Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Konnek- tieren und zum Überwachen, Steuern und Regeln von Prozessen einer Produktions maschine und Bearbeitungsprozessen im Produktionsumfeld.

Stand der Technik

Um bei Produktionsmaschinen ein Mindestmaß an Daten für grundlegende Prozess überwachungsanwendungen zu erhalten, müssen die Produktionsmaschinen mit ver schiedenen Systemen, Modulen eines Remote-I/O-Systems, Industrial Internet of Things, lloT, -Geräten, Configuration Management System, CMS, oder dergleichen ausgestattet werden, was mit einer Verteuerung der gesamten Produktionsmaschine einhergeht.

Dabei ist beim Zusammenspielen der verschiedenen Systeme die Leistung, die Hand habung und die Konnektivität begrenzt.

Zudem sind diese Systeme oft nicht modular erweiterbar und ermöglichen keine oder nur beschränkte Möglichkeiten zur nachträglichen Erweiterung der Funktionen, wenn etwa zusätzliche Applikationen gewünscht sind.

Besonders dann, wenn die Applikation eine Erweiterung oder einen Austausch oder ein Neu-Design der Hardware-Komponenten erfordern würde, ist ein Upgrade meist nicht wirtschaftlich.

Ist eine Erweiterung möglich, dann oft nur mit den Einschränkungen der aktuell einge bauten Hardware und in der Regel begrenzt auf die jeweilige Bearbeitungstechnolo- gie. Individuelle Anwendungen in Echtzeit können meist nur mit hohem Aufwand auf speziellen dafür geeigneten High-End Messsystemen realisiert werden.

Diverse Hersteller sind mit einer Vielfalt von MoT-Geräten mit unterschiedlichen Funk tionalitäten auf dem Markt vertreten. Hier ist oft vor allem die reine Konnektivität im Fokus. Systeme, die individuelle dezentrale Datenverarbeitung am Rande des Netz werks betreiben können, also über Edge-Computing Funktionalitäten verfügen, be schränken sich entweder auf die reine Auswertung von Maschinendaten oder verfü gen nur über stark eingeschränkte Möglichkeiten, die den Ansprüchen der hoch auto matisierten und anspruchsvollen Produktionsprozesse nicht genügen.

Auch die Notwendigkeit der Reaktion in Echtzeit auf stattfindenden Bearbeitungspro zessen nimmt stetig zu. Adaptive Regelungsstrategien zur Taktzeitoptimierung, Erhö hung der Standzeit von Werkzeugen oder zur Vermeidung von sich auf die Qualität der Werkstücke auswirkenden Phänomene wie Rattern, Schleifbrand oder die Bildung von Umfangswelligkeiten sind nur einige Beispiele für notwendige Reaktionen, die in Echtzeit ausgeführt werden müssen. Mit anderen Worten ausgedrückt, für Szenarien, die eine Reaktion in Echtzeit erfordern

Auf dem Markt befindliche Prozessüberwachungssysteme bieten in der Regel ge schlossene Einzelfunktionalitäten ohne die Zugriffsmöglichkeit auf relevante nicht fer tig prozessierte Daten oder Rohdaten.

Somit können wesentliche Informationen verloren gehen und vorhandene Daten nicht gänzlich zur Informationsbeschaffung herangezogen werden.

Daneben bieten MoT-Geräte die Möglichkeit Maschinen zu konnektieren und deren Daten abzugreifen oder Daten von übergeordneten Instanzen an die Maschinen zu übertragen.

Systeme zur Prozessüberwachung akquirieren Sensordaten und Prozessdaten der Produktionsmaschine sowie Daten aus anderen Quellen. Diese werden vorverarbeitet, analysiert und die Ergebnisse zur Optimierung und/oder Absicherung von Produkti onsprozessen verwendet. Der Fokus liegt auf der Prozessregelung, -Steuerung und -Visualisierung. Besonders die Regelung oder Steuerung von Produktionsmaschine oder ganzen Produktionsan lagen erfordert die Verwendung von hoch performanten Hardware-Komponenten, die die Echtzeitkriterien auch während komplexen Berechnungen einhalten können.

Systeme zur Konnektierung akquirieren Konnektierungsdaten aus Steuerungskompo nenten einer Produktionsmaschine oder ganzen Produktionsanlagen und leiten diese an ein übergeordnetes System, wie ein Cloud- oder Servereinrichtungen, weiter und umgekehrt. Viele Systeme zur Konnektierung verfügen über Edge-Computing Fähig keiten, also die Fähigkeit am Rande des Netzwerkes dezentrale Datenverarbeitungs aufgaben zu lösen, und können die Konnektierungsdaten vor Weitergabe aufbereiten.

Offenbarung der Erfindung

Neben der klassischen Konnektierung von Produktionsmaschinen oder ganzen Pro duktionsanlagen und dem damit ermöglichten Zugriff auf Zustandsdaten und Parame ter derselben, ist es aufgrund der stetig wachsenden Ansprüche von modernen Ferti gungsprozessen zwingend notwendig diese Zustandsdaten und Parameter auch mit externen Sensordaten oder Prozessdaten diverser Sensoren zur Erfassung hochdy namischer Signale wie Kräfte, Beschleunigungen, akustischer Signale, Temperaturen, Drücke oder dergleichen in Verbindung zu setzten und zusammen zu verarbeiten so wie zu korrelieren.

Somit können die wesentlichen Kenngrößen zur Ermittlung von Anomalien in Prozes sen, zur Führung von Regelstrategien, zur Erfassung von Qualitätsmerkmalen der Werkstücke oder zur Ermittlung von Verschleißzuständen von Komponenten und Werkzeugen bestimmt werden.

Durch das Zusammenfügen von nicht fertig prozessierten Daten in ein zentrales Sys tem zur Datenauswertung, ist eine Erhöhung der Datenqualität und Steigerung des In formationsgehaltes von Daten erreichbar. Somit können keine wesentlichen Informati onen verloren gehen und vorhandene Daten gänzlich zur Informationsbeschaffung herangezogen werden. Für die Verarbeitung und Korrelation von Daten können neben den Maschinendaten, hoch dynamische Sensordaten und zentral von einer Cloud/Servereinrichtungen zur Verfügung gestellte Daten parallel zur Ermittlung von komplexen Zusammenhängen, Kenngrößen, Trends oder dergleichen herangezogen werden.

Dies ist bei bisherigen Systemen nur sehr eingeschränkt möglich, da die zur Verfü gung stehenden Daten meist nur sequentiell verarbeitet werden und die zur Verfügung stehenden Daten reduziert sind auf die Ergebnisse der Einzelsysteme.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung sowie ein Ver fahren zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsma schine bereitzustellen, welche die mit dem Stand der Technik einhergehenden Nach teile minimiert oder beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Vorrichtung sowie durch das im Patentanspruch 6 angegebene Verfahren gelöst.

Bevorzugte oder optionale Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentan sprüchen 2 bis 5 bzw. 7 bis 10 angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Prozessüberwachungseinrichtung, welche dazu ausge bildet ist, Sensordaten der Produktionsmaschine und Prozessdaten der Produktions maschine zu erfassen.

Ferner umfasst die Vorrichtung eine Konnektierungseinrichtung, welche dazu ausge bildet ist, Steuerungsdaten der Produktionsmaschine zu erfassen.

Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, basierend auf den Sensordaten, den Prozessda ten und den Konnektierungsdaten eine Flardwarefunktion der Vorrichtung zu ändern. Mit anderen Worten, das System umfasst eine CPU, einen rekonfigurierbaren Hard ware-Teil (FPGA), modulare und universelle Sensorschnittstelle, einen modularen Feldbus-Konnektor und Ethernet-Schnittstellen zur Cloud/Server und Maschinenan bindung.

Auf der CPU wird das zum Betrieb notwendige Betriebssystem ausgeführt, eine ge eignete Softwarebasierte Konnektierungslösung zur Datenkommunikation, die wahl weise über Ethernet und/oder über einen modularen Feldbus-Konnektor mit einer An lage/ CNC-Bearbeitungsmaschine, über Ethernet mit einem übergeordneten System (Server/Cloud) und mit ebenfalls auf der CPU ausgeführten Software-Applikationen bereit stellt.

Die Software-Applikationen Ihrerseits können über den Feldbus-Konnektor auch auf NC Daten im IPU Takt zugreifen.

Der FPGA bildet das Herzstück des Systems. Auf diesem werden alle zeitkritischen, rechenintensiven und echtzeitrelevanten Funktionen ausgeführt. Diese Technologie ermöglicht es, echte Hardware Komponenten zur Laufzeit zu erzeugen und so, je nach Bedarf auch echte parallele Funktionen auszuführen. Das Einlesen hochdynami scher paralleler Sensorsignale und deren Vorverarbeitung, beispielsweise Filterung, wird ebenfalls im FPGA realisiert.

Somit können mehrere Applikationen gleichzeitig ausgeführt werden, ohne die harten Echtzeit-Anforderungen zu verletzen. Gleichzeitig werden digitale Ein- und Ausgangs signale vom FPGA verwaltet.

Die Vernetzung von mehreren Systemen (in einer Anlage) oder von mehreren lokalen Anlagen in beispielsweise einer Linie ist möglich.

Vorzugsweise ist die Prozessüberwachungseinrichtung dazu ausgebildet eine Daten aufbereitung für die Sensordaten der Produktionsmaschine und für die Prozessdaten der Produktionsmaschine durchzuführen; und/oder die Konnektierungseinrichtung da zu ausgebildet für die Konnektierungsdaten eine Konnektierungsdatenaufbereitung durchzuführen. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwa chen von Prozessen einer Produktionsmaschine eine feldprogrammierbare Logikgat- ter-Anordnungseinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist eine Hardwarefunkti on der Vorrichtung zu ändern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Servereinrichtung dazu ausgebildet, neben den empfangenen Sensordaten, den Prozessdaten und den Konnektierungsdaten ferner auch Clouddaten und Serverdaten zu verarbeiten, um die Hardwarefunktion der Vorrichtung zu ändern.

Vorzugsweise ist die Servereinrichtung dazu ausgebildet, die Hardwarefunktion der Vorrichtung per Trigger zu ändern. Der Trigger bzw. das Triggersignal kann hier von einem zentralen Cloud System übersendet werden.

Vorzugsweise ist eine Servereinrichtung nicht Bestandteil der Vorrichtung an sich, sondern als zentrales externes Serversystem/Cloud ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, eine eigene Hardwarefunktion per Trigger zu ändern.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine bereitgestellt, um fassend die Schritte:

Erfassen von Sensordaten der Produktionsmaschine und Prozessdaten der Produktionsmaschine mittels einer Prozessüberwachungseinrichtung;

Erfassen von Steuerungsdaten der Produktionsmaschine mittels einer Konnek- tierungseinrichtung;

Verarbeiten der erfassten Sensordaten, Prozessdaten und Konnektierungsda ten mittels einer Vorrichtung; und Ändern einer Hardwarefunktion der Vorrichtung basierend auf den Sensorda ten, den Prozessdaten und den Konnektierungsdaten.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt: Durchführen einer Datenaufbereitung der Sensordaten der Produktionsmaschine und der Prozessdaten der Produktionsmaschine der Prozessüberwachungseinrichtung; und/oder durchfüh ren einer Datenaufbereitung der Konnektierungsdaten der Konnektierungseinrichtung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner folgenden Schritt umfasst: Ändern einer Hardwarefunktion der Vorrichtung mittels einer feldprogrammierbaren Logikgatter- Anordnungseinrichtung basierend auf den Sensordaten, den Prozessdaten und den Konnektierungsdaten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren fer ner die Schritte:

Empfangen von Clouddaten und Serverdaten

Ändern einer Hardwarefunktion der Vorrichtung mittels einer Servereinrichtung basierend auf den Clouddaten und Serverdaten, welche von einer Cloud/Servereinrichtungen bereitgestellt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren fer ner den Schritt Triggern einer Änderung der Hardwarefunktion der Vorrichtung durch eine Servereinrichtung.

Ein verbessertes Verständnis der Erfindung und deren Vorteile wird durch die sche matische Darstellung der Zeichnungen erreicht, die nicht limitierend wirken und nur eine mögliche bevorzugte Ausführungsform beschreiben.

Fig.1 eine Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig.2 ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens zum Konnek- tieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig.3 ein Prozessdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine ge mäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren sind gleiche, gleich wirkende oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen verse hen.

Ausführungsformen der Erfindung

Zunächst wird die Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung beschrieben, und sodann die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung beschrie ben.

Die Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Die Prozessüberwachungseinrichtung 10 verfügt über modulare und/oder universelle Sensorschnittstellen zur Erfassung hochdynamischer Signale wie z.B. Kräfte, Be schleunigungen, akustischer Signale, Temperaturen und/oder Drücke der Produkti onsmaschine 40 und über eine Ethernetschnittstelle und/oder über einen modularen Feldbus-Konnektor zur Datenkommunikation mit der Servereinrichtung 30.

Die Konnektierungseinrichtung 20 verfügt wahlweise über eine Ethernetschnittstelle und/oder über einen modularen Feldbus-Konnektor zur Datenkommunikation mit der Servereinrichtung 30 oder der Produktionsmaschine 40. Die Servereinrichtung 30 verfügt wahlweise über eine Ethernetschnittstelle und/oder über einen modularen Feldbus-Konnektor zur Datenkommunikation mit der der Konnektierungseinrichtung 20.

In der Servereinrichtung 30 werden nicht fertig prozessierte Daten verschiedener Quellen, welche vorzugsweise Sensordaten der Produktionsmaschine, Prozessdaten der Produktionsmaschine der Prozessüberwachungseinrichtung, Steuerungsdaten sowie Konnektierungsdaten der Konnektierungseinrichtung 20 der Produktionsma schine, Cloud/serverdaten von weiteren Cloud/Servereinrichtungen sind, zusammen geführt und korreliert.

Durch das Zusammenfügen von nicht fertig prozessierten Daten in ein zentrales Sys tem, wie die Servereinrichtung 30, zur Datenauswertung, ist eine Erhöhung der Da tenqualität und eine Steigerung des Informationsgehaltes von Daten erreichbar.

Für die Auswertung und Korrelation von Daten können neben den Maschinendaten, hoch dynamische Sensordaten und zentral von einer Cloud/Servereinrichtungen zur Verfügung gestellte Daten parallel zur Ermittlung von komplexen Zusammenhängen, Kenngrößen, Trends und dergleichen herangezogen werden. Somit können keine we sentlichen Informationen verloren gehen und vorhandene Daten gänzlich zur Informa tionsbeschaffung herangezogen werden.

Durch die gewonnenen Zusammenhänge kann die Servereinrichtung 30 eine Hard- warefunktion der Vorrichtung ändern, vorzugsweise weist die Vorrichtung eine feld programmierbare Logikgatter-Anordnungseinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist eine Hardwarefunktion der Vorrichtung zu ändern, wobei die Servereinrichtung 30 die Änderung der Hardware triggert.

Eine feldprogrammierbaren Logikgatter-Anordnungseinrichtung, welche in der Pro zessüberwachungseinrichtung 10 eingebettet ist, stellt eine Hauptkomponente der Vorrichtung dar. Mit dieser feldprogrammierbaren Logikgatter-Anordnungseinrichtung werden alle zeitkritischen, rechenintensiven und echtzeitrelevanten Funktionen ausge führt. Durch die feldprogrammierbare Logikgatter-Anordnungseinrichtung kann auf Er- eignisse während des Bearbeitungsprozesseses zeitsynchron reagiert werden, wobei die anspruchsvollen Echtzeitanforderungen eingehalten werden.

Adaptive Regelungsstrategien zur Taktzeitoptimierung, Erhöhung der Standzeit von Werkzeugen oder zur Vermeidung von sich auf die Qualität der Werkstücke auswir kenden Phänomene wie Rattern, Schleifbrand oder die Bildung von Umfangswelligkei ten sind nur einige Beispiele für notwendige Reaktionen, die in Echtzeit ausgeführt werden müssen.

Das parallele Einlesen und Visualisieren hochdynamischer Sensorsignale und deren Datenaufbereitung, wie z.B. Vorfilterung, wird ebenfalls in der feldprogrammierbaren Logikgatter-Anordnungseinrichtung realisiert. Somit können mehrere Applikationen gleichzeitig ausgeführt werden, ohne die harten Echtzeitanforderungen zu verletzten. Gleichzeitig werden digitale Ein- und Ausgangssignale von der feldprogrammierbaren Logikgatter-Anordnungseinrichtung verwaltet.

Die Visualisierung erfolgt nicht im FPGA, sondern Wahlweise auf dem lokalen Webs erver oder zentralen WebServern.

Die Vorrichtung ist modular erweiterbar mittels der zur Verfügung stehenden Ether netschnittstelle und/oder des zur Verfügung stehenden modularen Feldbus- Konnektors, welche zur Datenkommunikation mit anderen Vorrichtungen zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine kon zipiert sind.

Durch die eingebettete feldprogrammierbare Logikgatter-Anordnungseinrichtung in der Vorrichtung kann die Vorrichtung leicht und flexibel für andere Applikationen einge setzt werden ohne Hardware Umrüsten zu müssen. Somit ist die Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine ideal geeignet um im Prototypenbau als auch im Massenmarkt eingesetzt zu werden.

Durch die Integration von einer Prozessüberwachungseinrichtung, einer Konnektie- rungseinrichtung und einer Servereinrichtung in eine Vorrichtung, ist eine Erhöhung der IT-Sicherheit gegenüber Hackerangriffen von außerhalb des Netzwerkes erreicht, da die integrierten Systeme ideal auf einander abgestimmt werden können und die Kommunikation so zwischen den integrierten Systemen besser geschützt ist.

Zusätzlich wird eine vereinfachte Handhabung für den Benutzer erreicht, da nur noch ein Gerät konfiguriert werden muss.

Mit anderen Worten ausgedrückt, die Vorrichtung zum Konnektieren und zum Über wachen von Prozessen einer Produktionsmaschine ist dazu ausgebildet, eine Kombi nation eines Prozessüberwachungssystems mit einem Konnektierungssystem bereit zustellen.

Die Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Pro duktionsmaschine ist ferner dazu ausgebildet, eine Nutzung der FPGA Technologie, die eine flexible Veränderung von Hardwarefunktionen ermöglicht bereitzustellen.

Die Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Pro duktionsmaschine ist ferner dazu ausgebildet, eine Einbeziehung von Maschinen, Sensor und Server/Cloud Daten zur lokalen Auswertung derselben auch zu Zwecken der Prozessregelung, -Steuerung und - Visualisierung zu ermöglichen und dies auch zeitsynchron.

Die Vorrichtung zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Pro duktionsmaschine ist ferner dazu ausgebildet, eine flexible und bedarfsgerechte Re konfiguration von Hardware vorzunehmen, dies kann von einem zentralen System (Server/Cloud) getriggert werden, ferner kann dies ausgehend von in dem zentralen System ermittelten Anforderungen oder manuell getriggert werden.

Die Fig.2 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine ge mäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In einem ersten Schritt erfolgt ein Erfassen S1 von Sensordaten der Produktionsma schine 40 und Prozessdaten der Produktionsmaschine 40 mittels einer Prozessüber wachungseinrichtung 10. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Erfassen S2 von Steuerungsdaten der Produkti onsmaschine 40 mittels einer Konnektierungseinrichtung 20.

In einem dritten Schritt erfolgt ein Verarbeiten S3 der erfassten Sensordaten, Pro zessdaten und Konnektierungsdaten mittels einer Vorrichtung; und

In einem vierten Schritt erfolgt ein Ändern S4 einer Hardwarefunktion der Vorrichtung basierend auf den Sensordaten, den Prozessdaten und den Konnektierungsdaten.

Die Fig.3 zeigt ein Prozessdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens zum Konnektieren und zum Überwachen von Prozessen einer Produktionsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die nummerierten Pfeile in dem Beispiel sind aufsteigend chronologisch ausgeführt.

1. Erfassung von allen Maschinendaten (Sensordaten, Prozessdaten, Steuerungsda ten, Maschinendaten).

2.1 Vorfilterung, Analyse von Daten und bei Bedarf Einleitung einer Reaktion zur Ma schine hin.

2.2 Übermittlung aller relevanten Informationen über die Konnektierungseinrichtung an die Cloud.

3. Daten von mehreren Einrichtungen werden an die Cloud übermittelt. Dort werden Analysen bzw. Korrelationen mit allen vorhandenen Informationen/Daten gefahren.

4. Bei Bedarf Einleitung der Hardwarefunktionsänderung eines Systems getriggert durch die Cloud.

Die vorliegende Erfindung ist dabei allerdings nicht auf das vorhergehend bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt, solange sie vom Gegenstand der folgenden Ansprü che umfasst ist. Bezugszeichenliste:

10 Prozessüberwachungseinrichtung

20 Konnektierungseinrichtung 30 Servereinrichtung

40 Produktionsmaschine

51 Erfassen

52 Erfassen

53 Verarbeiten S4 Ändern