannten Web Ontology Language (OWL) basieren. Insbesondere beruht das Situations-Meta-Modell 303 auf der Beschreibungslogik EL, einer Teilsprache des Profils OWL 2 EL welches es erlaubt, Anfragen in polynomieller Laufzeit (d. h. effizient) zu beantworten. Für das Merkmals-Meta-Modell 302 kann das Profil OWL 2 RL verwendet werden, um eine Interpretation mittels einer Regelmaschine zu erleichtern. Beide Profile werden genutzt, um einen Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Ausdrucksmächtigkeit im Hinblick auf ein umsetzbares Evaluationsverfahren zu erreichen.
Ein Symptom-Anbieter realisiert eine Erfassung von Merkmalen innerhalb eines gegebenen Verantwortungsbereichs, der durch einen Satz von Systemelementen (SystemElement) des vorgeschlagenen Meta-Modells definiert ist. Insbesondere umfasst der Symptom-Anbieter dazu die Symptom-Bereitstellungs-Funktion 308.
Um seine Funktionalität der Gemeinschaft aus Agenten anzubieten, führt der Symptom-Anbieter eine Registrierung mit dem Ermittlungsdienst durch Bekanntmachung der Identifikationsnummern der Systemelemente, für die er verantwortlich ist, durch. Kunden bzw. Anwender (allgemein: Objekte) können sich bei dem für eine relevante Komponente zuständigen Symptom-Anbieter für bestimmte Ereignisklassen registrieren, die durch Unterkonzepte des Symptoms bezeichnet werden. Nach einem Empfang von Daten bzw. einem Merkmal von einer zugeordneten Informationsquelle oder vorverarbeitenden Komponente, z. B. einem Teil der Maschine oder Anlage, schließt der Symptom-Anbieter basierend auf seinem Merkmals-Meta-Modell 302 automatisch auf das entsprechende Symptom. Nachfolgend werden alle Kunden bzw. Anwender bzw. Objekte, die sich für dieses Ereignis oder eines seiner übergeordneten Konzepte registriert haben, durch den Symptom-Anbieter benachrichtigt.
Die Situations-Analyse umfasst die Situations-Analyse-Funktion 309, die den Prozess des Interpretierens von Symptomen auf Grundlage des Situations-Meta-Modells 303 umfasst und von dem Diagnose-Agenten 306 realisiert wird. Um die notwendigen Eingangsdaten zu empfangen, abonniert die Situations-Analyse-Funktion 309 die Symptome, für welche sie eine Benachrichtigung wünscht, wie folgt: Zuerst fragt sie den Ermittlungsdienst nach Symptom-Anbietern, welche für die Systemelemente, die diesem Agenten zur Überwachung zugewiesen sind, verantwortlich sind. Dann subskribiert bzw. registriert sich die Situations-Analyse-Funktion 309 mit jedem dieser Symptom-Anbieter für die konkreten Symptome, einschließlich Unterkonzepte der Symptome (d. h. davon abhängige oder untergeordnete Symptome).
Nach Empfang eines Symptoms veranlasst die Situations-Analyse-Funktion 309 den Interpretationsprozess, welcher einen Satz von Fehlern (z. B. Defekte oder Störungen) bestimmt, die möglicherweise eine Ursache für Beobachtungen bzw. gemessene Daten sein können. Indem die Annahme zugelassen wird, dass es Symptome gibt, die noch nicht erkannt wurden, ist die Situations-Analyse-Funktion 309 in der Lage, Fehler zu erfassen, die noch nicht oder noch nicht vollständig aufgetreten sind.
Eine Diagnose, die es nicht erfordert, dass zusätzliche Symptome angenommen werden, wird mit größerer Wahrscheinlichkeit zutreffen als eine Diagnose, die auf Annahmen basiert. Somit ergänzt die Situations-Analyse-Funktion 309 ihre Interpretationen mit einem Plausibilitäts-Maß.
Die Dienste der Situations-Analyse-Funktion 309 können häufig aufgerufen werden. Um Reaktionsfähigkeit und Leistungsfähigkeit der Situations-Analyse-Funktion 309 sicher zu stellen, verwendet eine nachfolgend beschriebene Realisierung der Situations-Analyse einen sogenannten ”Anytime-Ansatz” (d. h. ein Aufruf ist jederzeit möglich und ein Resultat wird auch jederzeit bereitgestellt) und einen unteren Grenzwert pl betreffend die Qualität der Lösungen. Abhängig von konfigurierbaren Schwellwerten pl_m und pl_p löst die Situations-Analyse-Funktion 309 sowohl automatisierte Reaktionen als auch Interaktionen der Bedienperson aus: Zuerst wird ein Überwachungs-Mediator über den vollständigen Satz der Diagnosen informiert, über deren erforderlichen Annahmen und über deren Plausibilitätswerte. Falls die Plausibilität der besten Diagnose, die durch die Situations-Analyse-Funktion 309 bestimmt wurde, den konfigurierbaren ersten Schwellwert pl_m überschreitet und wenn bei der zweitbesten Alternative zumindest ein Wert um einen Betrag des zweiten Schwellwerts pl_p weniger plausibel als der beste Wert ist, dann veranlasst die Situations-Analyse-Funktion 309 die Produktions-Steuereinrichtungen zusätzlich automatisch schützende Maßnahmen zu ergreifen und eine Mitteilung über diese Entscheidung zu dem Überwachungs-Mediator zu senden.
Die Produktions-Steuerung mit der zugeordneten Produktions-Steuer-Funktion 311 ist verantwortlich für die Interaktion mit der Anlage. Dabei werden ein Management und eine Steuerfunktionalität der zugeordneten Systemelemente in einer höheren Ebene realisiert, was wiederum innerhalb des Produktionssystems spezifische Möglichkeiten bereitstellt. Die Funktionalität, die durch die Produktions-Steuerung realisiert wird, wird auf höheren Steuersystemen, beispielsweise einer Produktionsplanung, als ein Dienst angeboten. Um auffindbar zu sein, registriert sich die Produktions-Steuerung bei dem Ermittlungsdienst. Im Fall einer unter Berücksichtigung der Schwellwerte identifizierten Fehlfunktion des Systems wird die Produktions-Steuerung von der Situations-Analyse-Funktion über die Diagnose informiert. Diese Information ermöglicht der Produktions-Steuerung die über den Ermittlungsdienst angebotenen Produktionsdienste zu beschränken, um die Wahrscheinlichkeit einer Maschinen- und/oder Produkt-Beschädigung zu reduzieren. Das Modell und der Fehlerzustand, der von der Situations-Analyse-Funktion 309 identifiziert wurde, ermöglicht der Produktionssteuerung, die Fähigkeit der Maschine bzw. Anlage so wenig wie möglich zu beschränken, im Gegensatz zu einer vollständigen zeitweiligen Abschaltung der Maschine oder Anlage in Folge einer unspezifischen allgemeinen Störung.
Der Überwachungs-Mediator mit der zugeordneten Überwachungs-Mediator-Funktion 310 stellt eine Schnittstelle bereit zwischen dem agentenbasierten automatisierten Steuersystem und einer Bedienperson. Unter Verwendung des Überwachungs-Mediators weist die Bedienungsperson der Situations-Analyse ausgewählte Komponenten des Systems zu und konfiguriert Plausibilitäts-Schwellwerte pl_m, pl_p, die durch die Produktionssteuerung verwendet werden, und die untere Grenze pl, welche durch die Situations-Analyse verwendet wird.
Nach Erfassung eines Satzes plausibler Diagnosen durch die Situations-Analyse ermöglicht der Überwachungs-Mediator der Bedienperson, die Alternativen zu begutachten, ggf. manuell Interpretationen zu ändern und automatisierte Reaktionen zu widerrufen. Außerdem unterstützt der Überwachungs-Mediator die Bedienperson dabei, zusätzliche Informationen zu bestimmen, die durch automatisierte Sensoren nicht verfügbar sind, und diese dem Diagnoseprozess zuzuführen. Der Überwachungs-Mediator ist daher vorzugsweise eine zentrale Komponente in dem vorgeschlagenen interaktiven Ansatz für Diagnosen während der Produktion.
4 zeigt eine beispielhafte Realisierung des hier vorgeschlagenen Ansatzes in einer industriellen Produktionsumgebung. Dabei werden für Komponenten und Funktionen, welche gleich oder gleich wirkend oder zumindest vergleichbar zu denen aus 1 sind, gleiche Bezugszeichen wie in 1 verwendet und auch auf die Ausführungen zu den anderen Figuren, insbesondere 1 verwiesen.
Um die Echtzeitkommunikation des Automatisierungssystems, das beispielsweise auf PROFINET/PROFIBUS basieren kann, nicht zu stören, kann optional für eine Implementierung die Kommunikation des Multi-Agenten-Systems unter Verwendung bereits installierter Kommunikationsmittel (z. B. existierende Unternehmensnetzwerke) verwendet werden. Bei den Kommunikationsmitteln kann es sich z. B. um TCP/IP-Netze handeln (TCP: Transmission Control Protocol/Netzwerkprotokoll im Internet; /IP: Internetprotokoll). Es kann eine standardisierte oder proprietäre Multi-Agenten-Plattform eingesetzt werden. Auch kann das System auf einer öffentlich zugänglichen Plattform aufbauen. Die für die hier beschriebenen Dienste benötigten Funktionalitäten werden von den meisten verfügbaren Systemen bereitgestellt. Dies ermöglicht einen flexiblen und kostengünstigen Einsatz der hier vorgestellten Lösung.
So kann der Produktions-Dienste-Agent 304 beispielsweise in dem Industrie-PC 111 ausgeführt sein (siehe 4). Der Produktions-Dienste-Agent 304 dient sowohl als Symptom-Anbieter als auch zur Produktions-Steuerung. In der letztgenannten Funktion ermöglicht der Produktions-Dienste-Agent 304 einer Bedienperson, das Produktions-Steuersystem zu konfigurieren. Außerdem steuert der Produktions-Dienste-Agent 304 den Produktionsprozess, um sicherzustellen, dass Konfigurationen vermieden werden, die zu einer Beschädigung der Maschine oder des Produkts führen könnten.
In der Symptom-Bereitstellungs-Funktion 308 interpretiert der Produktions-Dienste-Agent 304 durch maschinenmontierte Sensoren bereitgestellte Daten. Aus diesen Daten ergeben sich Merkmale, die unter Verwendung des Merkmalsmodells zu Symptomen führen (d. h. die Symptome lassen sich aus dem Merkmalsmodell ableiten, so dass sich für konkrete Merkmale konkrete Symptome bestimmen lassen). Ein solches Verhalten des Produktions-Dienste-Agenten 304 kann durch eine Regelmaschine erreicht werden, wodurch das Merkmals-Meta-Modell 302 und die Merkmalsmodelle beschränkt werden können auf OWL 2 RL. Auf den Sensor und die Parametrisierungsdaten kann zugegriffen werden wie auf Prozessvariablen eines Echtzeit-Steuerkernels (basierend z. B. auf dem OPC TJA-Standard, der auf einem lokal ausgeführten Client-Server-Protokoll beruht). Alle Komponenten einschließlich der Infrastruktur und des Agenten selbst können beispielsweise auf dem Industrie-PC 111 realisiert werden, der z. B. mit einer TCP/IP-Kommunikationsverbindung und einem programmierbaren Logikcontroller (z. B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung, SPS) ausgestattet ist, der eine Echtzeit-Steuerung ausführt. Ergänzend sei angemerkt, dass die Echtzeit-Steuerung optional ist und ggf. – je nach Anwendungsgebiet – auch langsamere (nichtechtzeitfähige) Komponenten eingesetzt werden können.
Der Produktions-Dienste-Agent 304 kann Achsenbewegungssensoren einsetzen, um ein Symptom abzuleiten: So kann es sich bei den Symptomen um

– ein Stoppen der Achse (AxleStop) oder
– um eine Achsendrehung (AxleTurning)

3

Die Symptome werden dann zu dem Diagnose-Agenten 306 gesendet, der beispielsweise in dem Diagnosesystem 110 installiert und für das entsprechende Symptom registriert ist (vgl. Situations-Analyse-Funktion).
Falls der Produktions-Dienste-Agent 304 von dem Diagnose-Agenten 306 über eine plausible Diagnose informiert wird, wird hieraus der aktuelle Zustand des Produktionssystems abgeleitet, um die Menge der Konfigurationen des Produktions-Dienstes zu beschränken, wobei vorzugsweise hiervon das Planungssystemen auf höherer Ebene informiert wird.
Ein Produktsensor ist z. B. eine eingebettete Einrichtung, die an oder in dem Produkt beispielsweise für die Lebensdauer des Produkts oder die Dauer der Herstellung oder Bearbeitung des Produkts befestigt ist. Vorzugsweise ist der Produktsensor nur so lange in oder an dem Produkt befestigt, wie Bedarf besteht, d. h. insbesondere so lange wie eine Kommunikation mit der Anlage sinnvoll erscheint oder möglich ist. Der Produktsensor ist vorzugsweise mit mindestens einem Sensor zum autonomen Überwachen der Umgebung des Produktes 102 ausgestattet.
Ein Produkt-Agent 305, der die Symptom-Bereitstellungs-Funktion 308 implementiert, steuert den Produktsensor 102 und stellt die Messungen des Produktsensors dem Produktionssteuersystem bereit in Form von Symptomen, die Systemelementen zugeordnet werden können basierend auf einem Standort des Produkts. Die Symptome werden aus Merkmalen abgeleitet, die auf dem Merkmalsmodell basieren, und zwar unter Verwendung einer Regelmaschine, die z. B. in dem Produktsensor realisiert sein kann. Hierbei sei angemerkt, dass der Produktsensor eine Verarbeitungseinheit und/oder eine Kommunikationseinheit aufweisen kann.
5 zeigt eine schematische Architektur des Produktsensors 103 mit einer Vielzahl von Komponenten und Funktionen. Ein Sensormodul 501 dient zum Erfassen von Umgebungswerten, beispielsweise Schwingungen und/oder Temperaturen. Das Sensormodul 501 kann dazu direkt einen entsprechend geeigneten Sensor oder einen Anschluss zum Anschließen eines Sensors aufweisen. Gemessene Daten md des Sensormoduls 501 können über eine Kommunikationsschnittstelle 105 übertragen werden. Die Kommunikation mit der Maschine oder Anlage kann über verschiedene Schnittstellen oder Medien durchgeführt werden, beispielsweise WLAN, Bluetooth, RFID. Die Kommunikationsschnittstelle 105 kann mit dem Produkt-Agenten 305, der funktional beispielsweise dem Produkt-Agenten 305 aus 3 entsprechen kann, verbunden sein. Der Produkt-Agent 305 ist mit einem (optionalen) Speicher 502 verbunden. Sowohl der Produkt-Agent 305 als auch der Speicher 502 kommunizieren mit einer Regelmaschine 503, die z. B. als ein Zustandsautomat realisiert sein kann. Der Produktsensor 103 kann somit auch eine Verarbeitungseinheit umfassen, die beispielsweise die Komponenten 305, 503 und 502 beinhaltet. Optional kann auch die Kommunikationsschnittstelle 105 Teil der Verarbeitungseinheit sein. Auch ist es möglich, dass das Sensormodul 501 in die Verarbeitungseinheit integriert oder mit dieser verbunden ist.
Beispielsweise kann der Produkt-Agent 305 ein lokales Merkmalsmodell einsetzen, um die Messungen seines Sensormoduls 501, beispielsweise ausgeführt als ein Drei-Achsen-Bewegungssensor, zu interpretieren und zu bestimmen, ob auf das Produkt 102, an dem der Produktsensor 103 angeordnet ist, eine Kraft wirkt. Diesbezüglich können beispielsweise die folgenden Symptome (siehe auch 3) unterschieden werden:

– Produkt bewegt sich (ProductMoving),
– Produkt bewegt sich nicht (ProductStops),
– starke (schädliche) Vibrationen wirken auf das Produkt (VibrationHigh),
– Vibrationen auf das Produkt im zulässigen Rahmen (VibrationOK).

Die Symptome werden (vorzugsweise mit ihrem Eintritt) zu denjenigen Diagnose-Agenten übertragen, die um deren Übermittlung gebeten hatten.
Eine Aufgabe des Diagnose-Agenten 306 besteht darin, die Situations-Analyse-Funktion 309 im Rahmen eines Situations-Modells zu implementieren. Dies beruht auf einer wissensbasierten Diagnoseerhebung, die zu einer Vielzahl von Ansätzen führen kann.
Eine beispielhafte Implementierung verwendet eine logikbasierte Abduktion für die Diagnose, um basierend auf unvollständigen Informationen voraussagende Diagnosen zu ermöglichen. Insbesondere kann eine Menge plausibler Diagnosen zusammen mit den dafür erforderlichen Annahmen und den resultierenden Plausibilitätsbewertungen bestimmt werden. So kann basierend auf den räumlichen Beschränkungen des Produkts auf plausible Diagnosen rückgeschlossen werden, d. h. eine Vielzahl von Diagnosen könnte aufgrund solcher Beschränkungen ausgeschlossen werden. Dies entspricht einer Suche nach optimalen Wegen entlang eines Hypergraphen, wobei jeder Hyperpfad (entsprechend einem Teilgraphen) eine im Hinblick auf die unvollständigen Informationen gültige Diagnose darstellt. In dem Hypergraphen gibt es entsprechend eine Vielzahl von Pfaden, jeder basierend auf einer Teilmenge der insgesamt zulässigen Annahmenmenge.
Die Struktur des Graphen wird bestimmt durch die Modelle, durch die beobachteten und angenommenen Symptome und durch den Satz möglicher Diagnosen, wobei die Größe des Graphen aufgrund der Beschränkungen der zur Darstellung verwendeten Sprache polynomial ist hinsichtlich der Größe des Situations-Modells. Die Plausibilität eines Pfads hängt von zwei Faktoren ab, nämlich

– den Beobachtungen, welche sie erklärt, und
– den Annahmen, welche erforderlich sind,

_m

_D

304

307

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein Produkt 102 auf einem abführenden Transportband zunehmende Vibrationswerte erfassen, während das entsprechende Komponentensignal (z. B. ermittelt anhand eines Sensors an dem Transportband) eine drehende Achse signalisiert. Eine Erklärung für beide Beobachtungen erfordert keine weitere Annahme, denn es kann direkt erkannt werden, dass lediglich dieser Transportpfad der Anlage vibriert. Alternativ könnte zum Beispiel angenommen werden, dass ein gemeinsam verwendetes zuführendes Transportband nicht gleichmäßig läuft, was auch eine Diagnose zuließe, dass beide Transportpfade vibrieren.
Wartungs-Agenten 307 ermöglichen eine Benutzerinteraktion, wie dies durch die Überwachungs-Mediator-Funktion 310 definiert ist. Vorzugsweise kann ein Wartungs-Agent 307 mehrere (z. B. getrennt voneinander ausgeführte) graphische Benutzerschnittstellen anbieten, z. B.

– eine Überwachungs-Ansicht, die in einem Befehls- und Steuerzentrum einer Fabrik oder Anlage integriert ist, und
– eine Wartungsansicht, die in einem SCADA-System WinCC eingerichtet sein kann (SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition/überwachende Steuer- und Datenbeschaffung; WinCC: Windows Control Center/Fenster-Steuerzentrum).

Anhand der erstgenannten Ansicht kann die Bedienperson Diagnose-Agenten 306 Komponenten zuweisen, die Schwellwerte und untere Grenze einstellen und/oder Diagnosen auswählen, die durch den Diagnose-Agent 306 abgeleitet wurden. In diesem Fall kann die ausgewählte Diagnose dem Diagnose-Agenten 306 signalisiert werden, von wo sie zu dem verantwortlichen Produktions-Dienst-Agenten 304 weitergeleitet wird.
Die Wartungsansicht, die bei einer Maschinensteuerungstafel angeordnet sein kann, unterstützt die Bedienperson beim Verbessern der Analyseergebnisse, z. B. durch ein Hervorheben relevanter Daten, beispielsweise der Annahmen, die während der Ermittlung der Diagnosen getroffenen wurden, und/oder durch Hinzufügen von Messungen, die durch die Bedienperson initiiert oder durchgeführt wurden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel könnte die Bedienperson somit vorgeben, dass die anderen Transportbänder Vibrationsgrenzwerte nicht überschreiten dürfen, um das Risiko einer Beschädigung von Produkten zu reduzieren.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht eine flexible und kostengünstige Architektur für ein agentenbasiertes flexibles Produktionssystem, das einen dienstbasierten Ansatz zur Produktion, Verarbeitung oder Bearbeitung von Produkten ermöglicht, wobei jedes Produkt mindestens einen Produktsensor aufweist und als ein sogenanntes intelligentes Produkt ausgeführt sein kann. Damit kann eine interaktive Diagnose der Anlage oder Maschine erreicht werden und zwar abhängig von der Position des Produkts und/oder unmittelbar auf das Produkt wirkenden Umgebungsbedingungen.
Eine automatisierte Produktionssteuerung kann durch manuelle Eingaben einer Bedienperson ergänzt werden. Hierzu kann die Bedienperson beispielsweise über eine geeignete Schnittstelle mit dem Diagnose-Agenten interagieren.
Die Produktsensoren können eine drahtlose oder eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle mit bzw. zu der Anlage aufweisen. Der Produktsensor kann in dem Produkt integriert oder an dem Produkt, z. B. lösbar, befestigt sein. Der Produktsensor kann eine Verarbeitungseinheit und/oder eine Kommunikationseinheit aufweisen. Der Produktsensor kann produktspezifische Daten und/oder anlagenspezifische Daten und/oder ortsspezifische Daten liefern.
Der vorgestellte Ansatz hat ferner den Vorteil, dass auch bei unvollständigen Daten Entscheidungen möglich sind, um Risiken für eine Beschädigung der Anlage und/oder des Produkts zu verringern. Insbesondere können hierbei Erfahrungen der Bedienperson berücksichtigt werden, um eine Entscheidung in Bezug auf eine Diagnose basierend auf nur wenigen Informationen treffen zu können.
Ferner kann mit fehlenden Informationen derart umgegangen werden, dass das Diagnosesystem hypothetische Schlüsse zieht (Annahmen trifft), die dann auf Basis zusätzlicher Daten, z. B. durch zusätzliche Messungen oder durch Eingabe der Bedienperson, als gültig erklärt oder als ungültig zurückgewiesen werden.
Die vorgestellte Lösung weist auch den Vorteil auf, dass sie mit minimalem Aufwand auf bestehenden Systemen umgesetzt werden kann und somit nur geringe Kosten für eine entsprechende Aktualisierung bestehender Systeme anfallen.
Vorteilhafte funktionale Erweiterungen können darin bestehen, eine Optimierung von Speicherplatz in einer eingebetteten und für Schlussfolgerungen zuständigen Komponente dadurch zu erreichen, dass Fakten vergessen (nur für eine vorgegebene Zeitdauer gespeichert bleiben) oder weggelassen werden. Dies kann z. B. bei Echtzeit-Steuersystemen erfolgen, die in einer schnellen Abfolge (neue bzw. geänderte) Daten liefern.
Auch können modellbasierte Planungsalgorithmen in den Produktions-Dienste-Agenten integriert werden, um verbesserte Konfigurationsplanung und eine verteilte Produktionsplanung sowie marktbasierte Mechanismen für eine Koordination von Produktions-Dienste-Agenten und Produkt-Agenten umzusetzen. Erweiterungen des Ansatzes können auch halbautomatisierte oder automatisierte Extraktionen erforderlicher Modelle aus einer großen Anzahl von planungsrelevanten Informationen sein, die während einer Anlageplanung erzeugt werden. Dies könnte den Aufwand einer Implementierung eines modellbasierten Ansatzes signifikant reduzieren. Eine andere Erweiterung könnte darin bestehen, ausdrucksstärkere Modelle und komplexe Strukturen, z. B. Gruppen aus Fabriken und Produktionsketten, zu verwenden.
Mit einem hierarchischen Ansatz könnten Diagnosen, die für eine Fabrik bzw. Anlage bestimmt wurden, als Symptome für eine vollständige Wertschöpfungskette dienen: Damit könnte eine Menge zusätzlicher Informationen gewonnen werden, die gezielt einsetzbar wären, um nachteilige Effekte in der Produktion zu reduzieren.

Claims

Produktsensor (103) für ein Produkt (102), das in einer Anlage (101) transportierbar, herstellbar oder bearbeitbar ist mit – einer Verarbeitungseinheit (104) zum Bereitstellen gemessener Daten (md) oder daraus abgeleiteter Daten (d) an die Anlage, – bei der der Produktsensor in das Produkt oder in einen Materialträger für das Produkt integriert ist, – wobei anhand der Verarbeitungseinheit (104) ein Symptom (201) ermittelbar ist basierend auf den gemessenen Daten (202) oder den daraus abgeleiteten Daten (202), – wobei anhand des Symptoms (201, 203) eine Diagnose (205) für die Anlage (101) bestimmbar ist basierend auf mindestens einer Annahme, – wobei die Diagnose durch eine Situations-Analyse-Funktion bestimmt wird, die für die Diagnose ein Plausibilitäts-Maß bestimmt, wobei abhängig von Schwellwerten sowohl automatisierte Reaktionen als auch Interaktionen der Bedienperson anstoßbar sind.
Produktsensor nach Anspruch 1, wobei der Produktsensor (103) an dem Produkt (102) befestigbar ist.
Produktsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verarbeitungseinheit (104) zum Speichern der gemessenen Daten oder der abgeleiteten Daten ausgestaltet ist.
Produktsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verarbeitungseinheit (104) oder der Produktsensor (103) eine Kommunikationsschnittstelle (105) aufweist anhand derer die gemessenen Daten oder die abgeleiteten Daten an die Anlage (101) übertragbar sind.
Produktsensor nach Anspruch 4, bei der die Kommunikationsschnittstelle eine drahtlose oder eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle ist.
Produktsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Bereitstellen der Daten oder der abgeleiteten Daten Echtzeitanforderungen erfüllt.
Produktsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der anhand des Produktsensors (103) mindestens eine Auswahl der folgenden Daten ermittelbar oder messbar ist: – eine Temperatur; – eine relative oder absolute Position des Produktsensors; – eine Bewegung, Beschleunigung oder Orientierung des Produktsensors; – eine Vibration.
Produktsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verarbeitungseinheit (104) derart eingerichtet ist, dass die gemessenen Daten und/oder die abgeleiteten Daten überwachbar sind.
Produkt (102) mit mindestens einem Produktsensor (103) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Anlage (101) mit einer Diagnoseeinrichtung (110) zur Kommunikation mit mindestens einem Produktsensor (103) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Kommunikation zwischen einem Produktsensor (103) und einer Anlage (101), – bei dem von dem Produktsensor (103) für ein Produkt (102), das in der Anlage (101) transportierbar, herstellbar oder bearbeitbar ist, gemessene Daten (md) bestimmt werden, – bei der der Produktsensor in das Produkt oder in einen Materialträger für das Produkt integriert ist, – bei dem die gemessenen Daten (md) oder daraus abgeleitete Daten (d) an die Anlage (101) übertragen werden, – bei dem ein Symptom (201) ermittelt wird basierend auf den gemessenen Daten (202) oder den daraus abgeleiteten Daten (202), – bei dem anhand des Symptoms (201, 203) eine Diagnose (205) für die Anlage (101) bestimmt wird basierend auf mindestens einer Annahme, – wobei die Diagnose durch eine Situations-Analyse-Funktion bestimmt wird, die für die Diagnose ein Plausibilitäts-Maß bestimmt, wobei abhängig von Schwellwerten sowohl automatisierte Reaktionen als auch Interaktionen der Bedienperson anstoßbar sind.