CN102681647A - 用于匹配工业自动化部件的微处理器的时钟频率的方法，和相应的自动化部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于匹配在工业的自动化装置中的微处理器(CPU)的时钟频率(T)的一种方法和一种自动化部件，其中根据需要的计算能力来选择微处理器(CPU)的时钟频率(T)。在此，在第一步骤中，检测执行在自动化部件上运行的控制程序的主程序循环所需要的持续时间(LZ)，在第二步骤中，将该持续时间(LZ)与最大值(PD)相比较并且在第三步骤中根据比较结果得出新的时钟频率(T)并将其应用于微处理器(CPU)。通过该方法和该自动化部件可能的是，动态地匹配微处理器(CPU)的时钟频率(LZ)，其中一方面始终提供所必需的计算能力，另一方面避免过高的时钟频率(T)，由此能够实现相应地节约能源或者减小损耗功率。

Description

用于匹配工业自动化部件的微处理器的时钟频率的方法,和相应的自动化部件
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于匹配工业自动化部件的微处理器的时钟频率的方法，以及一种根据权利要求9的前序部分所述的自动化部件。 
背景技术
在工业自动化装置中大多使多个自动化部件工作，这些自动化部件经常还被称为可编程控制器(SPS)或者“CPU”等，其中其在此通常为微处理器控制的计算单元，其通过简称为IO’s的传感器和执行器来控制生产过程或者其他的自动化任务。在常用的自动化装置中大多使用多个微处理器控制的自动化部件，使得这些自动化部件、即控制器的能量需求占自动化装置的整个能量需求的极大的部分。为了尽可能大地降低自动化装置的电功率消耗，因此不仅考虑或者优化电动机、加热器、照明装置等，还应该尽可能大地降低控制器、即微处理器控制的自动化部件的能量需求。 
因此例如通常的是，在工作间歇或者在暂时未使用的设备部分的情况下关断不需要的控制器和因此关断自动化部件。在此，从个人计算机领域已知的“休止状态”或者“待机模式”的状态越来越多地用于自动化部件，也就是说，关断微处理器并且仅为工作存储器供给能量(待机模式)，或者，将工作存储器内容暂时地保存在硬盘等等上，然后同样地使微处理器和整个“主板”不工作(休止状态)。然而由于可用性，这些方法远未在全部的自动化装置中使用。 
微处理器的功率消耗(能量需求)在第一近似情况中可以被假设为与时钟频率成比例，借助所述时钟频率使得微处理器工作(系统时钟)。因此在个人计算机中，尤其在电池或者蓄电池驱动的设备(例如便携式计算机)中已知的是根据所需要的计算能力来选择微处理器的时钟频 率，其中在空闲状态中降低时钟频率，而在复杂任务的处理中提高时钟频率，由此再次提高了功率消耗和损耗功率。在所描述的个人计算机中，该功能性由芯片制造商设置并且通过相应的操作系统来控制。然而缺点是，特别在从低时钟频率切换到更高时钟频率时会出现延迟，所述延迟尽管在个人计算机中通常被容忍，然而其在通常要求所谓的“实时操作”的工业自动化装置中是不可容忍的。此外，操作系统以及尤其存储器可编程的控制器和其他的自动化部件的应用程序通常构建为使得不出现空闲状态。这基于下述理由，即在(尽可能快地)执行循环之后无延迟地开始下一个循环，使得没有出现空闲状态。甚至在延迟地开始下一循环的情况中，也不可能有意地或也不可能将时钟频率(系统时钟)暂时地降低而不用忍受干扰或者延迟。 
发明内容
因此本发明的目的是，提出一种方法和一种自动化部件，由此在考虑到相应的所要求的功能性的情况下可以降低微处理器控制的自动化部件的能量消耗。 
在此，实现该目的的核心思想是确定自动化部件的利用率，然后确定必需的计算能力并且由此鉴于能量节约和鉴于必需的功能性来确定微处理器的时钟频率的最优值并将其应用到微处理器上。根据本发明，在此检测所谓的主程序循环的运行时间(还称作持续时间)作为用于存储器可编程的控制器或者自动化部件的微处理器必需的计算能力和因此用于其必需的时钟频率的标尺，并且将该运行时间用作用于确定时钟频率的参数。主程序循环还通常称作“主循环”、“后台任务”或者在Simatic-控制器的环境中还称作“OB1”(第一组织模块)。在主程序循环中，通常执行用于控制应用并且因此控制工业自动化装置的主要程序部分，使得借助其运行时间或者重复频率来确定控制器的基本调节循环，并且因此该运行时间表示为装置的最慢反应时间的量度。通过较高优先级的运行级别来中断主程序循环，在这些运行级别中模拟快速的调节任务、运动控制、工艺反应等等。因此，在较高优先级的运行级别中的较高的计算需求自动地延长主程序循环的运行时间(循环时间)。因此，主程序循环的运行时间是自动化部件的当前的整个运算需求的量 度。在休止阶段中，运算负荷自动地降低，因为取消了多个事件控制的计算，例如外围设备警报、在运动控制中的运动性能的计算、中断等等。当用户的程序在机器的休止状态中跳过全部不需要功能时，用户可以增强该效果。简短地说，主程序循环的所要求的(最大的)运行时间(循环持续时间)是用于必需的计算能力的良好量度并且预先给定所使用的微处理器的必需的时钟频率。 
该目的尤其以根据权利要求1所述的方法来实现，其中提出一种用于匹配工业自动化部件的微处理器的时钟频率的方法。在此，根据需要的计算能力来选择微处理器的时钟频率，其中在第一步骤中检测执行在自动化部件上运行的控制程序的主程序循环现在所需要的持续时间，在第二步骤中，将该持续时间与预设的最大值相比较，并且在第三步骤中根据比较的结果得出新的时钟频率且将其用于微处理器。通过主程序循环的运行时间(执行时间)的这种周期的或者持久的监控还可以在对于计算能力的波动的需求中将微处理器的时钟频率始终选择为使得所述时钟频率并不过高，但是另一方面还要足够快速，以便确保在在所要求的最大时间内执行主程序循环。 
此外，该目的以一种用于控制工业自动化装置的自动化部件来实现，所述工业自动化装置装备有具有可变的时钟频率的微处理器，其中自动化部件构建用于使用上述方法来设置微处理器的时钟频率。 
根据本发明的方法的有利的扩展方案在从属权利要求中说明。在此描述的特征和其优点还相应地适用于根据本发明的自动化部件。 
有利的是，将滤波过的用于持续时间的值使用于在第二步骤中的比较，所述值由多个所检测的、主程序循环的之前的执行的持续时间形成。因此避免了时钟频率不期望的振荡，尤其在运行时间的短时间的波动情况下的振荡。在此，表明为尤其有利的是，除了例如通过平均值确定或者低通滤波对参数“运行时间”进行滤波之外，还借助迟滞来进行时钟频率的匹配，其中仅当根据比较得出新的时钟频率时改变时钟频率，所述新的时钟频率位于目前有效的时钟频率的迟滞之外。当并不可以连续地，而是可以分级地设置时钟频率时，这是尤其有利的。因此可以对于时钟频率的每个转换级确定转换迟滞的值对(下转换阈值，上转换阈值)。尤其在时间重要的处理中可以有意义的是，对于时钟频率始终保 证根据计算出的(必需的)时钟频率进行测量的下一个更高的转换级，其中还可以有利地将“安全范围”(例如为10％)加到所得出的必需的时钟频率。为了提高工作安全性，尤其在实时要求中，可以将转换阈值的值不对称地设置在时钟频率级的静态值附近。 
在对用于主程序循环的运行时间的值进行滤波、例如低通滤波的情况中，有利的是，当在时钟频率或者时钟频率级的变化之后将滤波器算法的“初始值”确定为下述值，该值是根据新设置的、针对主程序循环未来的运行时间的时钟频率而被预期的；这尤其适用于在滤波器中的平均值确定。 
附图说明
下面借助附图阐明根据本发明的方法的一个实施例。该实施例同时用于阐明根据本发明的自动化部件。其中： 
图1示出用于匹配微处理器的时钟频率的方法的方块电路图， 
图2示出用于切换时钟频率或者时钟频率级的转换特征曲线的示意图，和 
图3示出在匹配微处理器的时钟频率中产生的迟滞的示意图。 
具体实施方式
下面假设，使用者知道主程序循环的运行时间最大应该是多长，以便还可以足够快速地控制或者调节待控制的自动化装置或者待控制/调节的过程。该持续时间在下面和在附图中称为过程持续时间PD。然而如果由此形成的运行时间LZ(循环时间)明显位于最大值以下，则这是过程位于休止阶段或者至少时钟频率相对于需要的计算能力被设置得过高的标志。在这种情况下，只要运行时间LZ或处理持续时间PD尚保持在最大值以下，就可以降低微处理器CPU的时钟频率(系统时钟，过程时钟)。然而，随着计算负荷上升，运行时间LZ又升高，其 中最迟在超过最大时间时必须再次提高时钟频率。 
在图1中示出方块图，下面将根据所述方块图阐明用于工业自动化部件的微处理器CPU的时钟频率T的设置。 
原则上，图1的方块图示出数字调节器，所述调节器的输入量在该简化的图中是运行在微处理器CPU上的程序的主程序循环的当前运行时间LZ，其中此外将(最大可允许的)过程持续时间PD预设为最大值，并且最后将可能的频率级FST引入到计算中，其中这些频率级FST通常由所使用的硬件来预设，也就是说，常见的主系统-电路板(主板)经常仅许可时钟频率的以分级方式进行的匹配。 
在下面，描述借助模块/功能模块确定/匹配时钟频率的方法；然而实际上这些过程可以在单独的功能模块之内或者在以不同方式组织的软件等等中来计算。这些计算以有利的方式由在自动化部件的操作系统中的函数来进行。特别的是，通过这样的操作系统还进行主程序循环的运行时间的测量。因为主程序循环通常总是由操作系统来启动，并且监控或者记录主程序循环的结束，所以可以实现后面描述的方法，而不必改变自动化部件的应用程序。 
在用于转换值确定的功能块SWB中，从预设的(最大的)过程持续时间PD和从频率级FST中得出边界值T最小、T最大并且将其传输给用于确定转换特性曲线SKL的模块。在图2中再次详细地示出该转换特征曲线，其又称作转换迟滞。用于生成转换特征曲线SKL的模块的另一输入信号是借助于滤波器装置F滤波的“信号”，即运行时间LZ的滤波过的值。在此，用于滤波的模块F执行平均值形成或者低通滤波。当然，还可以根据使用目的来考虑更复杂的滤波器算法。用于计算转换特征曲线SKL的模块的输出信号是用于提高或者降低时钟频率或时钟率T的“升”、“降”指令，其中利用时钟频率的已经提及的可供使用的转换级在时钟频率确定模块TB中按照指令选择时钟频率T的下一个更高级或者下一个更低级，其中然后将相应选择的时钟频率T应用到微处理器CPU上。 
在图2中详细地示出在用于计算或者确定时钟频率T的模块中所使用的转换特征曲线SKL。基于预设的过程持续时间PD或者由此计算出 的最大运行时间T最大得出该转换特征曲线SKL并且该转换特征曲线在有利的扩展方案中随着所使用的时钟频率级变化。在此，最大值T最大在大多是情况中不是绝对的上限，超过所述最大值有可能对要控制的过程起到致命的影响。偶发的、小的超出根据需求特征在大多数情况下是常见的并且经常可以容忍。在这些情况中，得出的最大值T最大符合主程序-循环的例如可借助滤波器F确定的平均运行时间LZ，所述平均运行时间可以在所谓的“最差情况”工作中出现，即例如在全负荷等的情况下。在需要时，尤其在控制时间重要的过程时，还可以使用位于由用户给出的最大的过程持续时间PD以下的值作为最大值T最大，例如在由用户给出的边界的90％。一旦运行时间LZ(如需可能作为滤波过的值)下降到边界T最小以下(在图2中是60ms)，则可以降低微处理器CPU的时钟频率(“降”)；相反的是，在过长的运行时间LZ的情况下给出转换指令“升”。在此，T最小的值取决于微处理器CPU的下一个更低的、可设置的时钟频率T，因此该值可以从转换级到转换级地来变化。在此将T最小选择为使得在在未改变计算需求情况下的时钟降低之后得出位于T最小(在此：60ms)和T最大(在此：80ms)之间的新的运行时间(循环时间)LZ等。必要时还必须在更换时跳过多个时钟频率级或者相继多次应用该方法。如果运行时间LZ位于最大值和最小值之间，则转换特征曲线保留在迟滞区域HB中。这表示，在该区域中没有开始时钟频率T或者所使用的时钟频率级的变化。 
在图3中针对时钟频率T示出了从根据图2的、具有迟滞区域HB的转换特征曲线SKL中引起的调节器特性。根据转换特征曲线SKL，小于(或者等于)60ms的运行时间LZ引起较低的时钟频率T(NF)，而大于(或者等于)80ms的运行时间LZ引起较高的时钟频率T(HF)；在图2中示出的转换迟滞因此直接导致时钟频率迟滞。通过适当设置的迟滞避免了时钟频率T的不期望的波动。 
因为由于用于运行时间LZ的滤波过的值的时钟频率的切换延迟地得到运行时间LZ的(滤波过的)新的、静态的值，所以应该避免在切换后继续借助目前滤波过的运行时间值LZ进行计算。为了尽可能快速地“稳定”滤波过的值将在此采取上述提及的措施，其包含以根据新的时钟频率所预期的值来“预占据”所述滤波过的值。 
特别在大的、复杂的自动化装置中，在替选的实施形式中有意义的是，不预设最大的过程持续时间PD或者最大的运行时间T最大的固定的值，而是通过其他部件动态地产生这些值并且例如借助于数据电报(“Profi能量电报(Profi-Energy-Telegramm)”)来传输这些值。由此，上级的设备管理部例如可以有目的地将自动化部件转换到具有较低能量消耗或者具有较高功率的状态中。 

Claims (9)

1.用于匹配工业自动化部件的微处理器(CPU)的时钟频率(T)的方法，其中根据需要的计算能力来选择所述微处理器(CPU)的所述时钟频率(T)，
其特征在于，
-在第一步骤中，检测执行在所述自动化部件上运行的控制程序的主程序循环所需要的持续时间(LZ)，
-在第二步骤中，将所述持续时间(LZ)与最大值(PD)相比较，并且
-在第三步骤中，根据比较的结果得出新的时钟频率(T)并且将其用于所述微处理器(CPU)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从用于所述主程序循环的多次运行的多个所检测的持续时间(LZ)中形成用于比较的持续时间(LZ)。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为所述时钟频率(T)确定时钟频率级，其中在所述第三步骤中，将相对其的下一个更高的时钟频率级作为待使用的时钟频率(T)用于所述微处理器
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，根据迟滞进行所述时钟频率(T)的匹配，其中在根据所述比较得出的新的时钟频率(T)位于目前有效的时钟频率(T)的迟滞之外的情况下，改变所述时钟频率(T)。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所得出的用于所述新的时钟频率(T)的值在其应用之前被滤波。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过对所得出的时钟频率(T)进行滤波，所述持续时间(LZ)短暂和/或稍微超过所述最大值(PD)不影响所述新的待使用的时钟频率(T)。
7.根据上述权利要求之一所述的方法。其特征在于，能够通过用户或者其他的控制装置预设所述最大值(PD)。
8.根据权利要求2至7之一所述的方法，其特征在于，在所述时钟频率(T)的匹配之后，将所述滤波器预先设置到所述持续时间(LZ)的平均值上，其中所述预先设置的值是对于就所述新设置的时钟频率(T)而言所预期的未来的持续时间(LZ)的估计值，其中借助目前的持续时间(LZ)、目前的时钟频率(T)和所述新设置的时钟频率(T)来计算所述估计值。
9.用于工业自动化装置的自动化部件，该自动化部件具有带有可变的时钟频率(T)的微处理器(CPU)，
其特征在于，将所述自动化部件构建用于设置所述微处理器(CPU)的所述时钟频率(T)，用于实施前述方法。
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