WO2003060617A1 - Verfahren und vorrichtung zum erfassen und verarbeiten von signalen von industriellen prozessen - Google Patents

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WO2003060617A1
WO2003060617A1 PCT/DE2003/000093 DE0300093W WO03060617A1 WO 2003060617 A1 WO2003060617 A1 WO 2003060617A1 DE 0300093 W DE0300093 W DE 0300093W WO 03060617 A1 WO03060617 A1 WO 03060617A1
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measuring
signals
data
bus system
processes
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PCT/DE2003/000093
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Inventor
Rupert Maier
Ralf Sykosch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting and processing signals of industrial processes according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 11.
  • the acquisition and processing of signals from industrial processes form the basis for central real-time evaluation and the support of analysis and diagnostic functions both on site and spatially separated from the process concerned.
  • the latter is particularly important for services provided by the system manufacturer, such as remote maintenance and remote diagnosis.
  • the affected processes exist in industrial plants, which usually consist of several mostly spatially distributed plant components.
  • the processes concerned are controlled and / or regulated with at least one automation device.
  • the signals to be recorded and processed can come from a wide variety of sources and in any desired form, e.g. analog, binary, numerical, as video signals and / or as variable physical quantities.
  • a suitable method and an apparatus for carrying out such a method for acquiring and processing signals must receive signals from a large number of sources, and the spatial distribution of the sources can be very extensive.
  • a suitable method must precisely measure measurement signals with consistently high quality and also support high sampling rates.
  • a corresponding device is expected to be quick and easy to start up with low wiring and connection configuration effort and ease of use, comparable to the "Plug and Play X principle.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for detecting and processing signals from industrial processes in such a way that both the requirements indicated are met and the disadvantages mentioned are avoided.
  • At least one measuring head receives measuring signals on the input side from any bus system. This enables the largely non-reactive recording of the signals exchanged via the bus system and / or the analysis of signal interference on the bus system itself.
  • the method according to the invention can advantageously be designed such that at least one measuring head on the output side passes measurement signals directly to a data concentrator, as a result of which the modularity of the system according to the invention is further increased.
  • the measuring heads and / or data concentrators are automatically recognized.
  • the communication between data concentrators and measuring heads is established automatically with the aid of at least one communication unit.
  • time signals are generated in that measurement signals are provided with a time stamp. This will an evaluation of the detected measurement signals is made considerably easier, in particular with regard to complex interrelationships that span several sub-processes.
  • the method according to the invention is advantageously expanded such that at least one measuring head receives a standardized time signal.
  • This time signal as a reference time enables a clear and precise time assignment of measurement signals beyond the limits of the industrial process to which the method according to the invention relates.
  • the standardized time signal is recorded by a global positioning system (GPS).
  • GPS global positioning system
  • the time and / or measurement signals originating from at least one data concentrator are processed with the aid of at least one programmable evaluation unit, the programmable evaluation unit being able to be located at any distance from the subprocesses.
  • the method according to the invention can preferably be designed in such a way that at least one display unit is used to visualize data generated from the measurement signals and / or time signals, it being possible for the display unit to be spatially distant from the subprocesses.
  • Such an extension increases the modularity and flexibility of the method according to the invention, the spatial independence of the display unit from the industrial sub-processes also enables functionalities such as remote analysis, thereby both increasing the efficiency and cost-effectiveness of the intellectual evaluation of measurement results and significantly facilitating the use of expert knowledge for evaluation.
  • the method according to the invention can be carried out with a device for recording and processing signals from industrial processes, which consist of at least one partial process, the industrial process being controlled and / or regulated by at least one automation device equipped with one or more bus systems.
  • the device according to the invention is characterized in that at least one measuring bus system is provided which is not identical to the bus system (s) of the automation device, and that at least one measuring head is provided for recording measuring signals, which on the input side have existing and / or additionally to be provided industrial signaling devices Process is connected and on the output side signals in a predetermined form to the measurement bus system, and that one or more data concentrators are connected to the measurement bus system.
  • At least one measuring head which is connected to a signal transmitter that supplies a standardized time signal, is attached to the upper end of a device within which or with the aid of which the industrial process is carried out.
  • This attachment enables improved reception of the standardized time signal, provided that it is wireless and in particular with the aid of non-exclusive earthbound transmission equipment such as satellites is transmitted.
  • the data concentrators can be made expandable in such a way that the required number of measuring bus systems and / or measuring heads can be connected to them. This makes it easy to integrate measurement bus systems and / or measurement heads, saving time and money. In this way, the system can be expanded as required and easily.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a measuring and analysis system according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a measuring and analysis system for an industrial process.
  • the process is divided into two sub-processes T1 and T2. Signals are to be recorded and processed within these subprocesses T1 and T2.
  • the system components XI to X3 and Yl to Y3 have signal generators S1 to S6, not shown, which are connected to corresponding measuring heads Ml to M6.
  • the system components shown by way of example in the drawing are the motors XI to X4 and the control cabinets Yl to Y4.
  • bus systems P1 and P2 and other bus systems which can be assigned to the automation device of industrial sub-processes T1 and T2.
  • the bus systems Pl and P2 are used for controlling and regulating system components XI and Y2 or X4 and Y4.
  • measuring heads can also be connected to bus systems that are used for control and regulation.
  • the measuring heads Ml to M7 are connected to the data concentrators Dl and D2 on the output side using the measuring bus systems Bl and B2.
  • One task of the data concentrators D1 and D2 is to process the time and / or measurement signals from the measuring heads Ml to M7.
  • the evaluation units E1 and E2 are provided for further signal and data processing.
  • the display units AI and A2 make it possible to visualize measurement data processed by the data concentrators D1 and D2 or the evaluation units El and E2.
  • the evaluation units E1 and E2, the display units AI and A2 and the data concentrators D1 and D2 are connected to one another via local and / or spatially unlimited data transmission networks C1 to C3.
  • Subprocess in the sense of the invention can be understood on the one hand to be an actual subprocess within an industrial process.
  • a sub-process itself can be understood as an industrial process, so that two or more sub-processes are synonymous with two or more industrial processes.
  • one or more sub-processes could be assignable to the manufacturing process of an automobile manufacturer, while another sub-process could be the industrial process of a supplier.
  • One or more sub-processes T1 or T2, in which signals are recorded can also be non-industrial.
  • a sub-process of a non-industrial nature can be understood to mean, for example, a process that affects the private or public health system, state authorities or institutions, private individuals, non-profit organizations or generally institutions that are not considered to belong to the industry can be assigned.
  • Sub-processes T1 or T2 are defined in such a way that it is possible to use non-industrial devices such as e.g. Connect MRI scanners to one or more measuring bus systems Bl or B2.
  • time signals are generated in that measurement signals are provided with a synchronously running time stamp.
  • the measuring heads Ml to M7 are designed to receive numerical, binary or analog signals from signal generators. However, measuring heads (not shown in the drawing) are also provided, which record physical measured variables such as the duration of oscillation or temperature. Measuring heads can be connected to bus and control systems such as PROFIBUS or CAN bus. The measuring head M7 connected to the bus system P2 detects data present on the bus system P2, which can be used to analyze signal interference on the bus system P2 or to make further measurement data available, provided that this is done largely without feedback and in a timely manner. The term accurate in time is understood to be synchronous in the resolution of half the minimum sampling time.
  • All measuring heads Ml to M7 consist of a uniform bidirectional communication part and have the functionalities for the independent acquisition and generation of the measurement data and drivers for receiving data from the data concentrator.
  • the measurement bus systems Bl and B2 use a uniform transmission protocol and are based uniformly on fiber optic technology in order to guarantee minimal cabling and configuration effort and a high susceptibility to faults.
  • the arrangement of the data concentrator and the inserted measuring head then results in one unit, which may result in space and cost savings.
  • the data concentrators Dl and D2 are designed to be expandable with regard to the number of measuring bus systems Bl and B2 to be connected or measuring heads to be plugged in directly.
  • Each of the data concentrators D1 and D2 contains at least one computing unit and at least one communication unit.
  • the task of the communication unit is the independent, automatic operation of the measuring bus systems Bl and B2 of the device, the establishment of communication with the connected measuring heads Ml to M7 via the measuring bus systems Bl and B2, as well as the automatic detection of the components in the system and the automatic compatibility monitoring of individual ones components.
  • a structured storage matrix is provided in each communication unit, in which there is a unique address for each measuring head assigned to the data concentrator and each assigned measuring or time signal.
  • the communication units also enable the automatic synchronization of the measuring processes of all measuring heads and all data concentrators in the system on a common time basis.
  • Communication units have means for self-diagnosis, means for coupling external signals and the functionality for automatic load distribution between the data concentrators used in the system.
  • the task of the computing unit is to process time and measurement signals.
  • the computing unit vectorizes the incoming data over time and archives the vectors on read-only memory in order to prevent data loss.
  • the computing unit is also responsible for taking into account different sampling rates, smoothing the measurement signals and if necessary, the interpolation to common sampling times.
  • the evaluation units El and E2 have functionalities for further processing of measurement and time signals from various data concentrators D1 and D2.
  • the evaluation units E1 and E2 can be user-programmed by means of a graphic editor and have a library of functionalities, for example for filtering or transforming measurement signals or signal vectors.
  • the evaluation units E1 and E2 or the display units AI and A2 can be accessed locally as well as by means of spatially limited or unlimited data transmission networks.
  • the evaluation units El and E2 support automatic monitoring by sending messages in the case of predetermined data constellations, for example to trigger an alarm on at least one of the display units AI and A2. This can be done, for example, using e-mail or using a text message via a mobile network.
  • the measurement bus systems Bl and B2 are uniformly designed for fiber optic technology, this is not the case with the data transmission networks C1 to C3.
  • the data transmission networks C1 and C3 represent local networks with a high transmission rate and use of the TCP / IP protocol family.
  • the data transmission network C2 is spatially significantly more extensive and represents a digital telecommunications network.
  • the sub-process T1 represents a part of the manufacturing process of an automobile manufacturer
  • the sub-process T2 represents an industrial process in the factory of a supplier.
  • the system and problem analysis can be carried out by means of the uniform system according to the invention.
  • the measurement bus systems Bl and B2 and the measurement heads Ml to M7 can be easily adapted to the new conditions caused by the conversion or expanded accordingly for conversions within the industrial process.
  • the decoupling of the measurement and analysis devices according to the invention from existing automation devices of the industrial process also enables not only a high degree of freedom from interference in the measurement data acquisition, but also a uniform measurement data acquisition and analysis during conversions within the industrial process. This enables a direct comparison and the analysis of process characteristics before and after a conversion.

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Abstract

Es wird ein einheitliches und modular erweiterbares System zum weitestgehend rückwirkungsfreien und zeitsynchronen Mes-sen und Analysieren von weit verteilten Signalen von aus meh-reren Teilprozessen (T1 ... T2) bestehenden industriellen Prozessen vorgeschlagen. Mittels Messköpfen (M1 ... M7) wer-den beliebige in den Teilprozessen (T1 ...T2) vorliegende Signale erfasst und gegebenenfalls mit einem Zeitstempel ver-sehen in einer vorgegebenen Form als Mess- oder Zeitsignale an ein Messbussystem (B1 ... B2) weitergegeben, wobei das Messbussystem (B1 ... B2) nicht identisch mit vorhandenen, der Automatisierung dienenden Bussystemen (P1 ... P2) ist. Die Mess- und/oder Zeitsignale werden von Datenkonzentratoren (D1 ... D2) weiterverarbeitet. Lokale oder vom industriellen Prozess beliebig entfernt vorgesehene Auswerteeinheiten (E1 ... E2) und/oder Anzeigeeinheiten (A1... A2) ermöglichen die weitere Verarbeitung beziehungsweise Visualisierung von Mess- und/oder Zeitsignalen. Es sind Messköpfe vorgesehen, die ein standardisiertes Zeitsignal wie das des Global Positioning Systems (GPS) erfassen können.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
Die Erfassung und Verarbeitung von Signalen von industriellen Prozessen bilden die Grundlage für zentrale Echtzeitauswertung und die Unterstützung von Analyse- und Diagnosefunktionalitäten sowohl vor Ort als auch räumlich getrennt vom betroffenen Prozess. Letzteres ist insbesondere für Dienstleistungen des Anlagenherstellers wie zum Beispiel Fernwartung und Ferndiagnose von Bedeutung.
Die betroffenen Prozesse liegen in industriellen Anlagen vor, die in der Regel aus mehreren zumeist räumlich verteilten Anlagenbestandteilen bestehen. Die betroffenen Prozesse werden mit mindestens einer Automatisierungsvorrichtung gesteuert und/oder geregelt. Die zu erfassenden und zu verarbeitenden Signale können aus den verschiedensten Quellen stammen und in beliebiger auch unterschiedlicher Form, z.B. analog, binär, numerisch, als Videosignale und/oder als veränderliche physikalische Größen vorliegen.
Ein geeignetes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen muss Signale aus einer großen Anzahl von Quellen aufnehmen, wobei die räumliche Verteilung der Quellen sehr weit ausgedehnt sein kann. Ein geeignetes Verfahren muss Messsignale bei gleichbleibend hoher Qualität genau erfassen und dabei auch hohe Abtastraten unterstützen können. Von einer entsprechenden Vorrichtung erwartet man eine einfache und schnelle Inbetriebnahme bei niedrigem Verdrahtungs- und Kon- figurationsaufwand sowie eine einfache Bedienbarkeit, vergleichbar mit dem „Plug and PlayX Prinzip.
Vor allem dann, wenn die einzelnen Teilprozesse eines industriellen Prozesses räumlich weit verteilt vorliegen, sind Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen bekannt, die durch einzelne, unterschiedliche Teilverfahren und Vorrichtungen mit jeweils verschiedenen Leistungsspektren und Charakteristiken oder durch Integration in bestehende Steuersysteme oder beides realisiert werden. Es ist kein Gesamtsystem bekannt, das aus einer einheitlichen und modular aufgebauten Vorrichtung besteht, das den zuvor angeführten Anforderungen genügt und das darüber hinaus die zeitsynchrone und weitestgehend rückwirkungsfreie Signalerfassung der in der Anlage vorliegenden Signale ermöglicht. Ebenso wenig sind Verfahren zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen in vorzugsweise räumlich weit verteilten, industriellen Anlagen bekannt, die allen vorangehend genannten Anforderungen genügen und darüber hinaus sowohl einfach und universell einsetzbar sind als auch präzise, weitestgehend rückwirkungsfreie und zeitsynchrone Signalerfassung gewährleisten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen derart bereit zu stellen, dass sowohl die aufgezeigten Anforderungen erfüllt werden als auch die genannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Verfahrensschritten und durch eine Vorrichtung mit den im kennzeichnenden Teil der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 genannten Merkmalen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung sind einheitlich und modular aufgebaut. Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist die Trennung von Messen und Analysieren einerseits und Steuern und Regeln andererseits. Vor allem die Umsetzung dieses Konzepts ermöglicht die weitestgehend rückwirkungsfreie Signalerfassung und die Realisierung eines vielfältig einsetzbaren, leistungsstarken, modular und kostengünstig erweiterbaren, einheitlichen Systems der eingangs genannten Art .
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens empfängt mindestens ein Messkopf eingangsseitig Messsignale von einem beliebigen Bussystem. Dadurch wird die weitestgehend rückwirkungsfreie Aufnahme der über das Bussys- te ausgetauschten Signale und / oder die Analyse von Signalstörungen am Bussystem selbst ermöglicht.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet werden, dass mindestens ein Messkopf ausgangsseitig Messsignale unmittelbar an einen Datenkonzentrator weitergibt, wodurch die Modularität des erfindungsgemäßen Systems weiter gesteigert wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 4 werden die Messköpfe und / oder Datenkonzentratoren automatisch erkannt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 5 erfolgt der Aufbau der Kommunikation zwischen Datenkonzentratoren und Messköpfen automatisch unter Zuhilfenahme von mindestens einer Kommunikationseinheit. Beide Ausgestaltungen erhöhen in entscheidender Weise die Modularität des Verfahrens, das auf diese Weise sehr einfach und mit geringen Kosten und Aufwand verbunden erweitert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Zeitsignale dadurch generiert, dass Messsignale mit einem Zeitstempel versehen werden. Dadurch wird eine Auswertung der erfassten Messsignale erheblich erleichtert und zwar insbesondere im Hinblick auf komplexe, sich über mehrere Teilprozesse erstreckende Zusammenhänge.
Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren so erweitert, dass mindestens ein Messkopf ein standardisiertes Zeitsignal empfängt. Die Nutzung dieses Zeitsignals als Referenzzeit ermöglicht eine eindeutige und genaue zeitliche Zuordnung von Messsignalen über die Grenzen des industriellen Prozesses hinaus, auf den sich das erfindungsgemäße Verfahren bezieht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das standardisierte Zeitsignal von einem Global Positioning System (GPS) erfasst. Der Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt in der weltweiten Verfügbarkeit von GPS und in den geringen Kosten, die mit der Erfassung dieses standardisierten Zeitsignals verbunden sind.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die aus mindestens einem Da- tenkonzentrator stammenden Zeit- und / oder Messsignale mit- hilfe von mindestens einer programmierbaren Auswerteeinheit verarbeitet, wobei sich die programmierbare Auswerteeinheit räumlich beliebig entfernt von den Teilprozessen befinden kann. So erhöht sich die Flexibilität und die universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens. Eine besonders wirtschaftliche Ressourcenausnutzung wird durch die für die Datenkonzentratoren und Auswerteeinheiten vorgesehene konzeptionelle Aufgabentrennung erreicht.
Vorzugsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet werden, dass mindestens eine Anzeigeeinheit zur Visualisierung von aus den Messsignalen und / oder Zeitsignalen generierten Daten verwendet wird, wobei sich die Anzeigeeinheit räumlich beliebig entfernt von den Teilprozessen befinden kann. Eine derartige Erweiterung erhöht Modularität und Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die räumliche Unabhängigkeit der Anzeigeeinheit von den industriellen Teilprozessen zudem Funktionalitäten wie die Fernanalyse ermöglicht und dadurch sowohl die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der intellektuellen Auswertung von Messergebnissen erhöht als auch das Heranziehen von Expertenwissen zur Auswertung wesentlich erleichtert.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich mit einer Vorrichtung zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen durchführen, die aus mindestens einem Teilprozess bestehen, wobei der industrielle Prozess von mindestens einer mit einem oder mehreren Bussystemen ausgestatteten Automatisierungsvorrichtung gesteuert und / oder geregelt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messbussystem vorgesehen ist, das nicht identisch mit dem oder den Bussystemen der Automatisierungsvorrichtung ist, sowie dass mindestens ein Messkopf zur Erfassung von Messsignalen vorgesehen ist, der eingangsseitig mit vorhandenen und / oder zusätzlich vorzusehenden Signalgebern des industriellen Prozesses verbunden ist und ausgangsseitig Signale in einer vorgegebenen Form an das Messbussystem weitergibt, und dass ein oder mehrere Datenkonzentratoren mit dem Messbussystem verbunden sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Vorteile ergeben sich analog zu den bei den Verfahrensansprüchen genannten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens ein Messkopf, der mit einem Signalgeber verbunden ist, der ein standardisiertes Zeitsignal liefert, am oberen Abschluss einer Einrichtung angebracht, innerhalb derer oder mit deren Hilfe der industrielle Prozess durchgeführt wird. Diese Anbringung ermöglicht einen verbesserten Empfang des standardisierten Zeitsignals, sofern dieses drahtlos und insbesondere mithilfe von nicht ausschließ- lieh erdgebundenen Übermittlungseinrichtungen wie zum Beispiel Satelliten übermittelt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Datenkonzentratoren derart erweiterbar beschaffen, dass die jeweils benötigte Zahl von Messbussystemen und / oder Messköpfen mit ihnen verbunden werden kann. So wird das unkomplizierte Einbinden von Messbussystemen und / oder Messköpfen Zeit und Kosten sparend möglich. Das System wird auf diese Weise beliebig und einfach erweiterbar.
Erfindungsgemäße Einzelheiten ergeben sich in Verbindung mit den Patentansprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mess- und Analysesystems.
Fig. 1 stellt ein Mess- und Analysesystem für einen industriellen Prozess schematisch dar. Im gezeigten Beispiel ist der Prozess in zwei Teilprozesse Tl und T2 aufgegliedert. Innerhalb dieser Teilprozesse Tl und T2 sollen Signale erfasst und verarbeitet werden.
An den Anlagenbestandteilen XI bis X3 und Yl bis Y3 befinden sich nicht näher dargestellte Signalgeber Sl bis S6, die mit entsprechenden Messköpfen Ml bis M6 verbunden sind. Bei den in der Zeichnung beispielhaft dargestellten Anlagenbestandteilen handelt es sich um die Motoren XI bis X4 und die Schaltschränke Yl bis Y4.
Es existieren die Bussysteme Pl und P2 und weitere nicht näher dargestellte Bussysteme, die der Automatisierungseinrichtung der industriellen Teilprozesse Tl und T2 zuzuordnen sind. Die Bussysteme Pl und P2 werden zum Steuern und Regeln der Anlagenkomponenten XI und Y2 beziehungsweise X4 und Y4 genutzt. Wie beispielhaft am Bussystem P2 und dem Messkopf M7 gezeigt wird, können Messköpfe auch mit Bussystemen, die zum Steuern und Regeln dienen, verbunden werden.
Die Messköpfe Ml bis M7 sind ausgangsseitig mithilfe der Messbussysteme Bl und B2 mit den Datenkonzentratoren Dl und D2 verbunden. Eine Aufgabe der Datenkonzentratoren Dl und D2 ist die Verarbeitung der Zeit- und/oder Messsignale der Messköpfe Ml bis M7.
Zur weiteren Signal- und Datenverarbeitung sind die Auswerteeinheiten El und E2 vorgesehen. Die Anzeigeeinheiten AI und A2 ermöglichen es, von den Datenkonzentratoren Dl und D2 beziehungsweise den Auswerteeinheiten El und E2 verarbeitete Messdaten zu visualisieren. Die Auswerteeinheiten El und E2, die Anzeigeeinheiten AI und A2 und die Datenkonzentratoren Dl und D2 sind untereinander über lokale und/oder räumlich unbegrenzte Datenübermittlungsnetze Cl bis C3 verbunden.
Unter Teilprozess im Sinne der Erfindung kann einerseits ein tatsächlicher Teilprozess innerhalb eines industriellen Prozesses verstanden werden. Andererseits kann ein Teilprozess selbst als industrieller Prozess verstanden werden, sodass zwei oder mehrere Teilprozesse gleichbedeutend sind mit zwei oder mehreren industriellen Prozessen. So könnten beispielsweise ein oder mehrere Teilprozesse dem Fertigungsprozesses eines Automobilherstellers zuordenbar sein, während ein weiterer Teilprozess der industrielle Prozess eines Zulieferers sein könnte.
Einer oder mehrere Teilprozesse Tl bzw. T2, in denen Signale erfasst werden, kann auch nicht industrieller Art sein. Unter einem Teilprozess nicht industrieller Art kann zum Beispiel ein Prozess verstanden werden, der dem privaten oder öffentlichen Gesundheitswesen, staatlichen Behörden oder Einrichtungen, Privatpersonen, gemeinnützigen Einrichtungen oder allgemein Einrichtungen, die nicht als der Industrie zugehörig verstanden werden, zuzuordnen ist.
Teilprozesse Tl bzw. T2 sind so definiert, dass die Möglichkeit besteht, im Rahmen eines oder mehrerer Teilprozesse Tl bzw. T2 auch nicht industrielle Geräte wie z.B. Kernspintomographen mit einem oder mehreren Messbussystem Bl bzw. B2 zu verbinden.
Im Ausführungsbeispiel werden Zeitsignale dadurch generiert, dass Messsignale mit einem synchron laufenden Zeitstempel versehen werden.
Die Messköpfe Ml bis M7 sind so ausgelegt, dass sie numerische, binäre oder analoge Signale von Signalgebern empfangen. Vorgesehen sind aber auch in der Zeichnung nicht dargestellte Messköpfe, die physikalische Messgrößen wie zum Beispiel Schwingungsdauer oder Temperatur erfassen. Messköpfe können mit zum Steuern und Regeln dienenden Bussystemen wie beispielsweise PROFIBUS oder CAN-Bus verbunden werden. Der mit dem Bussystem P2 verbundene Messkopf M7 erfasst auf dem Bussystem P2 anliegende Daten, die dazu dienen können, Signalstörungen auf dem Bussystem P2 zu analysieren oder weitere Messdaten zur Verfügung zu stellen unter der Voraussetzung, dass dies weitestgehend rückkopplungsfrei und zeitgenau geschieht. Unter dem Begriff zeitgenau wird synchron in der Auflösung der halben minimalen Abtastzeit verstanden.
Alle Messköpfe Ml bis M7 bestehen aus einem einheitlichen bidirektionalen Kommunikationsteil und verfügen über die Funktionalitäten zur selbstständigen Erfassung und Generierung der Messdaten und über Treiber für die Entgegennahme von Daten vom Datenkonzentrator . Die Messbussysteme Bl und B2 benutzen ein einheitliches Übertragungsprotokoll und basieren einheitlich auf Lichtwellenleitertechnologie, um minimalen Verkablungs- und Konfigurationsaufwand und eine hohe Störung- sunanfälligkeit zu gewähren. Es ist möglich jedoch nicht näher dargestellt, dass Messköpfe unmittelbar mit einem Datenkonzentrator Dl bzw. D2 verbunden werden. Die Anordnung aus Datenkonzentrator und gestecktem Messkopf ergibt dann eine Einheit, was gegebenenfalls mit Platz- und Kostenersparnis verbunden ist. Die Datenkonzentratoren Dl und D2 sind bezüglich der Anzahl anzubindender Messbussysteme Bl und B2 bzw. direkt zu steckender Messköpfe erweiterbar konzipiert.
Jeder der Datenkonzentratoren Dl und D2 beinhaltet mindestens eine Recheneinheit und mindestens eine Kommunikationseinheit.
Aufgabe der Kommunikationseinheit ist der eigenständige, automatische Betrieb der Messbussysteme Bl und B2 der Vorrichtung, der Aufbau der Kommunikation mit den angeschlossenen Messköpfen Ml bis M7 über die Messbussysteme Bl und B2, sowie die automatische Erfassung der sich im System befindenden Komponenten und die automatische Kompatibilitätsüberwachung einzelner Komponenten. In jeder Kommunikationseinheit wird eine strukturierte Abspeichermatrix bereitgestellt, in der für jeden dem Datenkonzentrator zugeordneten Messkopf und jedes zugeordnete Mess- oder Zeitsignal eine eindeutige Adresse vorliegt. Die Kommunikationseinheiten ermöglichen zudem die automatische Synchronisation der Messvorgänge aller Messköpfe und aller im System existierenden Datenkonzentratoren auf eine gemeinsame Zeitbasis. Kommunikationseinheiten verfügen über Mittel zur Selbstdiagnose, Mittel zur Einkopplung von Fremdsignalen und die Funktionalität zur automatischen Lastverteilung zwischen den im System eingesetzten Datenkonzentratoren.
Aufgabe der Recheneinheit ist eine Verarbeitung von Zeit- und Messsignalen. Die Recheneinheit führt eine zeitliche Vektori- sierung der eingehenden Daten durch und archiviert die Vektoren auf Festwertspeicher um Datenverluste zu verhindern. Aufgabe der Recheneinheit ist zudem die Berücksichtung unterschiedlicher Abtastraten, die Glättung der Messsignale und wenn notwendig die Interpolation auf gemeinsame Abtastzeitpunkte .
Die Auswerteeinheiten El und E2 verfügen über Funktionalitäten zur weitergehenden Verarbeitung von Mess- und Zeitsignalen aus verschiedenen Datenkonzentratoren Dl und D2. Die Auswerteeinheiten El und E2 sind mittels eines graphischen Editors benutzerprogrammierbar und verfügen über eine Bibliothek an Funktionalitäten beispielsweise zur Filterung oder Transformation von Messsignalen oder Signalvektoren.
Mithilfe der Anzeigeeinheiten AI und A2 können ausgewählte Messdaten in Echtzeit graphisch dargestellt werden. Auf die Auswerteeinheiten El und E2 beziehungsweise auf die Anzeigeeinheiten AI und A2 kann sowohl lokal zugegriffen werden als auch mittels räumlich begrenzter oder unbegrenzter Datenübermittlungsnetze. Die Auswerteeinheiten El und E2 unterstützen automatische Überwachung, indem sie bei vorbestimmten Datenkonstellationen Meldungen absetzen um zum Beispiel einen Alarm an mindestens einer der Anzeigeeinheiten AI und A2 auszulösen. Dies kann zum Beispiel mithilfe einer E-Mail oder aber auch mithilfe einer Kurzmitteilung über ein Mobilfunknetz erfolgen.
Während die Messbussysteme Bl und B2 einheitlich auf Lichtwellenleitertechnik konzipiert sind, ist dies bei den Datenübermittlungsnetzen Cl bis C3 nicht der Fall. In der Zeichnung stellen die Datenübermittlungsnetze Cl und C3 lokale Netze mit hoher Übertragungsrate und Verwendung der TCP / IP Protokollfamilie dar. Das Datenübermittlungsnetz C2 ist räumlich deutlich weiter ausgedehnt und stellt ein digitales Telekommunikationsnetz dar.
In einem Anwendungsbeispiel stellt der Teilprozess Tl einen Teil des Fertigungsprozesses eines Automobilherstellers, der Teilprozess T2 einen industriellen Prozess im Werk eines Zulieferbetriebes dar. Trotz der dabei in den Teilprozessen Tl und T2 unterschiedlichen Prozessstrukturen und der unterschiedlichen Automatisierungssysteme, kann die System- und Problemanalyse mittels des einheitlichen erfindungsgemäßen Systems vorgenommen werden.
Probleme, die über einzelne Teilprozesse Tl und T2 hinausreichen, können mithilfe der Datenkonzentratoren Dl und D2 sowie den räumlich von den Teilprozessen Tl und T2 entfernt vorgesehenen Auswerteeinheiten El und E2 und Anzeigeeinheiten AI und A2 zuverlässig erkannt und analysiert werden. Dabei wird beispielsweise externen Experten die Problemanalyse und das Verständnis von Zusammenhängen dadurch erleichtert, dass Messsignale mit einem auf einer einheitlichen Systemzeit basierenden und gegebenenfalls standardisierten Zeitstempel versehen werden, was über die bloße Synchronisation der Messsignale hinausgeht.
Die MessbusSysteme Bl und B2 und die Messköpfe Ml bis M7 können bei Umbauten innerhalb des industriellen Prozesses den durch den Umbau bedingten neuen Gegebenheiten einfach ange- passt beziehungsweise dementsprechend erweitert werden. Die Entkopplung der erfindungsgemäßen Mess- und Analyseeinrichtungen von vorhandenen Automatisierungseinrichtungen des industriellen Prozesses ermöglicht darüber hinaus nicht nur einen hohen Grad an Rückwirkungsfreiheit bei der Messdatenerfassung, sondern auch eine gleichförmig Messdatenerfassung und -analyse bei Umbauten innerhalb des industriellen Prozesses. So wird ein direkter Vergleich und die Analyse von Prozessmerkmalen vor und nach einem Umbau ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen, die aus mindestens einem Teilprozess (Tl ... T2) bestehen, wobei der industrielle Prozess von mindestens einer mit einem oder mehreren Bussystemen ausgestatteten Automatisierungsvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass a) mindestens ein Messbussystem (Bl ... B2) benutzt wird, das nicht identisch ist mit dem Bussystem oder den Bussystemen der Automatisierungsvorrichtung, b) Messsignale mit Hilfe von mindestens einem Messkopf (Ml ... M6) erfasst werden, wobei der Messkopf (Ml ... M6) eingangsseitig Messsignale von vorhandenen und / oder zusätzlich vorzusehenden Signalgebern (Sl ... S6) des industriellen Prozesses erfasst und diese Messsignale ausgangs- seitig in einer vorgegebenen Form an das Messbussystem (Bl ... B2) weitergibt, und dass c) die Messsignale von mindestens einem Datenkonzentrator (Dl ... D2) weiterverarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Messkopf (M7) eingangsseitig Messsignale von einem beliebigen Bussystem (P2) empfängt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Messkopf ausgangsseitig Messsignale unmittelbar an einen Datenkonzentrator (Dl ... D2) weitergibt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Messköpfe (Ml ... M7) und/oder Datenkonzentratoren (Dl ... D2) automatisch erkannt werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aufbau der Kommunikation zwischen Datenkonzentratoren (Dl ... D2) und Messköpfen (Ml ... M7) automatisch unter Zuhilfenahme von mindestens einer Kommunikationseinheit erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass alle Zeitsignale dadurch generiert werden, dass Messsignale mit einem Zeitstempel versehen werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Messkopf (Ml ... M7) ein standardisiertes Zeitsignal empfängt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das standardisierte Zeitsignal von einem Global Positioning System (GPS) erfasst wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die aus mindestens einem Datenkonzentrator (Dl ... D2) stammenden Zeit- und/oder Messsignale mithilfe von mindestens einer programmierbaren Auswerteeinheit (El ... E2) verarbeitet werden, wobei sich die programmierbare Auswerteeinheit (El ... E2) räumlich beliebig entfernt von den Teilprozessen (Tl ... T2) befinden kann.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eine Anzeigeeinheit (AI ... A2) zur Visualisierung von aus den Messsignalen und/oder Zeitsignalen generierten Daten verwendet wird, wobei sich die Anzeigeeinheit (AI ... A2) räumlich beliebig entfernt von den Teilprozessen (Tl ... T2) befinden kann.
11. Vorrichtung zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen von industriellen Prozessen, die aus mindestens einem Teilprozess (Tl ... T2) bestehen, wobei der industrielle Prozess von mindestens einer mit einem oder mehreren Bussystemen ausgestatteten Automatisierungsvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass a) mindestens ein Messbussystem (Bl ... B2) vorgesehen ist, das nicht identisch ist mit dem Bussystem oder den Bussystemen der Automatisierungsvorrichtung, b) mindestens ein Messkopf (Ml ... M6) zur Erfassung von Messsignalen vorgesehen ist, der eingangsseitig mit vorhandenen und/oder zusätzlich vorzusehenden Signalgebern
(Sl ... S6) des industriellen Prozesses verbunden ist und ausgangsseitig Signale in einer vorgegebenen Form an das Messbussystem (Bl ... B2) weitergibt, und dass c) ein oder mehrere Datenkonzentratoren (Dl ... D2) mit dem Messbussystem (Bl ... B2) verbunden sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Messkopf (M7) orgesehen ist, der eingangsseitig mit einem beliebigen Bussystem (P2) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Messkopf vorgesehen ist, der ausgangsseitig unmittelbar mit einem Datenkonzentrator (Dl ... D2) verbunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Mittel vorgesehen sind, um Messköpfe (Ml ... M7) und/oder Datenkonzentratoren (Dl ... D2) automatisch zu erkennen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Kommunikationseinheit vorgesehen ist, die den automatischen Aufbau der Kommunikation zwischen Datenkonzentratoren (Dl ... D2) und Messköpfen (Ml ... M7) ermöglicht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Messkopf (Ml ... M7) vorgesehen ist, der mit einem Signalgeber verbunden ist, der ein standardisiertes Zeitsignal liefert.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens einer der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 16 beschriebenen Messköpfe am oberen Abschluss einer Einrichtung angebracht ist, innerhalb der oder mit deren Hilfe der industrielle Prozess durchgeführt wird.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eine programmierbare Auswerteeinheit (El ... E2) vorgesehen ist, wobei sich die programmierbare Auswerteeinheit (El ... E2) räumlich beliebig entfernt von den Teilprozessen (Tl ... T2) befinden kann.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eine Anzeigeeinheit (AI ... A2) zur Visualisierung von aus den Messsignalen und/oder Zeitsignalen generierten Daten vorgesehen ist, wobei sich die Anzeigeeinheit (AI ... A2) räumlich beliebig entfernt von den Teilprozessen (Tl ... T2) befinden kann.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Datenkonzentratoren (Dl ... D2) derart erweiterbar beschaffen sind, dass die jeweils benötigte Zahl von Messbussystemen (Bl ... B2) und/oder Messköpfen (Ml ... M7) mit ihnen verbunden werden kann.
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