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Dokumentenidentifikation DE102006002704A1 02.08.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Produktionslinie
Anmelder Henkel KGaA, 40589 Düsseldorf, DE
Erfinder Käsemann, Martin, Dr., 40789 Monheim, DE;
Strathmann, Stefan, 40699 Erkrath, DE;
Herrmann, Helmut, Dr., 63454 Hanau, DE
Vertreter Bosch, Graf von Stosch, Jehle Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80639 München
DE-Anmeldedatum 19.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006002704
Offenlegungstag 02.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.08.2007
IPC-Hauptklasse G05B 23/02(2006.01)A, F, I, 20060119, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G05B 19/418(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   B65G 43/08(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   G07C 3/08(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Produktionslinie, bei der Objekte (5) über Transportwege (4) zwischen Maschinen (2, 3) transportiert werden. Zur frühzeitigen und genauen Erkennung von Störungen wird ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:
(a) Generieren einer Referenzbildsequenz, wobei diese mindestens einen zu überwachenden Transportweg (4) zwischen Maschinen (2, 3) abbildet; (b) Ermitteln einer von der Bewegung der zwischen den Maschinen (2, 3) transportierten Objekte (5) abgeleiteten statistischen Kenngröße; (c) Generieren einer Testbildsequenz, wobei diese dieselben Transportwege (4) zwischen den Maschinen (2, 3) abbildet; (d) Ermitteln einer von der Bewegung eines Objekts (5) abgeleiteten statistischen Kenngröße für jedes der abgebildeten Objekte (5); (e) Vergleichen der für die Testbildsequenz ermittelten statistischen Kenngröße mit der für die Referenzbildsequenz ermittelten statistischen Kenngröße.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Produktionslinie.

Bei der Produktion flüssiger oder fester Konsumgüterartikel werden diese im Laufe des Produktionsprozesses üblicherweise in Behälter gefüllt, um sie so verpackt in den Handel zu bringen. In den Abfüll- und Verpackungsprozessen wird dabei eine große Anzahl gleichartiger Behälter mit möglichst großer Geschwindigkeit befüllt, verschlossen, etikettiert und anschließend in weiteren Umverpackungen verpackt oder gesammelt.

Die einzelnen Schritte des Befüllens, Verschließens sowie der Etikettierung und weiteren Verpackung werden in einer Produktionslinie üblicherweise von mehreren Maschinen durchgeführt. Die Behälter werden dazu von einer zur nächsten Maschine transportiert. Für den Transport werden dabei Transportbänder, Förderschnecken oder ähnliche Vorrichtungen verwendet, mit denen die Behälter oder Produkte einzeln von einer zur nächsten Maschine transportiert werden.

Das Abfüllen der festen oder flüssigen Produkte in die Behälter erfolgt dabei mit einer möglichst hohen Taktrate. So werden mit bekannten Produktionsanlagen mehrere Hundert Behälter pro Minute befüllt, etikettiert und verpackt und dementsprechend schnell zwischen den einzelnen Maschinen transportiert.

Für einen störungsfreien Betrieb einer solchen Produktionsanlage ist ein störungsfreier Transport der Produkte oder Behälter unabdingbar. Werden beispielsweise Behälter mittels eines Transportbandes zu einer Maschine transportiert und wird einer der Behälter nicht in einer Position zu der Maschine geliefert, aus der diese den Behälter weiterverarbeiten kann, so kann die Maschine und damit die Produktionslinie durch diesen Behälter blockiert werden.

Typische Störungen beim Transport der Behälter oder Produkte zwischen den Maschinen sind beispielsweise eine Platzierung außerhalb der zulässigen Grenzen auf dem Transportband oder ein Verdrehen oder Verkippen oder Umstürzen auf einem Transportband. Ursachen solcher Störungen können beispielsweise in unerwartet hohen Toleranzen der geometrischen Abmessungen der zu transportierenden Gegenstände, eine fehlerhafte Einstellung von Transport- oder Handlingsystemen oder zeitlich veränderliche Ursachen sein, wie beispielsweise Vibrationen, schwankende klimatische Bedingungen oder Verschleißerscheinungen.

Eine Analyse der Ursachen einer in der Produktionslinie aufgetretenen Störung erfolgt häufig durch geschulte und mit der Produktionslinie vertraute Personen, die anhand des aufgetretenen Schadensbildes versuchen auf die Auslöser rückzuschließen. Eine solche manuelle Fehleranalyse ist zum einen zeit- und personal- und damit kostenaufwändig, zum anderen erlaubt der eingetretene Schaden nur sehr eingeschränkt die Ermittlung der tatsächlichen Auslöser.

Zur Erfassung und Analyse von Störungen an Transportbändern in Produktionslinien sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die eine automatisierte und permanente Überwachung einer Produktionslinie ermöglichen.

Die WO01/50204 beschreibt ein Verfahren und System zur Überwachung einer Produktionslinie, bei dem Sensoren an der zu überwachenden Produktionslinie Produktionsdaten erfassen und an ein Computersystem liefern, welches die gelieferten Daten mit voreingestellten Grenzwerten vergleicht und bei Abweichungen hiervon in geeigneter Weise auf einem Bildschirm diese für die überwachte Produktionslinie anzeigt. Das System erfasst dabei beispielsweise die Menge der ausgestoßenen Ware einer Maschine oder eines Transportbandes und meldet diese an das Computersystem weiter. Damit ermöglicht dieses Verfahren und System die schnelle und komfortable Feststellung einer Abweichung, ohne dass jedoch die Ursachen für die Abweichung ermittelt werden.

Die KR 2003053731 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung eines Förderbandes, auf welchem Gegenstände befördert werden. Zur Überwachung des Transportbandes weist dieses an seinem elektrischen Antrieb eine Strommesseinrichtung auf. Eine Abweichung der Stromstärke wird hierbei als Indikator für eine Störung interpretiert.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Systeme zur Überwachung einer Produktionslinie erfassen damit bereits die Auswirkungen einer Störung, beispielsweise eine Verringerung des ausgestoßenen Produktes eines Transportbandes oder eine Änderung in den Betriebsparametern einer Maschine. Diese Informationen sind für die Ermittlung der Ursache zwar hilfreich, lassen jedoch nur bedingt den Rückschluss auf die Auslöser der Störung zu.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit dem die Ursachen einer Störung in einer Produktionslinie erfasst werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Überwachung einer Produktionslinie, bei der Objekte über Transportwege zwischen Maschinen transportiert werden, vorgeschlagen, welches mindestens die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

  • (1) Generieren einer Referenzbildsequenz, wobei diese mindestens einen Bereich eines zu überwachenden Transportwegs zwischen den Maschinen abbildet;
  • (2) Ermitteln einer von der Bewegung eines zwischen den Maschinen transportierten Objekts abgeleiteten statistischen Kenngröße;
  • (3) Generieren einer Testbildsequenz, wobei diese denselben Bereich eines Transportwegs zwischen den Maschinen abbildet;
  • (4) Ermitteln der von der Bewegung eines Objekts abgeleiteten statistischen Kenngröße für mindestens eines der in der Testbildsequenz abgebildeten Objekte;
  • (5) Vergleichen der für die Testbildsequenz ermittelten statistischen Kenngröße mit den für die Referenzbildsequenz ermittelten statistischen Kenngröße.

In dem ersten Verfahrensschritt wird zunächst eine Referenzbildsequenz generiert, die mindestens einen Bereich eines zu überwachenden Transportweges zwischen den Maschinen einer Produktionslinie abbildet. Diese Referenzbildsequenz zeigt den störungsfreien Betrieb des zu überwachenden Teils einer Produktionslinie in einem Zeitraum geeigneter Länge. In idealer Weise erfasst die Referenzbildsequenz nicht nur einen Zeitraum, in dem die zu überwachende Produktionslinie störungsfrei betrieben wird, sondern in dem der zu überwachende Bereich mit möglichst idealen Parametern betrieben wird, so dass sichergestellt ist, dass das System nicht an der Grenze eines Betriebsparameters betrieben wird.

Zur Generierung der Referenzbildsequenz kann beispielsweise eine Digitalkamera mit CCD- oder CMOS-Chip verwendet werden, mit der der gewünschte Teil einer Produktionslinie in bildgenerierender Weise erfasst wird und von der die einzelnen Bilder einer Bildsequenz über eine Verbindung an einen angeschlossenen Rechner geliefert werden. Alternativ zu einer Digitalkamera könnte eine Bildsequenz zunächst auch mit einer herkömmlichen analog arbeitenden Kamera generiert werden, wobei die Bilder in einem späteren Verfahrensschritt digitalisiert werden. Eine Bildsequenz könnte weiterhin aus mehreren Teilsequenzen, die zu einem Zeitpunkt verschiedene Bereiche einer Produktionslinie erfassen, zusammengesetzt werden, um anschließend als Ganzes verarbeitet zu werden. Auf diese Weise könnte eine Produktionslinie vollständig erfasst und überwacht werden.

Die so generierte Referenzbildsequenz wird auf dem Rechner zunächst gespeichert und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt ausgewertet.

Diese Auswertung in einem späteren Verfahrensschritt umfasst die Ermittlung einer von der Bewegung der Objekte abgeleiteten statistischen Kenngröße, beispielsweise der Geschwindigkeiten der zwischen den Maschinen transportierten Objekte, also der zu verpackenden Produkte oder der Verpackungen oder der verpackten und noch weiter zu verarbeitenden Produkte.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die von der Bewegung eines Objekts abgeleitete statistische Kenngröße die Geschwindigkeit eines Objekts.

Alternativ kann als von der Bewegung eines Objekts abgeleitete statistische Kenngröße die Beschleunigung ermittelt und verarbeitet werden, wie sie beispielsweise bei der Richtungsänderung einer Bewegung eines Objekts auftritt. Zur Vereinfachung wird im Folgenden jedoch von der Geschwindigkeit eines Objekts als die von der Bewegung des Objekts abgeleitete statistische Kenngröße ausgegangen.

Die Ermittlung der statistischen Kenngröße, also beispielsweise der Geschwindigkeit eines bewegten Objekts in einer Richtung erfolgt dabei nach bekannten Algorithmen, indem zunächst in aufeinanderfolgenden Bildern korrespondierende Bildpunkte beispielsweise anhand ihres Farb- oder Grauwertes ermittelt werden. Da die Zeitspanne zwischen den aufeinander folgenden Bildern bekannt ist, kann über die Verschiebung der Bildpunkte die Geschwindigkeit des abgebildeten Objekts bestimmt werden. Die ermittelten Geschwindigkeiten der transportierten Objekte werden dann für die weitere Verwendung gespeichert. Auf diese Weise wird für jeden Ort der gesamten in der Referenzbildsequenz abgebildeten Transportstrecke ermittelt, welche Geschwindigkeit ein transportiertes Produkt aufweist.

In vorteilhafter Weise wird die statistische Kenngröße eines Objekts für jeden Ort des Transportwegs ermittelt, so dass der Transportweg in seiner gesamten Länge lückenlos überwacht wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die statistische Kenngröße für jedes Objekt, welches in der Testbildsequenz abgebildet ist, ermittelt und mit der entsprechenden Kenngröße der Referenzbildsequenz verglichen wird.

Die Referenzbildsequenz muss einen ausreichend langen Zeitraum des störungsfreien Betriebs erfassen, so dass für die Ermittlung der Geschwindigkeiten eine ausreichend große Datenmenge zur Verfügung steht, um zeitliche Mittelungen der Geschwindigkeiten berechnen zu können.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird eine Testbildsequenz generiert. Dazu liefert die Kamera die generierten Bilder an den Rechner, der diese in Testbildsequenzen vorgegebener Länge zusammenfasst. Die Testbildsequenz nimmt dabei den Betrieb der Produktionslinie innerhalb einer Zeitspanne auf, der möglicherweise eine Situation aufweist, die im Folgenden als abweichend zu erkennen ist. Damit wird die gesamte Überwachungszeit in Abschnitte unterteilt. Für jeden Zeitabschnitt wird eine Testbildsequenz generiert, die in den weiteren Schritten des Prüfverfahrens weiter verarbeitet wird.

Da das Verfahren in einem späteren Verfahrensschritt Informationen aus der Testbildsequenz mit entsprechenden Informationen aus der Referenzbildsequenz vergleicht, um eine Abweichung der Testbildsequenz vom Idealzustand oder störungsfreien Zustand zu ermitteln, muss die Testbildsequenz dieselben Maschinen und Transportbänder abbilden wie die Referenzbildsequenz.

In vorteilhafter Weise sind die Bildausschnitte bei der Generierung von Referenz- und Testbildsequenz sowie die Bildwiederholraten der Kamera identisch.

Anhand der Testbildsequenz werden in einem weiteren Verfahrensschritt nun analog zu der Ermittlung der Geschwindigkeiten in der Referenzbildsequenz die Geschwindigkeiten der Objekte in der Testbildsequenz ermittelt. Für jedes transportierte Objekt wird also die Geschwindigkeit an dem aktuellen Ort des Objekts ermittelt. Dazu wird vorzugsweise derselbe Algorithmus verwendet, wie er zur Ermittlung der Geschwindigkeiten in der Referenzbildsequenz verwendet wurde.

Die ermittelten Geschwindigkeiten der Objekte in der Testbildsequenz werden in einem weiteren Verfahrensschritt mit den für die Referenzbildsequenz ermittelten Geschwindigkeitswerten verglichen. Werden bei diesem Vergleich Abweichungen zwischen den Geschwindigkeiten ermittelt, so deutet dies auf eine mögliche Ursache für eine Störung hin. Eine solche Abweichung der Geschwindigkeit eines Objekts kann beispielsweise ein Stau von Objekten vor einer Maschine sein, die die Objekte vom Band herunter nimmt.

Das Verfahren ermittelt damit durch den Vergleich der Geschwindigkeiten der Objekte diejenigen Orte, an denen die tatsächliche Geschwindigkeit eines Objekts von derjenigen abweicht, die das Objekt während des störungsfreien Referenzbetriebs, nämlich während der Generierung der Referenzbildsequenz, an diesem Ort hatte.

Das Verfahren ermöglicht damit die permanente automatische Überwachung einer Produktionslinie.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Vergleich eine Abweichung nur dann als Abweichung bewertet, wenn die Größe der Abweichung einen voreingestellten Grenzwert überschreitet. Eine festgestellte Abweichung, die unterhalb des voreingestellten Grenzwertes liegt, wird demnach nicht als relevante Abweichung gewertet. Dadurch wird erreicht, dass ein Toleranzbereich für die Geschwindigkeiten definiert ist, so dass nur die erfahrungsgemäß relevanten Geschwindigkeitsabweichungen als relevant gewertet und entsprechend behandelt werden.

Geschwindigkeitsabweichungen werden in vorteilhafter Weise in der Testbildsequenz so markiert, dass jeder Ort einer Testbildsequenz markiert wird, an dem eine Abweichung der Geschwindigkeit zwischen Objekten der Test- und der Referenzbildsequenz ermittelt wurde. Dabei kann der Ort beispielsweise durch Angabe der X- und Y-Koordinaten in dem Bild angegeben werden. Alternativ oder auch zusätzlich kann der Ort einer Abweichung auf einem Anzeigebildschirm auch farbig gekennzeichnet werden, indem der Ort der Abweichung in einer auffälligen Farbe hinterlegt wird. Wird beispielsweise der Bildbereich, in dem keine Abweichung festgestellt wurde, in grüner Farbe hinterlegt, so kann zur Kenntlichmachung einer festgestellten Geschwindigkeitsabweichung dieser Bereich mit roter Farbe hinterlegt werden.

Die Darstellung der ermittelten Geschwindigkeitsabweichung kann in vorteilhafter Weise durch Angabe der Richtung und des Betrages der ermittelten Abweichung und/oder durch Angabe der Geschwindigkeitskomponenten in X- und Y-Achsenrichtung erfolgen, wobei die X- und Y-Achsen der generierten Bilder als Koordinatensystem zur Darstellung der Geschwindigkeitsabweichungen dienen.

Eine Testbildsequenz, für die eine relevante Geschwindigkeitsabweichung ermittelt wurde, wird anschließend gespeichert. Werden kurz hintereinander mehrere Testbildsequenzen mit relevanten Geschwindigkeitsabweichungen ermittelt, so kann auf einer Anzeige immer die letzte ermittelte Testbildsequenz dargestellt werden. Ältere Testbildsequenzen können jedoch ebenso angezeigt werden, falls gewünscht, so dass für eine spätere Fehleranalyse über mehrere Testbildsequenzen die Informationen vorhanden sind. Testbildsequenzen, für die keine relevanten Geschwindigkeitsabweichungen ermittelt wurden, können jedoch gelöscht werden bzw. werden nicht gespeichert.

Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise den Verfahrensschritt aufweisen, dass im Anschluss an die Generierung der Referenzbildsequenz in dieser der größte zusammenhängende bewegte Bildbereich ermittelt wird und nachfolgende Verfahrensschritte ausschließlich für diesen Bildbereich ausgeführt werden. Bei der Generierung der Referenz- und der Testbildsequenz kann die Kamera typischerweise nicht ausschließlich nur diejenigen Gebiete aufnehmen, in denen Objekte von einer zur anderen Maschine transportiert werden. Um die in nachfolgenden Verfahrensschritten zu verarbeitende Datenmenge möglichst klein zu halten und damit eine möglichst schnelle und zeitnahe Verarbeitung der Bildsequenzen zu ermöglichen wird im Anschluss an die Generierung der Referenzbildsequenz der größte zusammenhängende Bereich bestimmt, in dem Objekte bewegt werden. Dies ist der zu überwachende Bereich des Transportbandes. Andere Bereiche, in denen beispielsweise Maschinenteile bewegt werden und Menschen sich bewegen, werden nicht weiter betrachtet. Dies bewirkt zum einen die Reduktion der zu verarbeitenden Datenmenge, zum anderen ist das Verfahren damit unempfindlich gegenüber Bewegungen, die nicht in dem zu überprüfenden Bereich, also im Bereich des Transportbandes stattfinden.

Zur Ermittlung der Bildbereiche und des größten zusammenhängenden Bildbereichs, in denen Objekte bewegt werden, wird für jeden Bildpunkt aller Bilder einer Bildsequenz durch Messung des Farb- oder Grauwertes die zeitliche Varianz des Farb- oder Grauwertes ermittelt. Nur falls dieser signifikant über dem statistischen Rauschpegel liegt, wird dies als Bewegung von Objekten gewertet und der Bereich entsprechend behandelt. Bildbereiche, in denen die zeitliche Varianz von Farb- oder Grauwerten von Bildpunkten unterhalb des statistischen Rauschpegels liegt, werden für die nachfolgenden Verfahrensschritte maskiert und bleiben unberücksichtigt.

Der ermittelte größte zusammenhängende bewegte Bildbereich kann in den Referenz- und Testbildsequenzen markiert, insbesondere farbig hinterlegt werden. Dies ermöglicht bei der Anzeige der Bildsequenzen eine einfache und schnelle Kontrolle, ob dieser als relevant ermittelte Bildausschnitt zutreffend bestimmt wurde.

In vorteilhafter Weise können in einem weiteren Verfahrensschritt diejenigen Bildbereiche als nicht relevant markiert werden und damit in nachfolgenden Verfahrensschritten unberücksichtigt bleiben, in den die Farbwerte einzelner Bildpunkte zeitlich erheblich schwanken. In solchen Bildbereichen ist es nur mit unverhältnismäßig hohem Rechen- und damit Zeitaufwand möglich, die Bewegung eines Objekts und damit dessen Bewegungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Da das Überwachungssystem die Auswertung der generierten Testbildsequenzen jedoch möglichst zeitnah und damit schnell abarbeiten soll, so dass eine Anzeige oder sonstige Reaktion auf eine ermittelte Geschwindigkeitsabweichung möglichst zeitnah erfolgen kann, sind aufwendige Algorithmen zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Objekts in einem Bereich stark wechselnder Farben hier ungeeignet. Solche Bildbereiche werden demzufolge in vorteilhafter Weise als unbeachtlich für nachfolgende Verfahrensschritte markiert. Typischerweise werden solche Bereiche durch Lichtreflexionen auf den transportierten Gegenständen oder durch bewegte Oberflächen von Flüssigkeiten in transparenten Behältern verursacht.

Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die mindestens eine Kamera zur Generierung der Bilder und einen mit der Kamera verbundenen Rechner aufweist. Die Kamera kann dabei über die Verbindung zu dem Rechner so angesteuert werden, dass die Generierung der Bilder von dem Rechner ausgelöst und gesteuert und die Bilder anschließend an den Rechner übertragen werden. Alle weiteren Verarbeitungsschritte werden auf dem Rechner ausgeführt.

Das Verfahren kann dabei in einem Computerprogramm abgebildet sein, welches alle Verfahrensschritte des Verfahrens ausführen, die Generierung der Bilder in der Kamera anstoßen und die Bildeinstellungen steuern kann. Die generierten Bilder bzw. Bildsequenzen sowie ermittelte Geschwindigkeitsabweichungen können auf einem Bildschirm angezeigt werden. In den Programmablauf kann dabei jederzeit manuell eingegriffen werden. So kann beispielsweise die Auswertung der Referenzbildsequenz, insbesondere die Ermittlung des größten zusammenhängenden bewegten Bereichs, durch eine Person überprüft werden.

Die im Anschluss an die Auswertung der Referenzbildsequenz wiederholte Generierung von Testbildsequenzen und deren Auswertung erfolgen dann automatisch.

Das Computerprogramm kann dabei so ausgestaltet sein, dass während der Verarbeitung einer Testbildsequenz bereits die Bilder für die nächste Testbildsequenz generiert und zu dem Rechner übertragen werden, so dass eine zeitlich lückenlose Überwachung möglich wird.

In der Praxis hat sich als Rechner insbesondere ein tragbarer Rechner, beispielsweise ein Laptop, in Verbindung mit einer tragbaren schwarz-weiß CCD-Kamera bewährt, die zusammen als mobiles System ohne eine zeitaufwändige Installation einsetzbar sind. Insbesondere ermöglicht dieses mobile System eine Überwachung von Maschinen oder Transportbändern, die bislang noch nicht überwacht wurden oder für die eine fest installierte Überwachungsanlage zu aufwändig und deren wirtschaftlicher Nutzen damit zweifelhaft ist.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels konkreter beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Produktionslinie mit Überwachungsvorrichtung

2 eine schematische Darstellung des größten zusammenhängenden bewegten Bereichs

3 eine graphische Darstellung der ermittelten Geschwindigkeit und einer Abweichung hiervon

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Produktionslinie 1 mit dem Überwachungssystem. Die Produktionslinie weist eine erste Maschine 2 und eine zweite Maschine 3 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Abfüllmaschine 2 und eine Etikettiermaschine 3 sind. Die Abfüllmaschine 2 befüllt die Flaschen 5 mit einer Flüssigkeit. Ein Transportband 4 transportiert Objekte 5, hier transparente Flaschen 5, in der durch den Pfeil 6 angegebenen Richtung zunächst zu der Abfüllmaschine 2, anschließend zu der Etikettiermaschine 3.

Das Überwachungssystem weist eine Kamera 7 zur Generierung der Referenz- und der Testbildsequenzen auf, die mit einem Rechner 8 verbunden ist. Die Kamera 7 ist so positioniert, dass diese den zu überwachenden Abschnitt des Transportbandes 4 aus einer zu dem Transportband 4 erhöhten Position erfasst. Die generierten Bildsequenzen zeigen damit eine Aufsicht auf den zu überwachenden Teil der Produktionslinie 1 bzw. den zu überwachenden Teil des Transportbandes 4.

In diesem Ausführungsbeispiel nimmt die Kamera 7 den durch den strichliniert gezeichneten Rahmen 9 begrenzten Bereich auf, der ein Stück des Transportbandes 4 umfasst, welches Flaschen 5 von der Abfüllmaschine 2 zu der Etikettiermaschine 3 transportiert. Die von der Kamera 7 generierten Bildsequenzen bilden damit den zu überwachenden Abschnitt des Transportbandes 4 zwischen den Maschinen 2, 3 ab.

Zu Beginn des Verfahrens generiert die Kamera 7 die Bilder für die Referenzbildsequenz, die den störungsfreien und möglichst idealen Transport der Flaschen 5 wiedergibt. Die Referenzbildsequenz weist üblicherweise eine Zeitdauer von wenigen Sekunden bis zu wenigen Minuten auf, typischerweise 60 Sekunden. Für diese Zeitdauer wird durch manuelle Überprüfung sichergestellt, dass der Transport der Flaschen 5 mittels des Transportbandes 4 störungsfrei und mit möglichst idealen Parametern abläuft.

Die Kamera 7 wird dabei so eingestellt, dass sie die Bilder für die Referenzbildsequenz mit einer ausreichend hohen Bildfrequenz generiert, so dass die Bewegung der Flaschen 5, welches die hier interessierenden Objekte sind, auf dem zu überwachenden Transportband 4 anhand der Bilder eindeutig nachverfolgt werden kann. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Bildfrequenz vorzugsweise so einzustellen ist, dass sich ein Objekt um maximal 4 Bildpunkte zwischen zwei Bildern fortbewegt.

Bei üblichen Transportbändern und einer Kameraentfernung, die eine ausreichende Größe der bewegten Objekte sicher stellt, sollte die Kamera die Bildsequenzen mit mehr als 50 Bildern pro Sekunde generieren.

Weiterhin ist es ausreichend, wenn die Bildsequenzen in Schwarz-Weiß generiert werden, so dass Farben als Grauwerte abgebildet werden. Die Abbildung des zu überwachenden Bereiches in schwarz-weiß Bildern, in denen die Farben als Grauwerte erfasst werden, ergibt eine geringere Datenmenge, wobei jedoch gleichzeitig sichergestellt ist, dass die generierten Bilder einen ausreichenden Informationsgehalt aufweisen, um ein Objekt und seine jeweilige Geschwindigkeit ermitteln zu können.

Die Bilder der Referenzbildsequenz werden von der Kamera 7 an den Rechner 8 übermittelt, der die gesamte weitere Verarbeitung der Bilder übernimmt.

Der Rechner ermittelt in der Referenzbildsequenz zunächst die Bereiche, in denen irgendeine Bewegung stattfindet. Dies ist zum einen der Bereich, in dem die Flaschen 5 mittels des Transportbandes 4 bewegt werden. Zum anderen können in den Bildsequenzen bewegte Maschinenteile oder eine sich bewegende Person abgebildet sein. Die als bewegte Bildbereiche erkannten Bildausschnitte können auf dem Bildschirm des Rechners 8 sichtbar markiert dargestellt werden, so dass eine Kontrollmöglichkeit gegeben ist.

2 zeigt den durch den strichlinierten Rahmen 9 begrenzten Bildausschnitt, den die Kamera 7 aus ihrer Position aufnimmt.

Der Rechner 8 hat für alle Bilder und damit alle Bildsequenzen, die aus dieser Position der Kamera 7 generiert werden, den größten zusammenhängenden bewegten Bildbereich 10 ermittelt. Dieser Bildbereich 10 wird auf dem Bildschirm des Rechners 8 sichtbar markiert, beispielsweise durch farbige Hinterlegung des Bereichs. In 2 ist der größte zusammenhängende bewegte Bildbereich 10 durch die Schraffierung markiert.

Die Markierung dieses Bildausschnitts, den der Rechner 8 als größten zusammenhängenden bewegten Bereich 10 ermittelt hat, gilt für alle Bilder der Referenzbildsequenz und der Testbildsequenzen, so dass die Ermittlung dieses Bereiches nur einmal zu Beginn des Verfahrens anhand der Referenzbildsequenz durchgeführt werden muss.

Alle nachfolgenden Verfahrensschritte werden nur für den erkannten größten zusammenhängenden bewegten Bereich ausgeführt. Dies bewirkt, dass der Rechner 8 nur einen Teilausschnitt des Bildes und demzufolge nur einen Teil der Bilddaten verarbeiten muss, so dass die zu verarbeitende Datenmenge erheblich reduziert ist und die weitere Verarbeitung zeitnah erfolgen kann.

3 zeigt eine graphische Darstellung der ermittelten Geschwindigkeiten der transportierten Flaschen 5 in horizontaler Bildrichtung und entlang des Transportweges. Die X-Achse des Koordinatensystems gibt den Ort in X-Richtung entlang des Transportbandes 4 an. Auf der Y-Achse der Graphik ist der Wert der Geschwindigkeit in X-Richtung, also die Geschwindigkeitskomponente Vx angegeben.

Die schraffierte Linie 11 gibt die Geschwindigkeiten Vx der Flaschen 6 an, die anhand der Referenzbildsequenz ermittelt wurden. Die gesamte Länge des auf den Bildern abgebildeten Transportbandes 4 ist durch die Kurven 12a bis 12d in die Streckenabschnitte 4a bis 4e unterteilt. Auf dem ersten Streckenabschnitt 4a und den dazu parallelen Abschnitten 4c und 4e sind die Geschwindigkeiten der Flaschen 5 in der Referenzbildsequenz am größten und nahezu gleich groß. In den Kurven 12a bis 12d nimmt der Betrag der Geschwindigkeit in X-Richtung jeweils stark ab. Auf den in der Zeichnung in die Tiefe laufenden Streckenabschnitten 4b und 4d sind die Geschwindigkeiten der Flaschen 5 erheblich geringer, jedoch nicht Null, da die Kamera eine Schrägansicht dieser Streckenabschnitte erfasst.

Analog zu der Ermittlung der Geschwindigkeiten in X-Richtung erfolgt auch eine Ermittlung der Geschwindigkeiten in die hierzu senkrechte Transportrichtung, die in den Darstellungen in die Papierebene hinein läuft und hier nicht dargestellt ist.

Die Geschwindigkeiten werden dabei zeitlich gemittelt. Alternativ zu einer zeitlichen Mittelung der Geschwindigkeiten ist auch eine räumliche Mittelung denkbar, bei der die Mittelung oder die Ermittlung einer statistischen Kenngröße über einen um einen zu betrachtenden Bildpunkt herum festgelegten Bildbereich stattfindet. In einer weiteren Alternative könnte eine raumzeitliche Mittelung erfolgen, in dem mehrere aufeinander folgende Bilder einer Sequenz und von diesen jeweils ein Bildbereich um einen zu betrachtenden Bildpunkt zur Ermittlung der statistischen Kenngröße herangezogen wird.

Anstelle einer solchen statistischen Kenngröße erster Ordnung, also einer zeitlichen Mittelung des Geschwindigkeitswertes, können auch statistische Kenngrößen höherer Ordnung, beispielsweise die Standardabweichung oder Varianz, oder statistische Kenngrößen von dritter oder noch höher Ordnung als Bezugswert für die Feststellung einer Abweichung vom Idealfall herangezogen werden. Der Einfachheit halber wird jedoch im Folgenden die Erfindung anhand von Geschwindigkeitsabweichungen erläutert.

Die so anhand der Referenzbildsequenz ermittelten Geschwindigkeiten werden gespeichert und dienen für die nachfolgend zu generierenden Testbildsequenzen als Referenzwerte.

Nachdem die Referenzgeschwindigkeitswerte in X- und Y-Richtung jeweils aus der Referenzbildsequenz ermittelt wurden, können nachfolgend die Testbildsequenzen generiert und ausgewertet werden. Zur Überwachung des normalen Betriebes des Transportbandes werden daher nun Testbildsequenzen generiert, die das Transportband während des Normalbetriebes zeigen. Anhand der Testbildsequenzen sollen die Störungen frühzeitig erkannt werden.

Die Testbildsequenzen werden mit den gleichen Kameraeinstellungen und aus der gleichen Position wie die Referenzsequenz generiert, so dass die Testbildsequenzen mit der Referenzbildsequenz vergleichbar sind. Eine Testbildsequenz weist dabei eine Zeitdauer von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten auf, wobei die Zeitdauer der Testbildsequenz von der Dauer der Referenzbildsequenz abweichen kann. Die Testbildsequenzen schließen zeitlich lückenlos aneinander an, so dass während der Überwachung der zu überwachende Bereich ohne Unterbrechung überwacht wird.

Anhand der Testbildsequenzen werden anschließend die Geschwindigkeiten der Flaschen 5 entlang des Transportweges ermittelt. Vorzugsweise werden die Geschwindigkeiten bzw. die Geschwindigkeitskomponenten mit dem selben Algorithmus ermittelt, der für die Auswertung der Referenzbildsequenz benutzt wurde, so dass Abweichungen in Geschwindigkeitswerten aufgrund unterschiedlicher Bestimmungsverfahren auszuschließen sind.

Die für eine Testbildsequenz ermittelten Geschwindigkeiten werden dann mit denen der Referenzbildsequenz verglichen, um Abweichungen aufzudecken.

Eine ermittelte Geschwindigkeitsabweichung ist in 3 als massive Linie 13 eingezeichnet. Diese zeigt an, dass die Geschwindigkeit der Flaschen 5 in X-Richtung vor der Kurve 12d und auf dem nachfolgenden Transportbandabschnitt 4e geringer ist als die Referenzgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Flaschen 5 ab dem Ort vor der Richtungsänderung 12d langsamer zu der Etikettiermaschine 2 transportiert werden als in der Referenzbildsequenz. Da jedoch in den davor liegenden Streckenabschnitten die Flaschen 5 mit der Referenzgeschwindigkeit bis zu dem Ort transportiert werden, ab dem die Transportgeschwindigkeit geringer ist, stauen sich die Flaschen vor der Richtungsänderung 12d des Transportbandes 4. Als weitere Folge eines solchen Staus der Flaschen 5 können diese sich beispielsweise verklemmen oder umfallen und dadurch eine Störung in der Produktionslinie 1 auslösen.

Die Geschwindigkeiten per se sowie die Abweichungen der Geschwindigkeiten müssen dabei nicht in eine physikalische Einheit umgerechnet werden. Für den Vergleich der Geschwindigkeiten ist die absolute Größe der Geschwindigkeiten unerheblich. Daher können sowohl die Geschwindigkeiten selbst als auch die Abweichungen in der Pseudoeinheit „Pixel zwischen aufeinanderfolgenden Bildern" angegeben werden. Diese vereinfachte Betrachtung der Geschwindigkeiten sowie der Abweichungen vereinfacht die Auswertung der Bildsequenzen erheblich und verringert damit den zur Auswertung notwendigen Rechenaufwand.

Eine solche Abweichung in der Geschwindigkeit kann beispielsweise dadurch entstehen, dass die Flaschen an einer Stelle des Transportbandes 4 an einer Führungsschiene entlang reiben und dadurch gebremst werden.

Eine weitere mögliche Quelle für eine Geschwindigkeitsabweichung kann beispielsweise eine Übergabestation sein, die die Objekte von einem ersten auf ein zweites Transportband setzt. Eine solche Station kann beispielsweise im Wesentlichen als rotierende Scheibe ausgebildet sein, auf der die Objekte aufgesetzt werden und ein Stück weit rotierend transportiert werden, um auf das zweite Transportband aufgesetzt zu werden. Weicht die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe von dem Idealwert ab, so werden dadurch die Flaschen beispielsweise an einem Rand des zweiten Transportbandes platziert. Diese vom Idealzustand abweichende Position einer Flasche 5 auf einem Transportband 4 kann beispielsweise das Berühren einer Führungsschiene verursachen, was die Flasche bremsen könnte oder nicht zu der von einer weiterverarbeitenden Maschine erwarteten Position der Flasche 5 passen, so dass hierdurch Störungen bewirkt würden. Die nicht ideale Position der Flasche auf dem zweiten Transportband kann damit zum einen eine Folge einer Geschwindigkeitsabweichung sein, zum anderen auch Auslöser einer – weiteren – Geschwindigkeitsabweichung sein.

Der Vergleich der Geschwindigkeiten der Flaschen 5 aus den Testbildsequenzen mit denjenigen aus der Referenzbildsequenz über die beobachtete Transportstrecke ermöglicht so die genaue Bestimmung aller Orte, an denen die Geschwindigkeiten voneinander abweichen. Insbesondere kann so der Ort bestimmt werden, an dem die Geschwindigkeit eines Objekts erstmalig von der Referenzgeschwindigkeit abweicht und an dem somit die Kette nachfolgender Abweichungen und Störungen beginnt.

Testbildsequenzen, die eine Abweichung der Geschwindigkeiten von den Referenzgeschwindigkeiten aufweisen, werden auf einem Datenträger dauerhaft gespeichert, so dass diese dauerhaft zur Verfügung stehen. Diejenigen Testbildsequenzen, bei denen keine Geschwindigkeitsabweichung festgestellt wurde, werden gelöscht oder nicht gespeichert, da diese nur den störungsfreien Betrieb zeigen und somit keine relevante Information liefern. Da eine Testbildsequenz wenige Sekunden bis zu einigen Minuten dauert, wird somit das zu speichernde Datenvolumen begrenzt.

Gespeicherte Referenzbildsequenzen können zu einem späteren Zeitpunkt wieder in den Rechner geladen werden und für weitere Testbildsequenzen, die möglicherweise erheblich später generiert werden, als Vergleich dienen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Testbildsequenzen mit den Kameraeinstellungen erstellt werden, mit denen die Referenzbildsequenz erstellt wurde. Auf diese Weise kann eine Referenzbildsequenz nach einer längeren Zeit, beispielsweise einigen Tagen, Wochen oder Monaten, wieder als Referenz dienen, um beispielsweise die Änderungen der Geschwindigkeitswerte einer Produktionslinie 1 zwischen zwei vergleichsweise lang auseinanderliegen Zeitpunkten zu ermitteln. Beispielsweise kann so für eine ununterbrochen laufende Produktionslinie 1 ermittelt werden, ob und gegebenenfalls welche Geschwindigkeitsänderungen feststellbar sind, wenn diese über einen langen Zeitraum betrieben wird.

Das Verfahren ermöglicht damit eine permanente Überwachung einer Produktionslinie oder eines Abschnitts davon, wobei der Zeitpunkt und der Ort der ersten Abweichung ermittelt und als Bildsequenz gespeichert werden. Weiterhin können im Falle einer erkannten Störung weitere Maßnahmen ausgelöst werden. Beispielsweise kann der Rechner mit einem Leitsystem, welches die Produktionslinie 1 steuert, verbunden sein, so dass in diesem ein Alarm ausgelöst oder die Maschinen der Produktionslinie direkt beeinflusst werden können.


Anspruch[de]
Verfahren zur Überwachung einer Produktionslinie (1), bei der Objekte (5) über Transportwege (4) zwischen Maschinen (2, 3) transportiert werden, mit folgenden Verfahrensschritten:

(a) Generieren einer Referenzbildsequenz, wobei diese mindestens einen Bereich eines zu überwachenden Transportwegs (4) zwischen Maschinen (2, 3) abbildet;

(b) Ermitteln einer von der Bewegung eines zwischen den Maschinen (2, 3) transportierten Objektes (5) abgeleiteten statistischen Kenngröße;

(c) Generieren einer Testbildsequenz, wobei diese denselben Bereich eines Transportwegs (4) zwischen den Maschinen (2, 3) abbildet;

(d) Ermitteln der von der Bewegung eines Objekts (5) abgeleiteten statistischen Kenngröße für mindestens eines der in der Testbildsequenz abgebildeten Objekte (5);

(e) Vergleichen der für die Testbildsequenz ermittelten statistischen Kenngröße mit der für die Referenzbildsequenz ermittelten statistischen Kenngröße.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von der Bewegung eines Objekts (5) abgeleitete statistische Kenngröße die Geschwindigkeit des Objekts ist. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die statistische Kenngröße für jeden Ort des Transportwegs (4) ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die statistische Kenngröße für jedes der in der Testbildsequenz abgebildeten Objekte (5) ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Abweichung der statistischen Kenngröße nur dann als Abweichung bewertet wird, wenn die Abweichung einen voreingestellten Grenzwert überschreitet. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Testbildsequenz jeder Ort markiert wird, an dem eine Abweichung der statistischen Kenngröße zwischen den Objekten (5) der Test- und der Referenzbildsequenz ermittelt wurde. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die ermittelte Kenngrößenabweichung in ihrer X-Achsenkomponente und ihrer Y-Achsenkomponente dargestellt wird. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Ort einer ermittelten Kenngrößenabweichung in der Testbildsequenz farbig markiert wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Testbildsequenz gespeichert wird, falls eine Kenngrößenabweichung zwischen Testbildsequenz und Referenzbildsequenz ermittelt wurde. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt aufweist, dass im Anschluss an die Generierung der Referenzbildsequenz in dieser der größte zusammenhängende bewegte Bildbereich (10) ermittelt wird und nachfolgende Verfahrensschritte ausschließlich für diesen Bildbereich ausgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der ermittelte größte zusammenhängende bewegte Bildbereich (10) in den Referenz- und Testbildsequenzen sichtbar markiert wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der ermittelte Bildbereich (10) in der Referenz- und den Testbildsequenzen farbig hinterlegt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für die Referenz- und die Testbildsequenz Bildbereiche ermittelt und in den weiteren Verfahrensschritten unberücksichtigt bleiben, in denen die Farbwerte von Bildpunkten zeitlich starke Schwankungen aufweisen. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Ermittlung der Geschwindigkeiten der transportierten Objekte (5) jeweils für jeden Ort ein Mittelwert gebildet wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Referenz- und Testbildsequenzen aus einer gegenüber der Transportstrecke (4) erhöhten Aufnahmeposition generiert wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Referenz- und die Testbildsequenzen mittels einer Digitalkamera (7) und aus der gleichen Kameraposition generiert werden. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Kameraposition und die Kameraeinstellungen so gewählt werden, dass die transportierten Objekte (5) im störungsfreien Betrieb zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern eine Verschiebung aufgrund ihrer Bewegung von maximal 4 Bildpunkten aufweisen. Vorrichtung zur Überwachung einer Produktionslinie (1) mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung mindestens aufweist:

(a) Mittel (7) zum Generieren von Bildsequenzen, welche den zu überwachenden Transportweg (4) abbilden;

(b) einen Rechner (8) zum Ermitteln und Vergleichen von statistischen Kenngrößen, die von der Bewegung der Objekte (5) durch Auswertung der Bildsequenzen abgeleitet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Mittel (7) zum Generieren der Bildsequenzen eine Digitalkamera und der Rechner (8) ein tragbarer Computer ist. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 17 oder 18, wobei die Vorrichtung zur Übertragung von Steuersignalen mit einem Steuergerät der Produktionslinie (1) verbunden ist.






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