Effiziente Fehleranalyse durch simulierten Fehler in einem digitalen Zwilling

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Identifizieren von Fehlerursachen bei automa tisierten Anlagen, sowie eine automatisierte Anlage umfassend die Vorrichtung zum Identifizieren von Fehlerursachen bei au tomatisierten Anlagen.

Stand der Technik

Die Automatisierungstechnik betrifft insbesondere den Anla genbau im Bereich des Maschinenbaus und der Elektrotechnik. Sie wird eingesetzt, um technische Vorgänge in Maschinen, An lagen oder technischen Systemen zu automatisieren und somit automatisierte Anlage zu schaffen. Dazu kommen verschiedenen Aktoren in einer automatisierten Anlage zum Einsatz, die ei nen Prozess (z. B. Fertigungsprozess oder Verfahren) durch führen. Die Aktoren werden von einer Steuerung der automati sierten Anlage gesteuert, wobei die Steuerung durch Sensoren Informationen über den Prozess bzw. den Anlagenzustand er hält.

Der Automatisierungsgrad einer automatisierten Anlage ist um so höher, je unabhängiger die automatisierte Anlagen von menschlichen Eingriffen ist. Die Automatisierung dient neben der Entlastung des Menschen von gefährlichen, anstrengenden oder Routine-Tätigkeiten der Qualitätsverbesserung und stei gert die Leistungsfähigkeit der automatisierten Anlage. Zudem können durch Automatisierung Personalkosten gesenkt werden. Dabei werden menschliche Tätigkeiten vorwiegend auf die Be seitigung von Störungen, den Materialnachschub, den Fertig teilabtransport, die Wartung und ähnliche Arbeiten reduziert.

Entwurf, Implementierung von Automatisierungsfunktionen und Inbetriebnahme von automatisierten Anlagen sind stark metho- denorientiert . Entwickelte Methoden und Lösungen sind meist das Ergebnis einer (abstrahierenden) Modellbetrachtung realer physikalischer Systeme (automatisierte Anlagen). Dabei werden die physikalischen Systeme häufig mittels eines rechnerge stützten virtuellen Abbilds oder Modells, eines sogenannten digitalen Zwillings, modelliert. Auf der Grundlage dieser di gitalen Zwillinge können dann wissensbasierte Methoden zum Entwurf und zur Inbetriebnahme der verschiedenen Automatisie rungsfunktionen entwickelt werden. Mit wissensbasierten An sätzen entstehen dann zum Beispiel automatisierte Anlagen, die modellgestützte Regelungen und Steuerungen enthalten.

In automatisierten Anlagen besteht das Problem, dass auftre tende Fehler und andere unvorhergesehene Anlagenzustände oft mals nicht eindeutig sind und deren (Fehler-)Ursachen nicht nachvollziehbar sind. Dies kann beispielsweise durch eine zeitliche und örtliche Fehlerfortpflanzung bedingt sein. Dies macht es schwierig, Fehlerursachen zu erkennen bzw. einzu grenzen, da die den Anlagenzustand/Fehler auslösende Ursache zeitlich zurückliegen kann und im resultierenden Anlagenzu stand/Fehler nicht mehr erkennbar ist.

Digitale Zwillinge von automatisierten Anlagen können derge stalt erweitert werden, dass mögliches Fehlverhalten model liert wird und das Verhalten der automatisierten Anlage im Fehlerfall inklusive weitergehender Auswirkungen simuliert wird. Dabei existiert eine Vielzahl möglicher Arten und Kom binationen von Fehlern von Elementen der automatisierten An lage, die zusätzlich durch unterschiedliches Anlagenverhalten im Produktivbetrieb (z. B. Art und Position von Werkstücken im System) erhöht wird. Die daraus resultierende kombinatori sche Explosion ermöglicht es im Allgemeinen nicht, jeden mög lichen Anlagenzustand und Fehler im Voraus zu simulieren und zu bestimmen.

Die Lösung durch etablierte Verfahren wie „Failure Mode and Effect Analysis (FMEA)" (hier insbesondere System- oder Pro- zess-EMEA) oder Modelle zur „Root Cause Analysis (RCA) " er- fordern zusätzlichen Analyse- und Modellierungsaufwand und ermöglichen das Identifizieren von Fehlern nur im Rahmen der Modellierung und für bestimmte Zusammenhänge. Eine umfassende Abbildung erfordert einen zu hohen Aufwand und stellt dennoch nicht sicher, dass bisher unbekannte Anlagenzustände bzw. Fehler identifiziert werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dieses Problem zu Lösen oder wenigstens zu lindern, indem ein Verfahren zum Identifizieren von Fehlerursachen bei automatisierten Anlagen gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Identifizieren von Fehlerursachen bei automatisierten Anla gen, sowie eine entsprechende automatisierte Anlage gemäß den weiteren unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt werden. Vor teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Identifizieren von Fehlerursachen bei auto matisierten Anlagen die Schritte: a) Kontinuierliches Erfassen eines realen Anlagenzustands einer automatisierten Anlage. Dabei umfasst der reale An lagenzustand wenigstens eine physikalische Größe der au tomatisierten Anlage. b) Kontinuierliches Überprüfen ob ein Fehler in den erfass ten realen Anlagenzuständen vorliegt und, falls ein Feh ler in den erfassten realen Anlagenzuständen vorliegt, Ermitteln eines jüngsten fehlerfreien Anlagenzustands in den erfassten realen Anlagenzuständen und eines Fehler zeitpunkts . c) Initialisieren eines digitalen Zwillings der automati sierten Anlage mit dem ermittelten jüngsten fehlerfreien Anlagenzustand . d) Simulieren des Anlagenzustands mittels des initialisier ten digitalen Zwillings bis zu dem ermittelten Fehler- Zeitpunkt, dabei wird wenigstens ein Element des digita len Zwillings als fehlerhaft angenommen, e) Vergleichen des simulierten Anlagenzustands im ermittel ten Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Feh lerzeitpunkt und el) Identifizieren wenigstens eines fehlerhaften Elements der automatisierten Anlage als Fehlerursache in der automatisierten Anlage basierend auf dem wenigstens einen als fehlerhaft angenommenen Element des digita len Zwillings, falls der simulierte Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Feh lerzeitpunkt übereinstimmt oder e2) wiederholen der Schritte c) bis e), falls der simu lierte Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt mit dem rea len Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt nicht überein stimmt, wobei in Schritt d) wenigstens ein anderes Element des digitalen Zwillings als fehlerhaft ange nommen wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Identifizieren von Fehlerursachen bei automatisierten Anlagen wenigstens einen Sensor und eine Steuereinheit. Der wenigstens eine Sensor ist ausgebildet, wenigstens eine physikalische Größe der automatisierten Anla ge kontinuierlich zu erfassen. Die Steuereinheit ist mit dem wenigstens einen Sensor kommunikativ verbunden. Die Steuer einheit ist ausgebildet, das Verfahren gemäß dem ersten As pekt der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dazu ist die Steuereinheit ausgestaltet und eingerichtet, einen realen An lagenzustand einer automatisierten Anlage kontinuierlich zu erfassen. Dabei umfasst der reale Anlagenzustand die von dem wenigstens einen Sensor erfasste wenigstens eine physikali sche Größe. Weiter ist die Steuereinheit ausgestaltet und eingerichtet, kontinuierlich zu überprüfen, ob ein Fehler in den erfassten realen Anlagenzuständen vorliegt und, falls ein Fehler in den erfassten realen Anlagenzuständen vorliegt, ei nen jüngsten fehlerfreien Anlagenzustand in den erfassten re alen Anlagenzuständen und einen Fehlerzeitpunkt zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit ausgestaltet und eingerichtet, einen digitalen Zwilling der automatisierten Anlage mit dem ermittelten jüngsten fehlerfreien Anlagenzustand zu initiali sieren. Außerdem ist die Steuereinheit ausgestaltet und ein gerichtet, den Anlagenzustand mittels des initialisierten di gitalen Zwillings bis zu dem ermittelten Fehlerzeitpunkt zu simulieren. Dabei wird wenigstens ein Element des digitalen Zwillings als fehlerhaft angenommen. Schließlich ist die Steuereinheit ausgestaltet und eingerichtet, den simulierten Anlagenzustand im ermittelten Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt zu vergleichen und wenigs tens ein fehlerhaftes Element der automatisierten Anlage als Fehlerursache in der automatisierten Anlage basierend auf dem wenigstens einen als fehlerhaft angenommenen Element des di gitalen Zwillings zu identifizieren, falls der simulierte An lagenzustand im Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt übereinstimmt oder erneut den digitalen Zwilling zu initialisieren, den Anlagenzustand zu simulieren und den simulierten Anlagenzustand mit dem realen Anlagenzu stand zu vergleichen, falls der simulierte Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeit punkt nicht übereinstimmt, wobei wenigstens ein anderes Ele ment des digitalen Zwillings als fehlerhaft angenommen wird.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine automatisierte Anlage die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfin dung kann von der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfin dung kann von der Steuereinheit der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Die Steuereinheit kann eine Datenverarbeitungseinrichtung wie beispielsweise ein Computer (z. B. Server, speicherprogram mierbare Steuerungen (SPS), Handheld-Computer-Systeme, Po- cket-PC-Geräte, Mobilfunkgeräte und andere Kommunikationsge- rate, die rechnergestützt Daten verarbeiten können, Prozesso ren und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung), ein cloud-basiertes System, eine Steuereinrichtung der auto matisierten Anlage usw. sein.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird der Be griff „kontinuierlich" verstanden als zu vorbestimmten Zeit punkten und insbesondere als jeweils nach einem vordefinier ten Zeitintervall. Ein kontinuierlich ausgeführter Schritt wird demnach verstanden als ein Schritt, der zu bestimmten, vordefinierten Zeitpunkten oder jeweils nach Ablauf eines vordefinierten Zeitintervalls ausgeführt wird.

Die automatisierte Anlage verfügt über einen digitalen Zwil ling. Der digitale Zwilling kann während einer Planungsphase bzw. Entwicklungsphase der automatisierten Anlage erstellt worden sein. Der digitale Zwilling ist ein rechnergestütztes, virtuelles Modell der automatisierten Anlage, der die (wich tigsten) Elemente der automatisierten Anlage abbildet und den von der Anlage ausgeführten Prozess (z. B. Fertigungsprozess, Verfahren, usw.) simulieren kann. Das Verhalten der automati sierten Anlage bzw. der Prozess ist mit ausreichender Genau igkeit durch den digitalen Zwilling simulierbar (z.B. mit Hilfe einer Simulation zur virtuellen IBSur), sodass die re alen Anlagenzustände (z. B. während eines Produktivbetriebs, einer Anlaufphase, eines Abschaltvorgangs usw.) durch die si mulierten Anlagenzustände abgebildet werden. Die Simulation bzw. der digitale Zwilling kann auf Basis eines realen Anla genzustands (Signale bzw. Daten) der realen automatisierten Anlage in den gleichen Zustand wie die reale automatisierte Anlage versetzt werden.

Es erfolgt eine rollende Datenerfassung, wobei der reale An lagen Zustand kontinuierlich erfasst wird. Dazu wird der rea le Anlagenzustand fortlaufend bestimmt und abgespeichert, so dass eine Zeitliche Abfolge erfasster realer Anlagenzustände vorliegt. Dabei wird jeder der Anlagenzustände durch wenigs tens eine physikalische Größe charakterisiert. Die wenigstens eine physikalische Größe kann beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, eine Kraft, eine Position und/oder eine Geschwin digkeit und/oder eine Beschleunigung eines Elements der auto matisierten Anlage oder eines Werkstücks/Prozessguts in der automatisierten Anlage, eine Vibration, eine Drehzahl und dergleichen sein. Die wenigstens eine physikalische Größe kann mittels des wenigstens einen Sensors in bzw. an der au tomatisierten Anlage kontinuierlich erfasst werden. Der we nigstens eine Sensor kann ein Temperatursensor, ein Krafts ensor, ein Beschleunigungssensor, ein Positionssensor, ein Drucksensor und dergleichen sein. Der wenigstens eine Sensor kann ein Array einzelner Sensoren sein.

Die erfassten realen Anlagenzustände werden kontinuierlich dahingehend überprüft, ob ein Fehler in einem (neuesten) rea len Anlagenzustand vorliegt. Dies kann beispielsweise durch einen Vergleich der erfassten realen Anlagenzustände mit hin terlegten bekannten Fehlern erfolgen. Es kann auch durch ei nen Nutzer (z. B. Techniker, Anlageningenieur usw.) ein Feh ler in den erfassten realen Anlagenzuständen identifiziert werden.

Sobald ein Fehler in einem der erfassten realen Anlagenzu stände erkannt wird, wird der Zeitpunkt, zudem der fehlerhaf te Anlagenzustand aufgetreten ist, ermittelt und gespeichert. Zudem wird ein (vergangener) erfasster realer Anlagenzustand ausgewählt, in dem kein Fehler vorlag. Dabei wird bevorzugt der jüngste reale Anlagenzustand ohne Fehler als der jüngste fehlerfreie Anlagenzustand identifiziert.

Der jüngste fehlerfreie Anlagenzustand kann optional mit dem digitalen Zwilling überprüft werden, indem überprüft wird, ob eine Simulation mit dem digitalen Zwilling ausgehend von dem jüngsten fehlerfreien Anlagenzustand (ohne bewusst hinzuge fügte Störung oder Annahme eines fehlerhaften Elements) zu einem simulierten Anlagenzustand, in dem kein Fehler vor liegt, führt. Ist dies nicht der Fall (es liegt ein Fehler vor), so ist der jüngste fehlerfreie Anlagenzustand nicht ge- eignet, da bereits die Ursache für einen Fehler in dem jüngs ten fehlerfreien Anlagenzustand präsent war, und es kann ein anderer (früherer) realer Anlagenzustand als jüngster fehler freier Anlagenzustand ausgewählt werden.

Anschließend wird der digitale Zwilling mit dem jüngsten feh lerfreien Anlagenzustand initialisiert, sodass der digitale Zwilling in dem gleichen Zustand wie die fehlerfreie reale automatisierte Anlage, also die automatisierte Anlage vor dem Auftreten des Fehlers ist.

In dem initialisierten digitalen Zwilling wird nunmehr we nigstens ein (virtuelles) Element (z. B. ein virtuelles Ab bild eines Aktors) als fehlerhaft bzw. defekt angenommen. Es kann beispielsweise ein kompletter Ausfall des wenigstens ei nen Elements oder eine Abweichung vom gewünschten Verhalten des wenigstens einen Elements angenommen werden. Der digitale Zwilling wird entsprechend angepasst bzw. manipuliert, sodass das wenigstens eine als fehlerhaft angenommene Element an stelle des entsprechenden wenigstens einen ordnungsgemäß funktionierenden Elements in der Simulation zum Einsatz kommt. Der resultierende simulierte Anlagenzustand basiert demnach auf einem simulierten (virtuell durchgeführten) Pro zess des digitalen Zwillings mit dem wenigstens einen als fehlerhaft angenommenen Element bis zum Fehlerzeitpunkt.

Die Simulation mit dem digitalen Zwilling, der das wenigstens eine als fehlerhaft angenommene (virtuelle) Element umfasst, erfolgt von einem Zeitpunkt, zudem der jüngste fehlerfreie Anlagenzustand vorlag, bis zum gespeicherten Fehlerzeitpunkt.

Nachdem die Simulation mit dem manipulierten digitalen Zwil ling (umfassend das wenigstens eine als fehlerhaft angenomme ne Element) erfolgt ist, wird der simulierte Anlagenzustand mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt verglichen. Stimmen der simulierte Anlagenzustand und der reale Anlagen zustand im Fehlerzeitpunkt überein, so kann auf die Fehlerur sache geschlossen werden. Dazu kann das wenigstens eine als fehlerhaft angenommene (virtuelle) Element des digitalen Zwillings direkt als das wenigstens eine fehlerhafte (reale) Element der (realen) automatisierten Anlage identifiziert werden, das zu dem Fehler geführt hat. Somit ist die Fehler ursache bekannt und kann entsprechend in der realen automati sierten Anlage behoben werden.

Stimmen der simulierte Anlagenzustand und der reale Anlagen zustand im Fehlerzeitpunkt nicht überein, so wird der digita le Zwilling mit dem jüngsten fehlerfreien Anlagenzustand er neut initialisiert und wenigstens ein anderes Element des di gitalen Zwillings als fehlerhaft angenommen. Anschließend wird die Simulation wie zuvor beschrieben erneut ausgeführt und der resultierende neue simulierte Anlagenzustand mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt verglichen. Dies wird iterativ solange wiederholt, bis der resultierende simu lierte Anlagenzustand mit dem realen Anlagenzustand im Feh lerzeitpunkt übereinstimmt.

Es können auch Kombinationen von (virtuellen) Elementen des digitalen Zwillings als fehlerhaft angenommen werden.

Zudem kann ein Abbruchkriterium (z. B. alle (virtuellen) Ele mente des digitalen Zwillings wurden einmal als fehlerhaft angenommen oder eine vordefinierte Anzahl an Kombinationen von (virtuellen) Elementen des digitalen Zwillings wurden als fehlerhaft angenommen) vorgegeben werden, bei dessen errei chen die Iteration abgebrochen wird.

Kann durch keine Kombination aus als fehlerhaft angenommenen Elementen der real erreichte Anlagen- bzw. Fehlerzustand nachgestellt werden, lässt sich die Ursachensuche in der rea len Anlage auf eventuell nicht virtuell abgebildete Prozesse oder Anlagenkomponenten, und/oder nicht mehr nachvollziehbare Zeitintervalle eingrenzen. Sollte somit am Ende des (iterati ven) Verfahrens keine Übereinstimmung des simulierten Anla genzustands mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt vorliegen und somit die Fehlerursache nicht gefunden worden sein, so kann die Fehlersuche an der realen automatisierten Anlage basierend auf den bisherigen Simulationsergebnissen des Verfahrens zumindest eingegrenzt werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht ohne zusätzlichen Model lierungsaufwand im Entwicklungsprozess oder gar die Simulati on aller möglichen Fehlerzustände, eine zuverlässige Identi fikation von Fehlerursachen bei automatisierten Anlagen. Das beschriebene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung bzw. automatisierte Anlage ermöglichen auf Basis des digitalen Zwillings der automatisierten Anlage eine automatische Analy se von Fehlersituationen. Basierend auf dieser automatischen Analyse kann (im Erfolgsfall) der (oder die) Fehlerursachen identifiziert werden und eine entsprechende Fehlerbehebung bzw. Reparatur der automatisierten Anlage schnell erfolgen. Eine aufwändige und ggf. trotzdem unvollständige vorherige Modellierung des Fehlerverhaltens ist hierzu nicht notwendig.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird in Schritt d) für das wenigstens eine als fehlerhaft angenommene Element eine Fehlerart aus einer Mehrzahl von verschiedenen Fehlerarten angenommen.

Es kann somit nicht nur ein bestimmter Fehler in einem (vir tuellen) Element des digitalen Zwillings angenommen werden, sondern es kann aus verschiedenen möglichen Fehlerarten eine Fehlerart ausgewählt werden und der digitale Zwilling ent sprechend manipuliert werden.

Sollte der simulierte Analagenzustand des manipulierten digi talen Zwillings mit dem wenigstens einen entsprechend als fehlerhaft angenommenen (virtuellen) Element nicht mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt übereinstimmen, kann auch eine andere Fehlerart anstelle eines anderen (virtuel len) Elements bei der nächsten Iteration in Schritt d) ange nommen werden. Dies ermöglicht eine genauere Simulation der (fehlerhaften) Anlagenzustände mit dem digitalen Zwilling und somit eine zu verlässigere Identifikation der Fehlerursache.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird in Schritt d) für das wenigstens eine als fehlerhaft angenommene Element ein einma liger Fehler, ein zeitweise auftretender Fehler und/oder ein dauerhafter Fehler angenommen.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird in Unterschritt el) aus dem wenigstens einen identifizierten fehlerhaften Element eine Ausfallswahrscheinlichkeit für das wenigstens eine identifizierte fehlerhafte Element und/oder für die automatisierte Anlage abgeleitet.

Es wird eine Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls (z. B. auf Ba sis von historischen Ausfallhäufigkeiten, idTBFj[i2]-Werten o.ä.) abgeleitet, welche für eine Priorisierung einer Simula tion von Ausfallszenarien genutzt werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst das Ermitteln eines jüngsten fehlerfreien Anlagenzustands in Schritt b) die Unterschritte: bl) Auswählen eines vorläufigen jüngsten fehlerfreien Anla genzustands in den erfassten realen Anlagenzuständen. b2) Vorläufiges Initialisieren des digitalen Zwillings mit dem ausgewählten vorläufigen fehlerfreien Anlagenzustand. b3) Vorläufiges Simulieren des Anlagenzustands mittels des vorläufig initialisierten digitalen Zwillings bis zu dem ermittelten Fehlerzeitpunkt. b4) Überprüfen ob kein Fehler in dem vorläufig simulierten Anlagenzustand vorliegt, wobei die Unterschritte bl) bis b4) erneut ausgeführt werden, falls ein Fehler in dem vorläufig simulierten Anlagenzustand vorliegt. Dabei wird ein früherer realer Anlagenzustand aus den erfassten rea len Anlagenzuständen als der zuvor vorläufig ausgewählte Anlagenzustand vorläufig ausgewählt. Somit lässt sich besonders zuverlässig der zeitlich letzte (jüngste) reale Anlagenzustand in den erfassten realen Anla genzuständen ermitteln und für die Initialisierung des digi talen Zwillings nutzen.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es wird darauf hingewie sen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbei spiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, so weit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilas pekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extra hieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinie ren. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens zum Identifizieren von Fehlerursachen bei automati sierten Anlagen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht der automatisierten Anlage mit der Vorrichtung zum Identifizieren von Fehlerursachen bei automatisierten Anlagen.

In Fig. 1 ist das Verfahren zum Identifizieren von Fehlerur sachen bei automatisierten Anlagen schematisch dargestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte a) kontinuierliches Erfas sen 1 eines realen Anlagenzustands, b) kontinuierliches Über prüfen 2, c) Initialisieren 3 eines digitalen Zwillings, d) Simulieren 4 des Anlagenzustands und e) Vergleichen 5 des si mulierten Anlagenzustands.

Im Schritt a) kontinuierliches Erfassen 1 des realen Anlagen zustands wird der reale Anlagenzustand St fortlaufend (je weils nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls) er- fasst, also bestimmt und abgespeichert. Die erfassten Anla ^¬ genzustände St umfassen jeweils physikalische Größen 101...103, A01, die von entsprechenden Sensoren in bzw. an einer automa tisierten Anlage gemessen werden können.

Im Schritt b) kontinuierliches Überprüfen 2 werden die er ^¬ fassten realen Anlagenzustände St dahingehend überprüft, ob ein Fehler in einem (dem neuesten) der erfassten realen Anla genzustände St vorliegt. Ist dies der Fall, wird der Zeit ^¬ punkt, zu dem der erfasste reale Anlagenzustand umfassend den Fehler vorliegt, als Fehlerzeitpunkt T _F ermittelt (und zwi ^¬ schengespeichert) . Ebenso wird ein jüngster (neuster) fehler ^¬ freier Anlagenzustand in den erfassten realen Anlagenzustän den ermittelt (und zwischengespeichert).

Das Ermitteln eines jüngsten fehlerfreien Anlagenzustands in Schritt b) umfasst die Unterschritte bl) Auswählen 2.1 eines vorläufigen jüngsten fehlerfreien Anlagenzustands, b2) vor läufiges Initialisieren 2.2 des digitalen Zwillings, b3) vor läufiges Simulieren 2.3 des Anlagenzustands und b4) Überprü ^¬ fen 2.4

Im Unterschritt bl) Auswählen 2.1 des vorläufigen jüngsten fehlerfreien Anlagenzustands wird der vorläufige jüngste (neuste) fehlerfreie Anlagenzustand aus den erfassten realen Anlagenzuständen St ausgewählt. Dieser vorläufige jüngste fehlerfreie Anlagenzustand wird im Unterschritt b2) vorläufi ^¬ ges Initialisieren 2.2 des digitalen Zwillings zum Initiali sieren des digitalen Zwillings der automatisierten Anlage verwendet. Der digitale Zwilling ist danach in dem gleichen Anlagenzustand wie die reale Anlage zum neusten bzw. letzten Zeitpunkt, in dem noch kein Fehler in der realen automati sierten Anlage vorlag. Anschließend wird im Unterschritt b3) vorläufiges Simulieren 2.3 des Anlagenzustands der (virtuel ^¬ le) Anlagenzustand mittels des initialisierten digitalen Zwillings bis zum Fehlerzeitpunkt T _F . Der vorläufige simu ^¬ lierte Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt T _F wird dahingehend im Schritt b4) Überprüfen 2.4 überprüft, ob kein Fehler in dem vorläufig simulierten Anlagenzustand vorliegt. Ist dies der Fall, so entspricht der vorläufige jüngste fehlerfreie Anlagenzustand tatsächlich dem jüngsten fehlerfreien Anlagen zustand und kann in Schritt c) verwendet werden. Die Unter schritte bl) bis b4) werden dagegen erneut ausgeführt, falls ein Fehler in dem vorläufig simulierten Anlagenzustand (im Fehlerzeitpunkt T _F) vorliegt, denn dann war die Fehlerursache bereits in dem vorläufig jüngsten fehlerfreien Anlagenzustand vorhanden. Es wird dementsprechend ein früherer realer Anla genzustand aus den erfassten realen Anlagenzuständen als der zuvor vorläufig ausgewählte Anlagenzustand vorläufig ausge wählt.

Im Schritt c) Initialisieren 3 des digitalen Zwillings wird der digitale Zwilling nunmehr mit dem jüngsten (neusten) feh lerfreien Anlagenzustand initialisiert und somit in den glei chen Zustand wie die reale automatisierte Anlage vor Eintritt der Fehlerursache versetzt.

Im Schritt d) Simulieren 4 des Anlagenzustands wird dann vom Zeitpunkt des jüngsten fehlerfreien Anlagenzustands bis zum fehlerzeitpunkt mit dem initialisierten digitalen Zwilling simuliert und der simulierte Anlagenzustand im Fehlerzeit punkt zwischengespeichert. Dabei wird jedoch vor der Simula tion wenigstens ein Element des digitalen Zwillings als feh lerhaft angenommen. Es kann eine von mehreren vordefinierten Fehlerarten für das wenigstens eine Element angenommen wer den.

Im Schritt e) Vergleichen 5 des simulierten Anlagenzustands wird der simulierte Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt verglichen.

Der Schritt e) Vergleichen 5 des simulierten Anlagenzustands umfasst die Unterschritte el) Identifizieren 5.1 wenigstens eines fehlerhaften Elements und e2) Wiederholen 5.2 der Schritte c) bis e). Falls der simulierte Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt übereinstimmt wird im Unterschritt el) Identifizieren 5.1 wenigstens eines fehlerhaften Elements wenigstens ein fehlerhaftes Element der automatisierten Anlage als Fehlerursache in der automatisier ten Anlage basierend auf dem wenigstens einen als fehlerhaft angenommenen Element des digitalen Zwillings identifiziert. Dabei kann auch aus dem wenigstens einen identifizierten feh lerhaften Element eine Ausfallswahrscheinlichkeit für das we nigstens eine identifizierte fehlerhafte Element und/oder für die automatisierte Anlage abgeleitet werden.

Im Unterschritt e2) Wiederholen 5.2 der Schritte c) bis e) werden die Schritte c) bis e) iterativ wiederholt, falls der simulierte Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt mit dem realen Anlagenzustand im Fehlerzeitpunkt nicht übereinstimmt. Dabei wird im Schritt d) wenigstens ein anderes Element des digita len Zwillings als fehlerhaft angenommen und/oder eine andere Fehlerart für das gleiche Element wie zuvor angenommen.

In Fig.2 ist die automatisierte Anlage 10 mit der Vorrichtung 20 zum Identifizieren von Fehlerursachen bei automatisierten Anlagen schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 20 ist aus gebildet, das Verfahren aus Fig. 1 auszuführen. Dazu umfasst die Vorrichtung 20 wenigstens einen Sensor 21 und eine Steu ereinheit 22.

Der wenigstens eine Sensor 21 erfasst kontinuierlich wenigs tens eine physikalische Größe in bzw. an der automatisierten Anlage 10 (z. B. eine Temperatur, einen Druck und eine Ge schwindigkeit eines Werkstücks in der automatisierten Anla ge).

Die Steuereinheit 22 ist mit dem wenigstens einen Sensor 21 kommunikativ verbunden, sodass der wenigstens eine Sensor 21 die erfasste wenigstens eine physikalische Größe an die Steu ereinheit 22 übertragen kann. Die Steuereinheit 22 führt die Schritte a) bis e) des Verfahrens aus Fig. 1 aus. Obwohl hier spezifische Ausführungsformen illustriert und be schrieben wurden, ist für den Fachmann ersichtlich, dass es eine Vielzahl von Alternativen und/oder gleichwertigen Imple mentierungen gibt. Es ist zu würdigen, dass die exemplari schen Ausgestaltungen oder Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbar keit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise einzuschrän ken. Vielmehr wird die vorstehende Zusammenfassung und de taillierte Beschreibung dem Fachmann hinreichende Anweisungen für die Umsetzung von mindestens einer bevorzugten Ausfüh rungsform liefern, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung der Elemente, die in einer beispielhaften Ausgestaltung beschrieben werden, nicht von dem in den beigefügten Ansprüchen und ihren rechtlichen äquivalenten dargelegten Anwendungsbereich hinausführen. In der Regel ist diese Anmeldung dazu gedacht, alle Anpassungen oder Variationen der hier diskutierten spezifischen Ausfüh rungsformen abzudecken.

In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung wurden ver schiedene Merkmale in einem oder mehreren Beispielen zusam mengefasst, um die Offenbarung knapp zu halten. Es versteht sich, dass die obige Beschreibung illustrativ und nicht rest riktiv sein soll. Sie soll alle Alternativen, Änderungen und äquivalente abdecken, die im Rahmen der Erfindung enthalten sein können. Viele andere Beispiele werden einem Fachmann bei dem Studium der obigen Offenbarung offensichtlich werden.

Um ein umfassendes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, wird eine spezifische Nomenklatur verwendet, die in der vor stehenden Offenbarung verwendet wurde. Es wird jedoch für ei nen Fachmann im Lichte der darin enthaltenen Spezifikation ersichtlich sein, dass die spezifischen Details nicht erfor derlich sind, um die Erfindung anzuwenden. So werden die vor stehenden Beschreibungen spezieller Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Illustrations-und Beschreibungszwe cken dargestellt. Sie sind nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die oben offenbarten genauen Aus führungsformen zu beschränken; offensichtlich sind viele Mo difikationen und Variationen im Hinblick auf die oben genann ten Lehren möglich. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erklären und um somit anderen Fachkräften die Möglichkeit zu geben, die Erfindung und verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifi kationen, sowie es für die jeweilige Verwendung geeignet er- scheint, am besten anzuwenden. In der gesamten Spezifikation werden die Begriffe "einschließlich" und "in welchem/welcher " als Äquivalente der jeweiligen Begriffe "umfassend" bzw. "wo rin" verwendet. Darüber hinaus werden die Begriffe "ers ter/erste/erstes", "zweiter/zweite/zweites ", "dritter, drit- te, drittes" usw. lediglich als Bezeichnung verwendet und sind nicht dazu gedacht, numerische Anforderungen an die Ob jekte zu stellen oder eine bestimmte Rangfolge vorzugeben. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung und den An sprüchen ist die Verbindung "oder" als Aufnahme ("und/oder") zu verstehen und nicht exklusiv ("entweder... oder").