DE102021133852A1

DE102021133852A1 - Systemarchitektur und Verfahren zur Prozessüberwachung

Info

Publication number: DE102021133852A1
Application number: DE102021133852.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Knaup; Sven Langenecker; Kai-Siegfried Mattes
Original assignee: Laepple AG
Current assignee: Laepple AG
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117409A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Systemarchitektur und ein Verfahren zur Prozessüberwachung, einschließlich einem Maschinenlernverfahren, um Zukunftsprognosen zu Prozessergebnissen treffen zu können, insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen bei einer komplexen Fertigung in mehreren Prozessebenen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Systemarchitektur und ein Verfahren zur Prozessüberwachung, einschließlich einem Maschinenlernverfahren, um Zukunftsprognosen zu Prozessergebnissen treffen zu können, insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen bei einer komplexen Fertigung in mehreren Prozessebenen.
Im Stand der Technik sind bereits diverse Verfahren bekannt, um Diagnosen und Vorhersagen zur Fertigungsmaschinen oder Produktionsanlagen zu treffen. Die Anlagenverfügbarkeit einer Maschine, wie z. B. eines Drehtisches stellt einen wichtigen Faktor für die wirtschaftliche Nutzung dieser Einrichtung dar.
Die Hauptaufgabe eines Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Maschinen besteht darin, möglichst ohne Betriebsunterbrechung eine Beurteilung des aktuellen Maschinenzustandes, der Belastung der Maschine und jeglicher Veränderungen des Maschinenzustandes zu ermöglichen. Unter Maschinenzustand versteht man dabei die Bewertung des technischen Zustandes der Maschine auf der Basis der Gesamtheit der aktuellen Werte aller Schwingungsgrößen und Betriebsparameter.
Durch vorbeugende Instandhaltung und Erfahrungswerte können die Verfügbarkeiten der Produktionsanlagen verbessert und gleichzeitig die Ausfallzeiten der Anlagen sowie die Kosten der Instandhaltung reduziert werden. Nachteilig ist dabei, dass es selten möglich ist, genaue Vorhersagen über den Zustand und den Zeitpunkt des Ausfalls von Maschinenteilen, Lager oder Verschleißteilen zu treffen. Ferner ist es bei der vorbeugenden Instandhaltung immer wieder der Fall, dass Teile ausgetauscht werden, die noch über eine hohe Reststandzeit verfügen.
Eine alternative Form der Instandhaltung kann in der zustandsbezogenen Instandhaltung gesehen werden. Die zustandsbezogene Instandhaltung setzt eine zuverlässige und regelmäßige Ermittlung des Maschinenzustands voraus. Die dafür entwickelten und im Stand der Technik verfügbaren Mess- und Auswerteverfahren dienen der Überwachung und Auswertung von Prozess-parametern und Maschinenkennwerten, wie z. B. Temperatur, Druck, Drehmoment oder elektrische Stromdaten. Häufig wird auch die Schwingungsanalyse zur Maschinendiagnose eingesetzt. Mit einer derartigen Analyse ist es möglich, Schäden bereits im Frühstadium zu erkennen und zu diagnostizieren, um Folgeschäden zu vermeiden.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es allerdings nicht nur um lediglich die Früherkennung und Diagnose, sondern um eine ganzheitliche Umsetzung der Industrie 4.0 Konzeption, die über die Implementierung von Teilaspekten und Prozessen und deren Datenverarbeitung hinausgeht.
Es besteht vielmehr ein Bedarf der praktischen Umsetzung einer intelligenten Industrie 4.0 Konzeption, die ebenfalls Trends und Prognosen ermöglicht. Industrie 4.0 bedeutet u.a. die Vernetzung der realen mit der virtuellen Welt. Fertigungsprozesse verschmelzen mit Informationstechnologie. Disziplinen wie zum Beispiel Maschinenbau, Logistik und Dienstleistungen kommunizieren miteinander. Auf eine neue, intelligente Art. Das Internet der Dinge bedeutet für den gesamten industriellen Sektor einen großen Einschnitt - und für den Kunden neuen Nutzen: Produktionszyklen werden kürzer, Kundenbedürfnisse fließen in Echtzeit in die Produktion ein, Wartung und Instandhaltung regeln sich weitgehend eigenständig. Aufträge laufen automatisch in der richtigen Reihenfolge ab. Das Ergebnis ist die Smart Factory.
Der Begriff Industrie 4.0 leitet sich aus den großen industriegeschichtlichen Umbrüchen ab. Industrie 4.0 wird in dieser Entwicklung als der vierte große technologische Durchbruch betrachtet. Die Digitalisierung bietet den Zugang zu einer branchen- und technologieübergreifenden Integration von Prozessen und Systemen, die alles miteinander vernetzt - Produktion, Dienstleistungen, Logistik, Personal- und Ressourcenplanung. Virtuelle Welt und reale Welt interagieren nach diesem Gedanken.
Problematisch ist bisher, dass es keine ganzheitliche Lösung gibt, die das Konzept Industrie 4.0 auch mit bestehenden Fertigungsanlagen und bestehenden Fertigungstechnologien ermöglicht. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Systemarchitektur und ein Verfahren bereit zu stellen, welche eine praxistaugliche Realisierung ermöglicht und gleichzeitig einen Mehrwert für Trends und Prognosen schafft.
Das Konzept der vorliegenden Erfindung baut auf den folgenden Grundüberlegungen auf. Ziel ist eine spezifische Systemarchitektur in einer Fertigungsumgebung einer komplexen Fertigungsanlage um fassend eine Fertigungsüberwachung und Steuerung. Eine solche umfasst ein Basissystem (wie es z. B. von Firmen wie ASCON oder Siemens mit Digital Enterprise oder anderen Systemen möglich ist) und einer erfindungsgemäßen Erweiterung zur Ergänzung spezifischer Funktionalität.
Ein ERP System bezeichnet dabei die unternehmerische Aufgabe, Personal und Ressourcen wie Kapital, Betriebsmittel, Material und Informations- und Kommunikationstechnik im Sinne des Unternehmenszwecks rechtzeitig und bedarfsgerecht zu planen, zu steuern und zu verwalten. Gewährleistet werden sollen ein effizienter betrieblicher Wertschöpfungsprozess und eine stetig optimierte Steuerung der unternehmerischen und betrieblichen Abläufe.
Eine Kernfunktion von ERP ist in produzierenden Unternehmen die Materialbedarfsplanung (Material Requirement Planning und Manufacturing Resources Planning), die sicherstellen muss, dass alle für die Herstellung der Erzeugnisse und komplexen Komponenten erforderlichen Materialien und Mittel an der richtigen Stelle, zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge zur Verfügung stehen.
In einem ERP System werden z.B. Produktionsaufträge als Teil von Kundenaufträgen verwaltet und in einen Produktionsplanauftrag übergeben. Ab dieser Stufe geht man in den technsichen Teilbereich dieser Erfindung, in das sogenannte MES System, wo die Verknüpfung des Auftrages mit den Produktionsalagen erfolgt.
Aus Sicht eines herkömmlichen MES Systems stellen alle Fertigungsmittel und Anlagen (wie Maschinen, Roboter, Werkzeuge, Handlingseinrichtungen etc.) eine Art Black-Box dar. Es gibt zunächst keine Daten und Informationen über diese Einrichtungen und keinen Blick in die Tiefe der Fertigung.
Eine erste Idee der Erfindung besteht darin, die Black-Box aufzulösen und in die Fertigungstiefe hineinblicken zu können und zwar mittels Soft- und Hardwarekomponenten, mit denen in bzw. eine erste Unterebene und weitere Ebenen im Prozess hinein geschaut werden kann.
Hierzu werden handelsübliche Mittel (Sensoren, Technik, Datenverarbeitung, Anlagensimulatoren etc.) verwendet. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein digitaler Zwilling (digital twin) der Fertigungsanlage mit seinen Fertigungs- und Teilfertigungsprozessen erstellt. Die Fertigungsschritte sind dabei in Ebenen (E1, E2,...) eingeteilt und entsprechend digitalisiert. So wird z.B. jeder Nietvorgang an der Nietvorrichtung in einer digitalen Akte hinterlegt.
Ferner werden Prozessparameter und Prozessgrößen in den einzelnen Prozessen digitalisiert. So kann am Beispiel des Nietprozesses eine Kraft/Weg-kurve mit Erfassungsmittel (Sensoren, etc.) erfasst werden und der gesamte Nietprozess kann damit in digitaler Form erzeugt werden.
Erfindungsgemäß ist dann weiter vorgesehen, dass neben dem Prozess und den damit verbunden Zeitseriendaten (Ist-Prozessdaten), die erfasst werden auch ein Trend und eine Prognoselösung etabliert wird.
Hierzu wird ein mathematisches Modell erzeugt, das den Nietprozess abbildet, einschließlich den Zusammenhängen, die man mathematisch beschreiben kann, wie z.B. dem kräfteverlauf auf der Nietwegstrecke bei einem funktionsfähigen korrekten Nietvorgang bei einer bestimmten Montagesituation mit bestimmten Montagemitteln. Diese können prinzipiell für jede Fertigungseinrichtung und jeden Fertigungsprozess individualisiert erzeugt werden.
Im Folgenden wird allgemein von Algorithmus oder mathematischem Modell gesprochen. Diese Bezeichnung steht repräsentativ für die mathematische Beschreibung der Prozesse und Fertigungsstufen.
Eine Besonderheit der Erfindung liegt nun darin, dass neben dem eigentlichen digitalen Erfassen der Prozesse, insbesondere unter Zuhilfenahme von Algorithmen und mathematischen Modellen, die die Prozesse beschreiben, auch ein Auswertealgorithmus verwendet wird, der im einfachsten Fall eine Trendkurve erzeugt und die historischen Ist-Daten im Trend bewertet werden.
Weicht die Ist-Kurve von einer Soll-Kurve ab (was weiter unten nochmals detaillierter beschrieben ist), so kann ein Prozess innerhalb definierter Prozessgrenzen nicht nur aktuell bewertet werden, sondern daraus eine Prognoseaussage getroffen werden.
Anhand von Trendkurven aus den Ist-Daten lässt sich durch Interpolation (ggf. unter Zuhilfenahme der zeitlichen Ableitung) eine Entwicklung dieser Prozessgrößen für die Zukunft vorhersagen und damit auch den Zeitpunkt eines Ereignisses in der Zukunft.
Dies bietet einen weiteren Vorteil. Nach der Idee der Erfindung kann der verwendete Algorithmus, dynamisch angepasst werden, indem weitere historische Daten mit der Zeit in die prognostizierte Trendkurve einbezogen werden und indem weitere Umgebungsinformationen (Zusatzdaten) verarbeitet werden. Die Anpassung kann dann als Maschinenlernen erfolgen oder gar unter Zuhilfenahme von Einrichtungen der künstlichen Intelligenz (Kl-Module).
Ganz grundsätzlich können die Prozesse mit Hilfe der Sprache der linearen Algebra beschrieben werden. Denkbar sind aber auch alle weiteren zur Verfügung stehenden mathematischen Beschreibungsmodelle.
Erfindungsgemäß ist daher eine Systemarchitektur zur Digitalisierung eines Herstellungsprozesses vorgeschlagen, sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen der Fertigungsschritte eines Herstellungsprozesses mit einer Fertigungsanlage zur Herstellung eines komplexen Bauteils bestehend aus wenigstens zwei Baugruppen (B1, B2), die in mehreren Teilfertigungsschritten hergestellt werden, umfassend

- eine Einrichtung umfassend Hardware- und Softwarekomponenten zur Erzeugung eines digitalen Zwillings der Fertigung (Fertigungsanlage) und/oder zur Digitalisierung der Fertigungsprozesse der Fertigungsanlage, wobei der Zusammenhang zwischen wenigstens zwei Prozessgrößen (P1, P2) eines der Teilfertigungsschritte als mathematisch beschriebene Rechenmethode mit erzeugt oder erfasst wird;
- Erfassen von Zeitseriendaten oder historischen Daten, welche digitalisierte Prozessdaten aus dem Fertigungsprozess für die Teilfertigungsschritte umfassen;
- eine Datenverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, aus den erfassten Zeitseriendaten (Ist-Fertigungsdaten) der einzelnen Fertigungsschritte auf Basis eines hinterlegten Algorithmus, insbesondere eines mathematischen Modells ein Datenmodell (Varianzenmodell) zu entwerfen, auf dessen Basis aufgrund erkannter Abweichungen der erfassten Fertigungsdaten gegenüber Sollfertigungsdaten, Prognosedaten errechnet werden, die den Trend der zu erwartenden Zeitseriendaten widerspiegeln;
- Auswertung der prognostizierten Zeitseriendaten, um daraus einen Zeitpunkt für das Eintreten ein bestimmtes Ereignis betreffend einer Prozessgröße in der Zukunft herzuleiten;
- wobei die Systemarchitektur vorzugsweise ausgebildet ist, wenigstens einen der beiden Schritte nachfolgenden auszuführen:
1. a) mittels eines Befehles, vorzugsweise an eine Steuer- und oder Regelungseinrichtung, diese zuvor genannte Prozessgröße abhängig von der Trendkurve zu verändern und/oder
2. b) eine Handlungsinformation an einer Ausgabeeinrichtung bereit zu stellen.

Die zuvor genannten beiden Schritte a) und b) sind dabei optional und können auch durch andere Regelschleifen ersetzt werden, um z.B. ein autonomes Fertigungssystem zu erhalten. So kann nach der Entwicklung eines Modells für die Varianzen im Prozess auf den unterschiedlichen Ebenen (E0, E1, E2, ...) auch ein sogenanntes Qualitätsmiodell ergänzt werden, das eine digitale Erfassung aller Qualitästmerkmale, deren Bereitstellung als digitale Daten und Integration in die Prozessüberwachung nach dem zuvor genannten Trend-Konzept überwacht werden kann.
Somit ist es weiter von Vorteil, wenn der genannte Schritt a) automatisiert erfolgt, so dass eine autonome Fertigungssteuerung betreffend zumindest dieser Prozessgröße realisiert ist.
Insbesondere betrifft das vorliegende Konzept und die damit einhergehende Systemarchitektur daher eine Produktionsplanung auf Leitebene, den dazu erforderlichen Personaleinsatz, den Anlagenproduktionszeitraum und das Ressourcenmanagement aus einem System zu erhalten, wobei z. B. die gesamte Logistikplanung auf der Leitebene erfolgt, ebenso das Anzeigen von Anlagenzustand auf der Leitebene, die Visualisierung und die Langzeitspeicherung der Daten.
Erfindungsgemäß ist hierzu auch eine Systemarchitektur bzw. eine Systemarchitektur zur Digitalisierung eines Herstellungsprozesses sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen einer Fertigungsanlage zur Herstellung eines komplexen Bauteils (beispielweise oder vorzugsweise bestehend aus wenigstens zwei (oder mehreren) Baugruppen) in mehreren Teilfertigungsschritten vorgeschlagen, die mehrere Prozessebenen (E0, E1, ... En) aufweist, umfassend

a. eine in der Hierarchie übergeordnete oberste Leitebene (E0), welche zumindest Komponenten (K1, K2, ... Kn) einer Ressourcensteuerung von Ressourcen (R1, R2, ..., Rn) der für den Herstellungsprozess des mit der Fertigungsanlage herzustellenden Bauteils umfasst;
b. Mittel zur Datenkommunikation und Datenspeicherung, insbesondere zwischen den mehreren Prozessebenen (E0, E1, ... En);
c. Fertigungsanlage, die in die Datenkommunikation der Systemarchitektur eingebunden ist;
d. Mittel zur Produktionssteuerung, die ausgebildet sind, einen Produktionsauftrag auf der Fertigungsanlage zu steuern;
e. Mittel zur Bereitstellung von Produktionsinformationen bei der Durchführung eines Produktionsauftrages, wobei

In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine grundlegende Konzeption der Erfindung gezeigt. Die Leitebene (E0) repräsentiert die in der Architekur oberste Hierarchie, welche zumindest Komponenten einer Ressourcensteuerung von Ressourcen (R1, R2, R3, R4) der für den Herstellungsprozess des mit der Fertigungsanlage herzustellenden Bauteils umfasst. R1 betrifft das kalkulierte Personal, R2 die Fertigungseinrichtung, R3 Ressourcen für die Logistik und R4 Ressourcen für die Planung. Ferner sind mit den Pfeilen die Wege der Datenkommunikation gezeigt. Die Datenspeicherung erfolgt z. B. in Datentöpfen, wie diese in der 2 gezeigt sind. Dabei können die Daten getrennt in Datentöpfen abgelegt werden und für die Produktionsdaten, die Prozesszeiten, den Fügeprozess und auftretende Störungen jeweils Datenspeicher bzw. Datentöpfe angelegt werden.
Aus der Zusammenführung kann dann die digitale Produktherstellungsakte erzeugt werden, die sämtliche dieser Daten für einen Herstellungsprozess umfasst. Dabei wird erreicht, dass man sich von einer isolierten getrennten Betrachtungsweise löst und die Daten analytisch in der digitalen Akte zusammenführt.
Die in der 1 exemplarisch gezeigte Fertigungsanlage ist in die Datenkommunikation der Systemarchitektur eingebunden. Ferner sind Mittel zur Produktionssteuerung vorgesehen, die ausgebildet sind, einen Produktionsauftrag auf der Fertigungsanlage zu steuern, sowie Mittel zur Bereitstellung von Produktionsinformationen bei der Durchführung eines Produktionsauftrages. Die Wirkungsweise der Industrie 4.0 Automatisierung kann dabei, wie in der 3 schematisch gezeigt, eigenständig für die Fertigungsanlage realisiert sein. 9 zeigt die Weiterbildung der 1 mit der Rückführung von Analysedaten via einer vorausschauenden Instandhaltungsanalyse, die über eine Schnittstelle die relevanten Daten an das MES zurück gibt und demnach eine vorbeugende Instandhaltung aus dem Prozess heraus zu generieren.
Somit ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Fertigungsanlage eine eigenständige Automatisierung besitzt, insbesondere eine Industrie 4.0 Automatisierung aufweist, die weiter vorzugsweise innerhalb der Fertigungsanlage implementiert ist und eigenständig den gesamten Fertigungsprozess steuert bzw. steuern kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur automatisierten Fertigung der Fertigungsanlage zumindest eine übergeordnete Steuerung, insbesondere eine SPS-Steuerung als übergeordnete Steuerung verwendet wird und weitere untergeordnete Prozesssteuerungen ausgebildet sind die Herstellung von Teilprozessen und/oder Teilarbeitsschritten des Gesamtherstellungsprozesses zu realisieren.
In der 4 ist exemplarisch ein Prozessmodell und dessen Ebenen E0, E1 und E2 dargestellt. Die Prozessebene E0 ist die übergeordnete Ebene, während die Prozessebene E1 die Baugruppe B1 (Außenhaut) und die Baugruppe B2 (Innenblech) des komplexen Bauteils B (hier: Heckklappe eines Fahrzeugs) umfasst. In der Ebene E1 sind für die Baugruppe B1 die Prozesse (Nietprozess, Drehprozess) umfasst. Natürlich sind auch andere Baugruppen und komplexe Bauteile von der Erfindung umfasst. Die genannten Beispiele sind lediglich exemplarisch und beispielhaft. In der Ebene E1 sind für die Baugruppe B2 die Prozesse (Schweißen, Handling) umfasst. Die so bearbeiteten Baugruppen werden dann in einem weiteren Unterprozess UP1 zusammengeführt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Prozesszeit, die Prozessstörungen und die Trend- und Prognoseverläufe der Prozesse bzw. daran beteiligten Maschinenteile erfasst, was ebenfalls schematisch in der 4 ersichtlich ist.
Ähnlich erfolgt eine solche Trend- und Prognoseanalyse von der Ebene E1 getrennt in der Ebene E2 (Fertigungsebene E2). Dort sind Einzelschritte aufgeführt, wie das Nieten, Schweißen, Clinchen u.s.w. Als Analyseart sind in diesem Ausführungsbeispiel diverse Methoden in der Fertigungsebene E2 dargestellt, die mit Analysemethoden ausgewertet werden, um daraus eine Trendkurve zu entwickeln.
Ausgehend von einer Basiskurve, welche im Prozess überwacht wird, (z. B. eine Kraft-Weg-Kurve, die diese beispielhaft in der 5 gezeigt ist) bei der die Kraft über einen bestimmten Nietweg überwacht wird, werden eine untere und obere Hüllkurve definiert, die eine jeweilige Warngrenze widerspiegelt. Ferner wird eine obere und untere Grenzlinie für die Kraft als Abschaltfenster definiert. Die Kraft-Wege-Kurve verläuft in das Abschaltfenster. Liegt aber der tatsächlich erfasste Wert der Kraft am Ende des Nietprozesses nicht im gewünschten Abschaltfenster, sondern außerhalb, so kann anhand der Kurve ein Fehler detektiert werden und die Nietanlage in der Fertigungsanlage einen Abschaltbefehl erhalten.
Optional kann einfach die tatsächlich erfasste Nietkraft am Ende des Nietweges über die Zeit erfasst werden und in einer Nietkraft-Zeit-Kurve aufgetragen werden. Verändert sich dieser Nietkraftwert, so lässt sich daraus z. B. durch Interpolation ein Trend für die Entwicklung der Nietkraftkurve auf Basis der Trenddaten ableiten. Eine Möglichkeit ist es, frühzeitig gegenzusteuern oder zu erkennen, wo sich der Prozess hin entwickelt.
So kann lange vor dem Auftreten eines sichtbaren Nietfehlers bereits eingegriffen werden, da der Prozess sozusagen auf dieser Prozessebene digital isoliert und erfasst ist, aber dennoch im Gesamtprozess digital implementiert bleibt, da die Ebenen E0, E1 und E2 hierarchisch organisiert sind. Ergänzend wird auf die 5a hingewiesen.
Entwickelt sich die Nietkraft gemäß einem bestimmten Kurvenverlauf oder liegt die Nietkraft nicht im Zielfenster, kann daraus eine Prognose getroffen werden. Die Nietkraftkurve zeigt in diesem Beispiel eine Veränderung über den Zeitraum von 24h. Ein Trend wird somit frühzeitig erkennbar. Es können vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen rechtzeitig getroffen werden, bevor eine wie im Stand der Technik bekannte Prozessüberwachung eine Störung detektiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Mittel ausgebildet und implementiert sind, auf der Leitebene (E0) die Montage oder den Zusammenbau des komplexen Bauteils zu steuern und insbesondere Prozesszeiten, Durchlaufzeiten, Abweichungen und Störungen zu erfassen und die Prozesse in dieser Ebene (E0) unabhängig von den in der Hierarchie weiter untenliegenden Prozessebenen (E0, E1, ... En) operieren können. Beispielhaft ist in der 6 eine schematische Zusammenstellung eines Kerns der erfindungsgemäßen Systemarchitektur gezeigt.
Gezeigt ist eine VM (Virtuelle Maschine) aus den in der 4 näher bezeichneten Komponenten, die in der dargestellten Weise funktional und strukturell miteinander verknüpft sind. Input erhält die VM von einer übergeordneten Steuerung (z.B. SPS) und den untergeordneten Steuerungen für die beispielhaft angegeben Prozesse, sowie ein SQL Datenspeicher in dem die erforderlichen Daten abgelegt sind.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn Mittel vorgesehen sind, auf einer direkt unter der Leitebene (E0) organisierten Prozessebene (E1) die Fertigung von Baugruppen (B1, B2) des komplexen Bauteils in Teilfertigungsschritten zu steuern, wobei in dieser Ebene Daten zu Abweichungen und Trendverläufen erfasst werden, und Auswertemittel vorgesehen sind, um aus diesen Daten Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale im Fertigungsprozess zu treffen, insbesondere daraus die Restlebensdauer eines spezifischen Teils oder Werkzeugs der Fertigungsanlage zu bestimmen.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Mittel insbesondere Mittel zum Erfassen von Taktzeiten, Durchlaufzeiten und Istwerten zu Prozessparametern in der Prozessebene (E1) umfasst sind.
Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der Mittel vorgesehen sind, auf einer weiter unter der Prozessebene (E1) liegenden Prozessebene (E2), in der Einzelfertigungsschritte in der Fertigung der Baugruppen (B1, B2) des komplexen Bauteils gesteuert werden, Daten zu Abweichungen und Trendverläufen der Prozesse in dieser Prozessebene zu erfassen und Auswertemittel vorgesehen sind, um aus diesen Daten Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale zu den Einzelfertigungsschritten zu treffen, insbesondere daraus die Restlebensdauer eines Teils der Fertigungsanlage zur Durchführung des Einzelfertigungsschrittes zu bestimmen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Einzelfertigungsschritte Schritte aus der folgenden Gruppe darstellen: Nieten, Clinchen, Kleben, Schweißen, Löten, Verbinden, Trennen, Handhaben, Drehen, Bewegen, Schneiden und dergleichen, wobei es für jeden der Einzelfertigungsschritte ein jeweils eigenständiges Analysemittel mit einer Auswertung der dazu erfassten Daten gibt, so dass jeder daraus gewonnene Datensatz, dergestalt ist, um mit der übergeordneten Analyse eine Aussage über Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale der für den Einzelschritt erforderlichen Maschinenteile zu treffen und vorzugsweise zu einem vordefinierten Zeitpunkt ein Information über die Restlebensdauer oder den Zustand eines Maschinenteils auszugeben.
Weiter vorteilhafte Weiterbildungen sehen vor, dass die Mittel auf einer jeweiligen Prozessebene (E1, E2, E3,...., En) zur Erfassung der Daten zu Abweichungen und Trendverläufen von Prozessen in dieser Ebene unabhängig von denjenigen auf einer anderen Ebene operieren und auch die daraus gewonnenen Datensätze unabhängig auswertbar sind, so dass Teilprozesse getrennt für jede Fertigungsebene bewertbar sind. Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine digitale Prozessakte und eine digitalisierte Prozessteuerung erreicht, die neben der Verkettung der Prozesse gleichzeitig isolierte Prozesse nicht nur steuern und überwachen kann, sondern Trend- und Prognoseverhalten dazu verwenden kann, zukünftige Zustände und Fehler einzelner Schritte, Werkzeugteile, Maschinenteile und Elemente individuell in einer dennoch ganzheitlichen Prozesssteuerung auswerten zu können.
Ein Beispiel einer Fehlerauswertung findet sich in der 7. Gezeigt ist eine Strom/Spannungskurve aufgetragen und zwar über die Prozesszeit. Gemäß dem Konzept der Erfindung können durch die Auswertung der Kurvenverläufe z. B. Fehler wie Schweißspritzer aufgrund des veränderten Stromkurvenverlaufs durch gezielte Auswertung innerhalb der untergeordneten Prozessebene innerhalb des gesamten Prozesses detektiert werden.
Einzelkomponente wie Spanner und Motoren haben verschleißbedingt eine maximale Standzeit (siehe 8). Ist z. B. die Endlagendämpfung der Spanner verschlissen, fangen diese an zu schlagen. Dadurch verändern sich die Öffnungs- und Schließzeit der Spanner, die wiederum mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens detektierbar sind. Beispielhaft werden 3 unterschiedliche Spannertypen überwacht, Hubzahlen, sowie die Öffnungszeiten und Schließzeiten erfasst. Erkennt man an einer Trendanalyse, dass sich z. B. die Öffnungszeiten oder Schließzeiten eines Spanners ändern, kann man daraus wiederum eine Information über den Ist-Zustand und eine Prognose der Restlebensdauer ermitteln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die in einem Speicher hinterlegten Daten des digitalisieren Herstellungsprozesses mittels einer Schnittstelle in eine Simulationsumgebung exportiert werden, um den Herstellungsprozess in der Simulationsumgebung zu testen, verändern und zu optimieren, wobei insbesondere die Parameter als Variablen veränderbar sind, die bei der Digitalisierung des Herstellungsprozesses sensorisch erfasst werden. Eine exemplarische Systemarchitektur zur digitalen Simulation des gesamten Herstellungsprozesses findet sich in der 10.
Eine weitere optionale Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Speicher vorgesehen ist, in dem Sollwertdaten, Modelldaten und/oder Referenzdaten abgelegt sind, welche der bestimmungsgemäßen Charakteristik der Maschine und deren Maschinenteile (M1, ..., Mn) und/oder einem Zustandsraum zulässiger Maschinenparameter entsprechen.
Ein ebenfalls weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft neben der SystemSystemarchitektur auch das Verfahren zur Digitalisierung eines Herstellungsprozesses sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen einer Fertigungsanlage zur und bei der Herstellung eines komplexen Bauteils bestehend aus wenigstens zwei Baugruppen (B1, B2) in mehreren Teilfertigungsschritten, die mehrere Prozessebenen (E0, E1, ... En) aufweist, (vorzugsweise mit einer Systemarchitektur wie zuvor beschrieben )mit den folgenden Schritten:

a) Verwendung von Sensoren zum diskontinuierliches oder kontinuierliches Messen und Erfassen von Prozessgrößen, Maschinenparameter oder Sollwerten von Fertigungsprozessen beim Herstellen eines komplexen Bauteils;
b) Auswerten des oder der Sensorsignale;
c) Vergleich der Sensorsignale mit Sollwertdaten, Modelldaten und/oder Referenzdaten einzelner Maschinenteile die am Herstellungsprozess beteiligt sind;
d) Bereitstellung einer Beurteilungsinformation und/oder einer Warnmeldung für die jeweiligen Maschinenteile, sobald eine Abweichung der aktuell gemessenen Sensordaten von Sollwertdaten oder Modelldaten oder eine mittels einer Extrapolation vorhergesagte Abweichung ermittelt wurde.

Eine bevorzugte Option sieht dabei vor, insbesondere die Abweichung der Taktzeit t_T des Taktes bei einem Teilfertigungsschritt zu erfassen, um daraus die Restlebensdauer t_R eines an dem Teilfertigungsschritt beteiligten Maschinenteil zu erhalten, welches Einfluss auf die Taktzeit nimmt.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl an Sensoren zur sensordiagnostischen Überwachung und Beurteilung verschiedener Maschinenparameter bei dem Verfahren verwendet werden und die Sensordaten als Datenmatrix bestehend aus Messdaten mit den Sollwerten einer Sollwertmatrix verglichen werden, wobei t die Zeit darstellt und sobald zu einem Zeitpunkt t eine Abweichung festgestellt wird, die Abweichung betragsmäßig erfasst wird und die Sensordaten einer zeitlich nachfolgenden Messung wiederum mit den Sollwertdaten der Sollwertmatrix und mit zeitlich zuvor gemessenen Sensordaten verglichen wird, wobei im Falle einer betragsmäßig zunehmenden Abweichung einer der Sensordaten mittels einer Extrapolation aus den gemessenen Daten ein Kurvenverlauf extrapoliert wird, aus dem sich ein Zeitpunkt ableiten lässt, zu dem einer der Sensordaten eine zulässige Abweichung überschreiten wird oder einen zulässigen Toleranzbereich verlässt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Systemarchitektur zur Digitalisierung eines Herstellungsprozesses sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen der Fertigungsschritte eines Herstellungsprozesses mit einer Fertigungsanlage zur Herstellung eines komplexen Bauteils, das in mehreren Teilfertigungsschritten hergestellt wird, umfassend - eine Einrichtung umfassend Hardware- und Softwarekomponenten zur Erzeugung eines digitalen Zwillings der Fertigung (Fertigungsanlage) und/oder zur Digitalisierung der Fertigungsprozesse der Fertigungsanlage, wobei der Zusammenhang zwischen wenigstens zwei Prozessgrößen (P1, P2) eines der Teilfertigungsschritte als mathematisch beschriebene Rechenmethode mit erzeugt oder erfasst wird; - Erfassen von Zeitseriendaten oder historischen Daten, welche digitalisierte Prozessdaten des überwachten Fertigungsprozesses für die Teilfertigungsschritte umfassen; - eine Datenverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, aus den erfassten Zeitseriendaten (Ist-Fertigungsdaten) der einzelnen Fertigungsschritte auf Basis eines hinterlegten Algorithmus, insbesondere eines mathematischen Modells ein Datenmodell (Varianzenmodell) zu entwerfen, auf dessen Basis aufgrund erkannter Abweichungen oder Kurvenentwicklungen der erfassten Fertigungsdaten, vorzugsweise gegenüber Sollfertigungsdaten, Prognosedaten errechnet werden, die den Trend der zu erwartenden Zeitseriendaten widerspiegeln; - Auswertung der prognostizierten Zeitseriendaten, um daraus einen Zeitpunkt für das Eintreten ein bestimmtes Ereignis betreffend zu mindestens einer Prozessgröße in der Zukunft herzuleiten; - wobei die Systemarchitektur vorzugsweise ausgebildet ist, wenigstens einen der beiden Schritte nachfolgenden auszuführen: a) mittels eines Befehles, vorzugsweise an eine Steuer- und oder Regelungseinrichtung, diese zuvor genannte Prozessgröße abhängig von der Trendkurve zu verändern und/oder b) eine Information und/oder Handlungsinformation an einer Ausgabeeinrichtung bereit zu stellen.
Systemarchitektur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im System verwendete aktuelle Algorithmus sukzessive (dynamisch) angepasst wird, und zwar indem sukzessive zusätzliche Daten, die bisher nicht beim Algorithmus berücksichtigt wurden, bei dem angepassten Algorithmus verwendet werden.
Systemarchitektur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) in Anspruch 1 automatisiert erfolgt, so dass eine autonome Fertigungssteuerung betreffend zumindest dieser Prozessgröße realisiert ist.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fertigungsschritte in mehreren Teilfertigungsschritten untergliedert sind, die in mehrere Prozessebenen (E0, E1, ... En) erfasst sind, umfassend a. eine in der Hierarchie übergeordnete oberste Prozessebene, nämlich eine Leitebene (E0), welche zumindest Komponenten (K1, K2, ... Kn) einer Ressourcensteuerung von Ressourcen (R1, R2, ..., Rn) der für den Herstellungsprozess des mit der Fertigungsanlage herzustellenden Bauteils umfasst; b. Mittel zur Datenkommunikation und Datenspeicherung, insbesondere zwischen den mehreren Prozessebenen (E0, E1, ... En); c. Fertigungsanlage, die in die Datenkommunikation der Systemarchitektur eingebunden ist; d. Mittel zur Produktionssteuerung, die ausgebildet sind, einen Produktionsauftrag auf der Fertigungsanlage zu steuern; e. Mittel zur Bereitstellung von Produktionsinformationen bei der Durchführung eines Produktionsauftrages, wobei die Mittel zur Produktionssteuerung und die Mittel zur Bereitstellung von Produktionsinformationen in einer Regelschleife über einen Kommunikationskanal mit der obersten Leitebene (E0) kommunizieren.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungsanlage eine eigenständige Automatisierung, insbesondere eine Industrie 4.0 Automatisierung aufweist, die weiter vorzugsweise innerhalb der Fertigungsanlage implementiert ist und eigenständig den gesamten Fertigungsprozess steuert bzw. steuern kann.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatisierten Fertigung der Fertigungsanlage zumindest eine übergeordnete Steuerung insbesondere eine SPS-Steuerung als übergeordnete Steuerung verwendet wird und weitere untergeordnete Prozesssteuerungen ausgebildet sind die Herstellung von Teilprozessen und/oder Teilarbeitsschritten des Gesamtherstellungsprozesses zu realisieren.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, auf der Leitebene (E0) die Montage oder den Zusammenbau des komplexen Bauteils zu steuern und insbesondere Prozesszeiten, Durchlaufzeiten, Abweichungen und Störungen zu erfassen und die Prozesse in dieser Ebene (E0) unabhängig von den in der Hierarchie weiter untenliegenden Prozessebenen (E0, E1, ... En) operieren.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, auf einer direkt unter der Leitebene (E0) organisierten Prozessebene (E1) die Fertigung von Baugruppen (B1, B2) des komplexen Bauteils in Teilfertigungsschritten zu steuern, wobei in dieser Ebene Daten zu Abweichungen und Trendverläufen erfasst werden, und Auswertemittel vorgesehen sind, um aus diesen Daten Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale im Fertigungsprozess zu treffen, insbesondere daraus die Restlebensdauer eines Teils der Fertigungsanlage zu bestimmen.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel insbesondere Mittel zum Erfassen von Taktzeiten, Durchlaufzeiten und Istwerten zu Prozessparametern in der Prozessebene (E1) umfassen.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, auf einer weiter unter der Prozessebene (E1) liegenden Prozessebene (E2), in der Einzelfertigungsschritte in der Fertigung der Baugruppen (B1, B2) des komplexen Bauteils gesteuert werden, Daten zu Abweichungen und Trendverläufen der Prozesse in dieser Prozessebene zu erfassen und Auswertemittel vorgesehen sind, um aus diesen Daten Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale zu den Einzelfertigungsschritten zu treffen, insbesondere daraus die Restlebensdauer eines Teils der Fertigungsanlage zur Durchführung des Einzelfertigungsschrittes zu bestimmen.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfertigungsschritte Schritte aus der folgenden Gruppe darstellen: Nieten, Clinchen, Kleben, Schweißen, Löten, Verbinden, Trennen, Handhaben, Drehen, Bewegen, Schneiden und dergleichen, wobei es für jeden der Einzelfertigungsschritte ein jeweils eigenständiges Analysemittel mit einer Auswertung der dazu erfassten Daten gibt, so dass jeder daraus gewonnene Datensatz, dergestalt ist, um mit der übergeordneten Analyse eine Aussage über Prognosen für zukünftige Zustände und Merkmale der für den Einzelschritt erforderlichen Maschinenteile zu treffen und vorzugsweise zu einem vordefinierten Zeitpunkt ein Information über die Restlebensdauer oder den Zustand eines Maschinenteils auszugeben.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel auf einer jeweiligen Prozessebene (E1, E2, E3,...., En) zur Erfassung der Daten zu Abweichungen und Trendverläufen von Prozessen in dieser Ebene unabhängig von denjenigen auf einer anderen Ebene operieren und auch die daraus gewonnenen Datensätze unabhängig auswertbar sind, so dass Teilprozesse getrennt für jede Fertigungsebene bewertbar sind.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Speicher hinterlegten Daten des digitalisieren Herstellungsprozesses mittels einer Schnittstelle in eine Simulationsumgebung exportiert werden, um den Herstellungsprozess in der Simulationsumgebung zu testen, verändern und zu optimieren, wobei insbesondere die Parameter als Variablen veränderbar sind, die der Digitalisierung des Herstellungsprozesses sensorisch erfasst wurden.
Systemarchitektur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorgesehen ist, in dem Sollwertdaten, Modelldaten und/oder Referenzdaten abgelegt sind, welche der bestimmungsgemäßen Charakteristik der Maschine und deren Maschinenteile (M1, ..., Mn) und/oder einem Zustandsraum zulässiger Maschinenparameter entsprechen.
Verfahren zur autonomen Fertigungssteuerung mit einer Systemarchitektur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14 mit den folgenden Schritten: a. Erfassen von Zeitseriendaten oder historischen Daten der Fertigungsprozesse, welche digitalisierte Prozessdaten aus dem Fertigungsprozess für die Teilfertigungsschritte umfassen; b. Erzeugen aus den erfassten Zeitseriendaten (Ist-Fertigungsdaten) der einzelnen Fertigungsschritte auf Basis eines hinterlegten Algorithmus, insbesondere eines mathematischen Modells ein Datenmodell (Varianzenmodell), auf dessen Basis aufgrund erkannter Abweichungen der erfassten Fertigungsdaten gegenüber Sollfertigungsdaten, Prognosedaten errechnet werden, die den Trend der zu erwartenden Zeitseriendaten widerspiegeln und c. Auswertung der prognostizierten Zeitseriendaten, um daraus einen Zeitpunkt für das Eintreten ein bestimmtes Ereignis betreffend einer Prozessgröße in der Zukunft herzuleiten d. Erzeugen einer Handlungsanweisung, die eine Steuergröße dieser Prozessgröße im Fertigungsprozess darstellt.
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend die Digitalisierung eines Herstellungsprozesses sowie der Prozesssteuerung, Prozessüberwachung und zur Prognostizierung von Trends oder Vorhersagen von Systemmerkmalen und/oder Prozessmerkmalen einer Fertigungsanlage zur und bei der Herstellung eines komplexen Bauteils bestehend aus wenigstens zwei Baugruppen (B1, B2) in mehreren Teilfertigungsschritten, die mehrere Prozessebenen (E0, E1, ... En) aufweist, vorzugsweise mit einer Systemarchitektur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 mit den folgenden Schritten: e) Verwendung von Sensoren (S) zum diskontinuierliches oder kontinuierliches Messen und Erfassen von Prozessgrößen, Maschinenparameter oder Sollwerten von Fertigungsprozessen beim Herstellen eines komplexen Bauteils; f) Auswerten des oder der Sensorsignale; g) Vergleich der Sensorsignale mit Sollwertdaten, Modelldaten und/oder Referenzdaten einzelner Maschinenteile die am Herstellungsprozess beteiligt sind; h) Bereitstellung einer Beurteilungsinformation und/oder einer Warnmeldung für die jeweiligen Maschinenteile, sobald eine Abweichung der aktuell gemessenen Sensordaten von Sollwertdaten oder Modelldaten oder eine mittels einer Extrapolation vorhergesagte Abweichung ermittelt wurde.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei insbesondere die Abweichung der Taktzeit t_T des Taktes bei einem Teilfertigungsschritt erfasst wird, um daraus die Restlebensdauer t_R eines an dem Teilfertigungsschritt beteiligten Maschinenteil zu erhalten, welches Einfluss auf die Taktzeit nimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei eine Mehrzahl an Sensoren (S) zur sensordiagnostischen Überwachung und Beurteilung verschiedener Maschinenparameter bei dem Verfahren verwendet werden und die Sensordaten als Datenmatrix bestehend aus Messdaten mit den Sollwerten einer Sollwertmatrix verglichen werden, wobei t die Zeit darstellt und sobald zu einem Zeitpunkt t eine Abweichung festgestellt wird, die Abweichung betragsmäßig erfasst wird und die Sensordaten einer zeitlich nachfolgenden Messung wiederum mit den Sollwertdaten der Sollwertmatrix und mit zeitlich zuvor gemessenen Sensordaten verglichen wird, wobei im Falle einer betragsmäßig zunehmenden Abweichung einer der Sensordaten mittels einer Extrapolation aus den gemessenen Daten ein Kurvenverlauf extrapoliert wird, aus dem sich ein Zeitpunkt ableiten lässt, zu dem einer der Sensordaten eine zulässige Abweichung überschreiten wird oder einen zulässigen Toleranzbereich verlässt.