用于监测和/或诊断工业工厂生产线操作的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于监测和/或诊断工业工厂生产线操作的系统和方法，其中生产线的操作由自动化系统控制并且其中生产线的至少第一和第二操作状态取决于到生产线的至少一个控制输入信号。
【背景技术】
[0002]文献EP 2 293 164 Al公开用于监测分布式主系统(例如电力系统、供水或气系统或远程通信系统)的过程控制和监测系统。该过程控制和监测系统设置在分布式计算资源(叫作云资源)中。过程控制和监测系统经由网络连接接收主系统的传感器信号并且也经由网络连接将它提供给用户。
【发明内容】
[0003]本发明的目标是改进生产系统的监管和维护，该生产系统包括生产线和控制该生产线的自动化系统。
[0004]该目标由独立权利要求的特征解决。有利实施例是从属权利要求的对象。
[0005]根据本发明的方面，用于监测和/或诊断工业工厂的生产线的操作的系统包括安装在工业工厂外部的远程数据处理服务器，其经由第一数据通信网络连接到生产线和/或自动化系统并且其包含到在远程数据处理服务器中实现的监测和/或诊断模块或到第一或第二数据通信网络(214)的输出接口，其中该远程数据处理服务器设置成
-通过第一数据通信网络接收反映至少一个控制输入信号的数字输入信号，和反映第二操作状态的数字输出信号，
-通过将数字输入和数字输出信号输入将生产线和自动化系统的时间相关操作行为模型化的数字观察器模型并且通过处理该数字观察器模型来确定至少第一和第二模型化状态，至少第一和第二模型化状态分别对应于至少第一和第二操作状态，以及
-将至少第一和第二模型化状态转发到输出接口。
[0006]根据本发明的另一个方面，用于监测和/或诊断生产线操作的方法包括由远程数据处理服务器执行的方法步骤。
[0007]要监测和/或诊断的生产线可示范性地包括机器人、操纵器、驱动器和/或泵(其例如通过传送机和/或管道而互连)作为致动器。致动器是现实工厂的部分，其例如从罐接收原材料并且基于由自动化系统控制的生产线所实现的生产过程而将它们转换成产品，其中生产过程基于预定条件例如由操作者限定。致动器由自动化系统提供有至少一个控制输入信号，其促使致动器执行影响生产线行为并且由此影响执行生产过程的方式的合成控制动作。在下面，生产线和自动化系统的组合也叫作生产系统。
[0008]反映或包含关于至少一个控制输入信号的信息的数字输入信号优选地具有这样的值，其对应于相关控制输入信号的幅度。数字输入信号可在当前将至少一个控制输入信号应用于生产线时反映它，其优选地用于在线监测和诊断。为了在线监测和诊断，历史控制输入信号可发送到远程数据处理服务器。
[0009]提供的系统和方法基于使工业工厂中需要的用于提供需要的监测和/或诊断信号和信息的技术设备的数量减少的想法。
[0010]这通过提供数字观察器模型来实现，该数字观察器模型使生产线和自动化系统的时间相关行为模型化(即，它由生产线模型和自动化系统模型组成)，并且可以在已知控制输入信号和现实操作状态中的至少一个时用于计算生产线模型和自动化系统模型的操作状态。与当前安装的基于工厂的监测和诊断系统相比较，因为现在计算而不是测量许多操作状态，需要的传感器信号以及因此要安装的传感器单元的数量大大减少。此外，通过用数字观察器模型生成内部操作状态(其无法通过测量获得)来确定它们，这现在可变得可能。
[0011]另外，数字观察器模型的处理在安装在工业工厂外部的远程数据处理服务器中实现。因此，在工业工厂中直接需要以用于监测和/或诊断目的的数据处理容量的量也减少。
[0012]数字观察器模型的确定模型化状态在一个技术方案中被转发到在远程数据处理服务器中实现的监测和/或诊断模块。监测和/或诊断模块然后可处理模型化状态，就好像它们是现实生产系统的测量一样，并且然后可经由例如Web页面将成果和结果展现给工业工厂的操作者。这意指工业工厂除一些传感器信号外仅需要提供对远程数据处理服务器上运行的一个软件应用的访问，用于使监测和诊断结果可视化。对该软件应用的访问也容易从移动通信设备实现，使得不仅坐在控制室中的操作者而且在现场工作的服务人员也可以同时使用数字观察器模型用于监测和/或诊断目的。
[0013]在备选技术方案中，监测和/或诊断功能性的部分在工业工厂侧上实现。在该情况下，远程数据处理服务器设置成在将用于监测和/或诊断目的的至少第一和第二模型化状态转发到输出接口之前预先处理它们。
[0014]提供的系统和方法可另外用于促进生产线的高效控制。因此，数字观察器模型可为了模拟生产线或其部分的几何、运动和/或行为条件而充当现实工厂对象中的示范性生产系统或控制部件或设备。数字观察器模型可包括生产线的设备、过程和信号的模型、在自动化系统中执行的控制功能的副本或简化模型并且还包括生产线与自动化系统之间的交互的模型。数字观察器模型从而代表现实工厂的时间相关行为的仿效。
[0015]然而，现实工厂的模拟(S卩，数字观察器模型的处理)需要适合的模拟器、仿真器和刺激器，其计算数字观察器模型的内部时间相关状态，而没有存在的现实工厂的对应现实部件的测量。模拟因此不仅可以用于仅仅基于控制输入信号和一些传感器信号确定生产系统的当前操作状态，而且还预测现实工厂的未来时间相关行为。另外，数字观察器模型可用于基于数字观察器模型的结果来优化生产过程，来验证生产线的元件或自动化系统的控制功能的功能性或性能、训练工业工厂的操作者、调度生产线的生产等。根据需要的模型化状态的质量和精度，数字观察器模型可在不同的抽象级模型化。与提供的系统和方法一致，认识到生产系统的行为通过计算作为离散时间相关信号的模型化状态来预测，由此假设生产系统的操作状态的现实时间相关行为和模型化状态的时间相关行为是相同的。
[0016]因为这通常在生产过程的整个运行时间期间无法被确保，建议数字输入信号和数字输出信号每个包含时间戳，其分别指示取至少一个控制输入信号和第二操作状态的时间点，并且其中远程数据处理服务器设置成使数字观察器模型的处理与数字输入和输出信号的时间戳时间同步。
[0017]然而，在现实工厂操作(例如服务和维护)期间的改变未反馈给数字观察器模型，使得操作与模型化状态之间的差异可稳定增加，并且不再反映现实。
[0018]因此，与提供的系统和方法一致，提出远程数据处理服务器设置成将数字输出信号与第二模型化状态比较并且基于比较的结果来更改数字观察器模型。进一步提出从明确定义的初始状态开始数字观察器模型的处理，其中初始状态可例如通过同时开始生产过程和数字观察器模型的处理或通过等待直到生产系统达到稳定状态或明确定义的状态以及通过相应地触发数字观察器模型的处理来实现。
[0019]进一步建议在现实工厂中的自动化工艺已经运行时收集生产系统中的数据，其描述生产系统的特定操作状态。该提议基于生产系统以及因此数字观察器模型的初始状态在开始模拟现实工厂的行为时是未知的这一想法，其中这可导致上文提到的模拟与现实之间的差异。基于该想法，以数据收集器的形式提供到自动化系统的信息接口，其访问描述生产系统的初始或明确定义的状态的所有需要的信息。该数据收集器系统可示范性地在负责收集来自生产系统的不同部分的信息的不同子部件中分布。一旦已知运行的生产系统的某一操作状态，它可用于更新数字观察器模型来闭合模拟与现实之间的差距。也就是说，提供的方法提出至少不时地对于现实来跟踪数字观察器模型。
[0020]从跟踪的数字观察器模型开始，现实工厂的模拟更接近现实使得可以以更高可靠性地估计示范性故障。即使无法及时检测故障或另一个错误，跟踪的数字观察器模型可以用于以更可靠的方式重建导致故障或错误的情形，因为与用于基于数字观察器模型开始现实工厂的模拟的初始边界条件相比，最后的操作状态可已经包括关于导致故障或错误的触发的信息。因此，现实工厂的至少部分的停工期可以减少。在该方面中，因为分析现实工厂的故障或错误部分的所有必需数据已经在数字观察器模型中可用并且不必在现场采用繁琐的方式跟踪，提出的方法还使跟踪导致故障或错误的触发的硬件投入减少。在现场用测量仪器现场跟踪数据的特殊服务团队将也变得至少部分是多余的。
[0021]因为生产线和生产系统通常是比较复杂的，进一步建议数字观察器模型分成至少两个子模型，其使生产线和自动化系统的至少两个对应部分的时间相关操作行为模型化。
[0022]此外，与提供的系统和方法一致，生产系统的操作状态可包括完全描述在或直到某一时间点的生产系统的特性所必需的所有信息。然而，与提供的系统和方法一致，生产系统的操作状态也可仅包括该信息的一部分，这取决于监测和/或诊断要求。操作状态可以例如包括传感器或致动器的信号值、软件状态、关于在控制设备和通信系统上运行(即属于自动化系统)的软件程序的内部变量或指令指针的信息。
[0023]提出的系统和方法使服务团队能够分析生产系统的行为或预测维护。然而，与提供的系统和方法一致，认识到因为服务团队无法查看未被或无法被测量的那些信号，利用原先使用的技术，对生产系统的操作状态的访问受到限制。该查看现在由数字观察器模型提供。这样，服务团队能够基于数字观察器模型(其中模型化状态充分接近生产系统的现实操作状态)检查关于生产系统的所有必需信息。
[0024]在另外的实施例中，远程数据处理服务器在包括分布式存储装置的分布式处理系统上实现。因此，提供的方法包括在分布式处理系统(其包括分布式存储装置，叫作云)上运行数字观察器模型的步骤，其中分布式处理系统经由第一网络连接而连接到生产系统。与提供的系统和方法一致，云将是表现得像单个计算部件的计算