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Die Erfindung bezieht sich auf eine industrielle Steuerung, die mehrere Peripherieeinheiten mit Sensor-/Aktorelementen aufweist, welche für einen Datenverkehr mit einer zentralen Steuereinheit über Schnittstellen in Verbindung stehen.
Bei Anlagensteuerungen über ein Funknetz liegt das Hauptproblem bei der Anbindung von si- cherheitsrelevanten und/oder zeitkritischen Sensoren und Aktoren an eine zentrale Steuerung nicht in der Datenintegrität, da diese durch entsprechende Datensicherungsverfahren gewährleistet werden kann, sondern in der zeitlichen Verzögerung, welche letztlich auch durch die verwendeten Codierverfahren bedingt ist.
In industrieller Umgebung mit ständig wechselnden oder bewegten Objekten kann ein Übertra- gungsweg, d. h. der Weg zwischen einer Antenne der zentralen Steuerung und einer Antenne der peripheren Einheit vorübergehend blockiert werden, wobei die Datenübertragung so nachhaltig unterbrochen oder gestört wird, dass auch eine Forward-Error-Correction versagt und eine noch- malige Datenanfrage über ARQ durchgeführt wird. Auch wenn nach dieser Anfrage die Daten korrekt übertragen werden, so erhöht sich dennoch, vor allem in problematischen Empfangslagen, die mittlere Übertragungsdauer deutlich, so dass man davon Abstand genommen hat, Funknetze bei zeitkritischen und sicherheitsrelevanten Informationsübertragungen in der industriellen Steue- rungstechnik zu verwenden.
Sofern es nur um den Übertragungsweg zwischen einer zentralen Steuerung und einer einzi- gen peripheren Einheit geht, könnte man z. B. bei der zentralen Steuerung mehr als eine Antenne verwenden, d. h. mit einem Antennen-Diversity-Verfahren arbeiten, um zwei unterschiedliche Funkwege zu erhalten. Diese Lösung ist jedoch bei industriellen Steuerungen, wo oft eine grosse Anzahl von peripheren Einheiten benötigt wird, nicht oder nur mit grossem Aufwand und entsprechenden Kosten anzuwenden.
Die WO 92/13121 A1 beschreibt eine Spinnereianlage und deren Betrieb, wobei zwischen ei- nem Prozessleitrechner und verschiedenen Maschinensteuerungen ein Netzwerk vorgesehen ist.
Von dem Prozessleitrechner werden Steuerbefehle über das Netzwerk an die Maschinensteuerun- gen geleitet, welche erforderlichenfalls die Steuerbefehle in Steuersignale umwandeln. -Es kann auch ein zweites zusätzliches Netzwerk vorgesehen sein, doch sind über die Natur der Netzwerke keine anderen Aussagen getroffen, als dass eine Anbindung an das Netzwerk über ein Koaxialka- bel oder Lichtleiter erfolgen kann.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, eine industrielle Steuerung zu schaffen, bei wel- cher nicht nur eine sichere, sondern auch eine rasche Datenübertragung über Funk ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird mit einer industriellen Steuerung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäss jede Peripherieeinheit eine periphere Sende-/Empfangseinheit aufweist, der zentralen Steuereinheit zumindest zwei Funkeinheiten zugeordnet sind, deren Antennen eine unterschiedliche räumliche Aufstellung und/oder Ausrichtung aufweisen, der Datenverkehr zwi- schen Peripherieeinheiten und zentraler Steuereinheit über Funkschnittstellen zwischen den Sen- de-/Empfangseinheiten und den Funkeinheiten erfolgt, wobei für zumindest eine Peripherieeinheit eine Funkverbindung mit zumindest zwei Funkeinheiten ermöglicht ist, und diefunkverbindung ein den Verkehr der Funkeinheiten untereinander und deren Zugriff regelndes Protokoll aufweist.
Dank der Erfindung kann auch bei einer grösseren Anzahl von peripheren Einheiten mit gerin- gem Aufwand und bausteinartig eine Steuerung geschaffen werden, die nicht nur in bekannter Weise eine sichere Datenübertragung gestattet, sondern die auch den Anforderungen an eine rasche Datenübertragung genügt. Dies ist insbesondere dort von Vorteil, wo in ein laufendes Verfahren im Bedarfsfall rasch eingegriffen werden muss, z. B. falls ein Notstop auf einer Ferti- gungsstrasse erforderlich wird.
Zweckmässige Varianten der Erfindung sind durch ein FEC-Datensicherungsverfahren des Funksystems und/oder durch ein ARQ-Verfahren bei dem Funksystem gekennzeichnet. Derartige an sich bekannte Verfahren der Datensicherung haben sich gerade bei industriellen Steuerungen bewährt.
Der Zugriff der Funkeinheiten über ein Protokoll wird erleichtert, wenn das Funksystem nach einem an sich bekannten Zeit- und/oder Frequenz-Division-Verfahren arbeitet.
Im Sinne eines flexiblen und auch wechselnden Gegebenheiten anpassbaren Aufbaus des Funksystems ist es zweckmässig, wenn die Peripherieeinheiten nach Sicherheitskriterien klassifi- ziert sind, wobei für höher eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit zumindest zwei
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Funkeinheiten, für tief eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit lediglich einer Funk- einheit ermöglicht sind. Durch diese Klassifikation ist es möglich, lediglich jenen Peripherieeinhei- ten, an die zeitkritische Anforderungen gestellt werden, zumindest zwei Funkeinheiten zuzuordnen, für andere Peripherieeinheiten jedoch lediglich eine einzige Furikeinheit vorzusehen und dadurch Kosten zu sparen. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Klassifizierung der Peripherieeinheiten in einer Speicherliste der zentralen Steuereinheit abgelegt ist.
Den Anforderungen in industrieller Umgebung, auch hinsichtlich der Flexibilität wird genüge ge- tan, falls die Funkeinheiten und die zentrale Steuerung an einem seriellen Bus liegen.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden anhand einer beispielsweisen Ausfüh- rungsform näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. Diese zeigt schematisch eine industrielle Steuerung mit einer zentralen Steuereinheit, mehreren Peripherieeinheiten und Funk- einheiten.
In der Zeichnung sind sechs periphere Einheiten PE1... PE6 dargestellt, die beispielsweise im Zuge einer Produktionsstrasse, verschiedene Parameter überwachen sollen, wie z. B. Förderge- schwindigkeit, Oberflächentemperaturen, Stückzahlen etc. Die peripheren Einheiten können eben- so dazu eingerichtet sein, in Produktionsabläufe einzugreifen, z. B. zu bremsen, zu stoppen, Ge- genstände zu erfassen oder zu entfernen etc. Daher besitzt jede periphere Einheit PE1... PE6 ein Sensor-/Aktorelement SA1... SA6.
Eine zentrale Steuerung ZST soll in bekannter Weise einerseits Daten von Sensoren empfan- gen bzw. aufgrund dieser Daten und anderer vorgegebener Produktionsabläufe über Aktoren in das Geschehen eingreifen. Zu diesem Zweck ist eine zentrale Steuerung nach dem Stand der Technik über Kabel mit den entsprechenden peripheren Einheiten verbunden. Der Begriff zentrale Steuerung ist hinsichtlich des Zusatzes zentral" nicht eng zu sehen, d. h. die Steuerung kann de facto auch auf mehrere Elemente aufgeteilt sein. Jedenfalls ist nun im Sinne der Erfindung vorge- sehen, dass der Datenverkehr zwischen zentraler Steuerung und peripheren Elementen über Funkschnittstellen abläuft, wozu einerseits jede periphere Einheit PE1... PE6 eine Antenne PA1...
PA6 aufweist und mehrere, im vorliegenden Fall vier Funkeinheiten FE1... FE4 vorgesehen sind, die über einen seriellen Bus SBU mit der zentralen Steuereinheit ZST verbunden sind. Jede Funk- einheit FE1... FE4 besitzt eine Antenne ZA1 ...ZA4.
Wesentlich für die Erfindung ist nun, dass für ausgewählte oder alle peripheren Einheiten eine Funkverbindung nicht nur mit einer Funkeinheit, sondern mit zumindest zwei Funkeinheiten vorge- sehen ist. Im vorliegenden Fall können die peripheren Einheiten PE3, PE4 und PE5 Funkverkehr zu jeweils zwei Funkeinheiten unterhalten, nämlich die periphere Einheit PE3 mit den Funkeinhei- ten FE2 und FE3, und die peripheren Einheiten PE4 und PE5 mit den Funkeinheiten FE3 und FE4.
Der Funkverkehr erfolgt über ein Funksystem mit einem Protokoll, welches den Verkehr der Funkeinheiten FE1... FE4 untereinander ermöglicht, wobei der Zugriff der Funkeinheiten über ein Protokollelement geregelt ist. Zweckmässiger Weise wird ein Zeit- und/oder Frequenz-Division- Verfahren angewendet, wobei in bekannter Weise fehlerkorrigierende Codes verwendet werden, z.
B. ein FEC (Forward Error Correction)-Verfahren, gegebenenfalls gekoppelt mit einem ARQ (Au- tomatic Request)-Verfahren, so dass die Datenintegrität prinzipiell gesichert ist.
Da üblicherweise Frequenzen zur Anwendung kommen, die im Wesentlichen eine freie Sichtli- nie zwischen den jeweiligen Antennen erfordern, z. B. 2,4 GHz, kann es aufgrund von Abschattun- gen durch bewegte Objekte, mehrfache Flexionen etc. zu einer kritischen Verschlechterung eines Funkweges oder zu dessen Ausfall kommen. In der Zeichnung ist dies angedeutet durch ein be- wegtes Objekt BEO, dass zwischen die Antenne PA3 der peripheren Einheit PE3 und die Antenne ZA3 der Funkeinheit FE3 gelangt. Wie ersichtlich befindet sich jedoch die Antenne PA3 der peri- pheren Einheit PE3 auch in Reichweite der Funkeinheit FE2 bzw. deren Antenne ZA2. Die einzel- nen "Funkzellen" sind hier der Einfachheit halber kreisförmig gezeigt, doch es versteht sich, dass man die Antennen ZA1...
ZA4 den Gegebenheiten entsprechend unterschiedlich räumlich anord- nen wird bzw. deren Ausrichtung an die Gegebenheiten anpassen wird.
Natürlich muss durch das verwendete Protokoll gesichert sein, dass die einzelnen Funkeinhei- ten miteinander verkehren können und erreicht wird, dass z. B. diese Funkeinheiten zeit- oder frequenzversetzt senden.
Weiters muss natürlich der Fall in Betracht gezogen werden, dass die von einer peripheren Einheit, z. B. der Einheit PE4 ausgesandten Daten gleichzeitig zu mindestens zwei Funkeinheiten,
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hier den Funkeinheiten FE3 und FE4 gelangen, sodass gesichert sein muss, dass bei Empfang dieser Daten durch eine der beiden Funkeinheiten, die andere Einheit sodann die Information als überflüssig verwirft.
Die Peripherieeinheiten PE1... PE6 können nach Sicherheitskriterien klassifiziert werden, wo- bei hier insbesondere zeitkritische Elemente eine Rolle spielen. Man sieht dann vor, dass für höher eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit zumindest zwei physikalisch getrennten Funkwegen vorgesehen sind, für tiefer eingestufte Peripherieeinheiten jedoch lediglich ein Funk- weg mit je einer Funkeinheit, im vorliegenden Fall gilt dies für die peripheren Einheiten PE1, PE2 und PE6. Diese Klassifizierung wird zweckmässiger Weise in einer Speicherliste der zentralen Steuereinheit ZST abgelegt und kann dort auch leicht modifiziert werden, wenn dies geänderte Verhältnisse, z. B. der Umbau einer Produktionstrasse, erfordern.
Als Funksystem eignet sich, wie bereits erwähnt, beispielsweise ein solches, welches ein Time- Division-Verfahren verwendet, etwa das unter dem Namen "Bluetooth" bekannt gewordene Sys- tem, welches näher beschrieben ist, z. B. in "Bluetooth Core Specification", Version 1. 1 Bei diesem System muss allerdings im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass die einzelnen Untereinhei- ten, d. h. hier die Funkeinheiten FE1... FE4, die man auch #Master" nennen kann, im Gegensatz zu den "Slaves", nämlich den Sende-/Empfangseinheiten SE1... SE6 über ein gemeinsames Binde- glied, nämlich das entsprechende Protokollelement (bei Bluetooth: #Scatternet"), miteinander kommunizieren können.
Durch diese Fähigkeit ist es möglich, zwischen peripheren Einheiten und den Funkeinheiten, die der zentralen Steuerung zugeordnet sind, zumindest je zwei physikalische Funkpfade aufrecht zu erhalten, wobei durch Störung eines Funkpfades, z. B. durch Fading, keine für das System untragbare Verzögerung durch beispielsweise eine Rückfrage entsteht, da die Daten dann auf den anderen Funkpfad übertragen und sofort weitergeleitet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Industrielle Steuerung, die mehrere Peripherieeinheiten (PE1... PE6) mit Sensor-/Aktor- elementen (SA1... SA6) aufweist, welche für einen Datenverkehr mit einer zentralen Steu- ereinheit (ZST) über Schnittstellen und ein Funknetz in Verbindung stehen, dadurch ge- kennzeichnet, dass jede Peripherieeinheit (PE1... PE6) eine periphere Sende-/Empfangseinheit-(SE1... SE6) aufweist, der zentralen Steuereinheit (ZST) zumindest zwei Funkeinheiten (FE1... FE4) zugeordnet sind, deren Antennen (ZA1...
ZA4) eine unterschiedliche räumliche Aufstellung und/oder
Ausrichtung aufweisen, der Datenverkehr zwischen Peripherieeinheiten und zentraler Steuereinheit über Funk- schnittstellen zwischen den Sende-/Empfangseinheiten und den Funkeinheiten erfolgt, wobei für zumindest eine Peripherieeinheit (PE3, PE4, PE5) eine Funkverbindung mit zu- mindest zwei Funkeinheiten (FE2, FE3; FE3, FE4) ermöglicht ist, und die Funkverbindung ein den Verkehr der Funkeinheiten (FE1... FE4) untereinander und deren Zugriff regelndes
Protokoll aufweist.
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The invention relates to an industrial control system which has a plurality of peripheral units with sensor / actuator elements which are connected to a central control unit via interfaces for data traffic.
In the case of system controls via a radio network, the main problem with the connection of safety-relevant and / or time-critical sensors and actuators to a central control system is not the data integrity, since this can be guaranteed by appropriate data backup methods, but rather the time delay, which ultimately also results from the coding method used is conditional.
In an industrial environment with constantly changing or moving objects, a transmission path, i. H. the path between an antenna of the central control and an antenna of the peripheral unit are temporarily blocked, the data transmission being interrupted or disturbed so sustainably that a forward error correction fails and a renewed data request via ARQ is carried out. Even if the data are transmitted correctly after this request, the mean transmission time increases significantly, especially in problematic reception situations, so that there is no need to use radio networks for time-critical and security-relevant information transmissions in industrial control technology.
If it is only a question of the transmission path between a central controller and a single peripheral unit, one could e.g. B. use more than one antenna in the central controller, d. H. work with an antenna diversity method to obtain two different radio paths. However, this solution cannot be used in industrial controls, where a large number of peripheral units is often required, or can only be used with great effort and corresponding costs.
WO 92/13121 A1 describes a spinning plant and its operation, a network being provided between a process control computer and various machine controls.
Control commands are sent from the process control computer via the network to the machine controls, which, if necessary, convert the control commands into control signals. A second additional network can also be provided, but no other statements have been made regarding the nature of the networks than that a connection to the network can be made via a coaxial cable or light guide.
It is therefore an object of the invention to provide an industrial control in which not only safe but also rapid data transmission via radio is made possible.
This object is achieved with an industrial control of the type mentioned in the introduction, in which, according to the invention, each peripheral unit has a peripheral transmitting / receiving unit, the central control unit is assigned at least two radio units, the antennas of which have a different spatial arrangement and / or orientation, the data traffic between The peripheral units and the central control unit take place via radio interfaces between the transmitting / receiving units and the radio units, a radio connection with at least two radio units being made possible for at least one peripheral unit, and the radio connection having a protocol regulating the traffic between the radio units and their access.
Thanks to the invention, even with a large number of peripheral units, a control can be created with little effort and in a modular manner, which not only permits secure data transmission in a known manner, but also meets the requirements for rapid data transmission. This is particularly advantageous wherever an ongoing procedure needs to be intervened quickly, e.g. B. if an emergency stop on a production line becomes necessary.
Appropriate variants of the invention are characterized by an FEC data backup method of the radio system and / or by an ARQ method in the radio system. Such methods of data backup, which are known per se, have proven themselves particularly in industrial control systems.
Access to the radio units via a protocol is facilitated if the radio system operates according to a time and / or frequency division method known per se.
In terms of a flexible and also adaptable structure of the radio system, it is expedient if the peripheral units are classified according to security criteria, with radio connections with at least two being classified for higher peripheral units
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Radio units, for deeply classified peripheral units, radio connections with only one radio unit are possible. This classification makes it possible to assign at least two radio units to only those peripheral units to which time-critical requirements are imposed, but to provide only a single furik unit for other peripheral units, thereby saving costs. It is advantageous if the classification of the peripheral units is stored in a memory list of the central control unit.
The requirements in an industrial environment, including flexibility, will be met if the radio units and the central control are on a serial bus.
The invention and further advantages are explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment which is illustrated in the drawing. This shows schematically an industrial control with a central control unit, several peripheral units and radio units.
In the drawing, six peripheral units PE1 ... PE6 are shown, which are to monitor various parameters, for example in the course of a production line, such as. B. conveyor speed, surface temperatures, quantities, etc. The peripheral units can also be set up to intervene in production processes, eg. B. braking, stopping, detecting or removing objects etc. Therefore, each peripheral unit PE1 ... PE6 has a sensor / actuator element SA1 ... SA6.
A central control ZST is intended to receive data from sensors in a known manner or to intervene in the process on the basis of this data and other predetermined production processes via actuators. For this purpose, a central control according to the prior art is connected to the corresponding peripheral units via cables. The term "central control" should not be viewed narrowly with regard to the addition "central", ie the control can in fact also be divided into several elements. In any case, in the sense of the invention it is now provided that the data traffic between the central control and peripheral elements via radio interfaces takes place, on the one hand each peripheral unit PE1 ... PE6 an antenna PA1 ...
PA6 and several, in the present case four radio units FE1 ... FE4 are provided, which are connected to the central control unit ZST via a serial bus SBU. Each FE1 ... FE4 radio unit has an antenna ZA1 ... ZA4.
It is essential for the invention that a radio connection is provided not only with one radio unit but with at least two radio units for selected or all peripheral units. In the present case, the peripheral units PE3, PE4 and PE5 can maintain radio traffic to two radio units each, namely the peripheral unit PE3 with the radio units FE2 and FE3, and the peripheral units PE4 and PE5 with the radio units FE3 and FE4.
The radio traffic takes place via a radio system with a protocol which enables the radio units FE1 ... FE4 to communicate with one another, the access of the radio units being regulated via a protocol element. A time and / or frequency division method is expediently used, error-correcting codes being used in a known manner, e.g.
B. an FEC (Forward Error Correction) method, possibly coupled with an ARQ (Automatic Request) method, so that the data integrity is ensured in principle.
Since frequencies are usually used which essentially require a clear line of sight between the respective antennas, e.g. B. 2.4 GHz, shadowing caused by moving objects, multiple flexions, etc. can lead to a critical deterioration of a radio path or its failure. In the drawing, this is indicated by a moving object BEO that passes between the antenna PA3 of the peripheral unit PE3 and the antenna ZA3 of the radio unit FE3. As can be seen, however, the antenna PA3 of the peripheral unit PE3 is also within range of the radio unit FE2 or its antenna ZA2. The individual "radio cells" are shown in a circle for the sake of simplicity, but it goes without saying that the antennas ZA1 ...
ZA4 will be arranged differently according to the circumstances or its alignment will be adapted to the circumstances.
Of course, the protocol used must ensure that the individual radio units can communicate with each other and that, for example, B. send these radio units with a time or frequency offset.
Furthermore, of course, the case must be taken into account that the from a peripheral unit, for. B. data sent to the unit PE4 simultaneously to at least two radio units,
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here the radio units FE3 and FE4 arrive, so it must be ensured that when this data is received by one of the two radio units, the other unit then discards the information as superfluous.
The peripheral units PE1 ... PE6 can be classified according to safety criteria, with time-critical elements in particular playing a role here. It is then provided that radio connections with at least two physically separate radio paths are provided for higher classified peripheral units, but only one radio path with one radio unit each for lower classified peripheral units, in the present case this applies to peripheral units PE1, PE2 and PE6. This classification is expediently stored in a memory list of the central control unit ZST and can also be easily modified there if this changes conditions, e.g. B. the conversion of a production line, require.
As already mentioned, a suitable radio system is, for example, one which uses a time division method, for example the system which has become known under the name "Bluetooth" and is described in more detail, eg. B. in "Bluetooth Core Specification", Version 1. 1 In this system, however, it must be provided in the sense of the invention that the individual sub-units, i. H. here the radio units FE1 ... FE4, which can also be called "master", in contrast to the "slaves", namely the transmitter / receiver units SE1 ... SE6 via a common link, namely the corresponding protocol element ( with Bluetooth: # Scatternet "), can communicate with each other.
This capability makes it possible to maintain at least two physical radio paths between peripheral units and the radio units that are assigned to the central controller, with interference from a radio path, e.g. B. by fading, there is no intolerable delay due to, for example, a query, since the data is then transferred to the other radio path and forwarded immediately.
PATENT CLAIMS:
1. Industrial control, which has several peripheral units (PE1 ... PE6) with sensor / actuator elements (SA1 ... SA6), which are used for data traffic with a central control unit (ZST) via interfaces and a radio network Connected, characterized in that each peripheral unit (PE1 ... PE6) has a peripheral transmitter / receiver unit (SE1 ... SE6), the central control unit (ZST) at least two radio units (FE1 ... FE4) are assigned, whose antennas (ZA1 ...
ZA4) a different spatial layout and / or
Alignment, the data traffic between peripheral units and central control unit takes place via radio interfaces between the transceiver units and the radio units, with at least one peripheral unit (PE3, PE4, PE5) having a radio connection with at least two radio units (FE2, FE3; FE3, FE4) is enabled, and the radio connection regulates the traffic of the radio units (FE1 ... FE4) with one another and their access
Has protocol.