CN105759765A - 联网工业控制系统及用于改变这种工业控制系统操作模式的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种改变多个网络工业控制系统(11、12)中的至少一个工业控制系统(11)，尤其是机器人控制系统的操作模式的方法，包括如下步骤：通过所述网络工业控制系统(11、12)的网络(3)发送第一数据包(l1)；通过至少一个工业控制系统的接收装置(11.1)接收所述的第一数据包(l1)；如果所述的第一数据包(l1)访问所述工业控制系统，基于接收的所述第一数据包(l1)，将所述的工业控制系统从第一操作模式(A)改变成第二操作模式(H)，其中，在所述的第一操作模式(1)和第二操作模式(2)中，向所述工业控制系统(11)的不同组的元件(1.11,11.3,11.4,11.5,11.6)供应能量。

Description

联网工业控制系统及用于改变这种工业控制系统操作模式的方 法
本申请是申请日为2009年12月23日，申请号为200910249513.5，发明名称为“联网工业控制系统及用于改变这种工业控制系统操作模式的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于改变网络或者连接的工业控制系统，尤其是机器人控制系统，的操作模式的方法，以及涉及适合实施这种方法的工业控制系统，尤其是机器人控制系统。
背景技术
当今的工业机器人常常成组工作，例如在生产线上工作等。在那里，每个机器人都有自己的、能够通过例如以太网与其它机器人通信的机器人控制系统。具体而言，不仅这种机器人控制系统，而且下文中通常被称为工业控制系统的诸如焊接过程控制系统、夹紧法控制系统或者粘结法控制系统的其它自动工业装置的控制系统，根据企业内部的运用实践而日益实现基于PC机，也就是说使用工业PC，正如本申请人的DE 200 04 370 U1或DE 103 04 706 A1所教导的那样。
为了关闭这种工业控制系统，即将其转换到待用模式，因此操作控制系统的主开关，利用它来使工业控制系统与外部电源完全断开。通过再次操作主开关，工业控制系统再次连接外部电源，并从而转换成主动操作模式。
其中，通过连接电源，工业控制系统能够实施整个系统的开启和重启，其中单个元件重新校准或者初始化。或者，当断开外部电源时，工业控制系统还能首先将电流数据存储在所谓的“记忆文件(freezefile)”中。如果工业控制系统再次连接外部电源，可以存取这些存储的数据从而不需要实现整个系统或者重启。这缩短了工业控制系统或者其分别控制的机器人的重启操作时间。
既然通过操作主开关，即与外部电源完全断开，常常引入去激活作用，通过工业控制系统的寄存器执行随后的关闭，尤其是数据的存储。这样，不利的是，工业控制系统的每次关闭使他们的蓄能器负载或放电并因而缩短他们的使用寿命。此外，损坏的或者不能充分充电的蓄能器损害受控的关闭，尤其是这种记忆文件中电流数据的存储。
发明内容
本发明的一个目的是改良改变控制自动工业装置，尤其是机器人的数个网络工业控制系统中的至少一个的操作模式。
这个目的分别通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求13的特征的工业控制系统解决。权利要求14、15分别保护一种适当的计算机程序和计算机程序产品，尤其是存储介质或者数据载体，而从属权利要求涉及有益的实施方式。
根据本发明，首先，第一数据包通过网络工业控制系统的网络发送以改变彼此连接的一个或多个工业控制系统的操作模式，尤其是一个或者更多个机器人控制系统。
具体地，如果一个或者更多个这样的控制系统是基于PC的，网络优选地是基于以太网的，优先地是基于PROFINET，Rockwell的Ethernet IP或者自动控制的另一工业以太网标准。合适的以太网协议例如以IEEE标准802.3的形式被标准化。
如果工业控制系统的接收装置，例如网络控制器或者网卡或网络板，接收这样的第一数据包，如果第一数据包访问(address to)这个工业控制系统，工业控制系统从第一操作模式改变成第二操作模式。
第一数据包可以是例如所谓的“魔法包(Magic Packet)”。所述数据包可以例如包括分配给这个工业控制系统的局部或者全局唯一键，即所谓MAC键，例如通过向第一数据包报头标识符后面的这个MAC键重复、优选连续地重复一给定数字。一组工业控制系统能够例如通过使用分配给期望组的键而不是仅分配给一个工业控制系统的键来编址，其中因为组的联系，工业控制系统自身也被编址了，这组中的每个工业控制系统的接收装置都识别该键。同样地，第一数据包例如可包括组的所有MAC键所共用的键，例如MAC键的对应部分或者相同部分，或者组的所有工业控制系统可分别并行地或连续地编址。
在第一和第二操作模式中，向不同组的工业控制系统的元件供应能量，优选地通过分别连接外部电源或者断开外部电源。
特别地，第一和第二操作模式中的一个可以是工业控制系统的节能模式，其中接收装置，优选地基本上只向接收装置为接收数据包而继续供电，而不再继续向工业控制系统的一组其它元件，优选其元件中的多数元件供电，然而第一和第二操作模式中的另一个可以是主动或者正常操作模式，其中向接收装置和工业控制系统的所述组的其它元件供电。所述的其它元件可以是例如硬件设备(device)、驱动器、风扇、电路板、输入输出装置如监视器和显示器及键盘以及控制手柄、CPU等。通过改变成这种节能模式能有利地降低能量消耗。
在本发明的含义中工业控制系统还可以包括一个或更多致动器，尤其是电动机，例如一个或更多操纵器的驱动马达。因此，还可能的是，在另一节能模式中，基本上只有一个或更多，尤其是工业控制系统的所有致动器，与电源断开，而可以向工业控制系统的其余元件，例如硬件设备、驱动器、风扇、电路板、计算和存储单元、输入和/或输出装置，以及特别是接收装置供电。因此，在该另一节能模式中，安全控制仍能维持激活。
根据另一优选实施方式，可在多于两种的操作模式之间选择性地改变或转换，尤其是在正常操作模式、基本上只向接收装置供应能量的节能模式，和基本上只有致动器断开电源的另一节能模式之间。可以通过发送第一数据包，例如从正常操作模式或者另一节能模式改变成节能模式，或者通过发送另一第一数据包，例如从正常操作模式或者节能模式改变成另一节能模式，而选择性地改变。
此外，在一个或更多节能模式中，提供了在这种模式中，关闭由工业控制系统控制的自动工业装置的一个或更多个制动器，例如机器人的致动制动器，和/或不向这个工业生产装置的一个或者更多耗能负载，例如机器人的致动器供电，例如通过使耗能负载与外部电源断开以进一步减少能量消耗。
这样，在优选实施方式中，通过发送第一数据包，尤其是魔法包，一个或更多连接的机器人或其它工业控制系统能够从主动模式转换成节能模式，其中在该节能模式中，只向部分元件供电，尤其是接收元件，以接收更多的数据包。
有利地，控制系统的一个或更多元件可以保持继续连接外部电源至少特定时间周期。特别地，与已知的通过主开关和与向控制系统的蓄能器施加负荷相关联的记忆文件的存储导致的完全断开相反，这使得关闭与外部电源继续保持连接的控制系统成为可能，以及特别地使得通过来自外部电源的能量来存储电流数据成为可能，这保持了例如寄存器的控制系统的蓄能，并从而延长了他们的使用寿命。当从节能模式改变成主动操作模式，则能存取这些储存的数据以缩短操作的重启时间。
节能模式可以，特别地，是所谓的混合操作模式，其中工业控制系统的接收装置保持连接外部电源以接收数据包，而且其中电流数据分别储存在工业控制系统重启时可以存取的初始数据记录或者记忆文件中。
在优选实施方式中，通过发送第二数据包，尤其是魔法包，一个或更多连接的机器人或者其它工业控制系统可以从节能模式转换成主动工作模式，其中特别地，还可以向控制元件供电，而在节能模式中则不能连续地供电。
如果在节能模式中提供了关闭工业控制系统控制的自动工业装置的一个或更多制动器和/或将这个工业生产装置的一个或更多耗能负载与电源断开，则优选地，基于第二数据包，打开制动器并且分别再次向耗能元件供电。
第二数据包可以与第一数据包相同或者与其不同。特别地，第一和/或第二数据包可以是例如从DE 20 2005 001 650 U1、DE 10 2005027 387 A1或EP 0 777 172 B1中已知的网络唤醒包(Wake on LANpacket)。
从第一操作模式转换成第二操作模式，例如转换成节能模式或者主动或正常操作模式，有利地允许选择性关闭和/或重启单个工业控制系统或工业控制系统组，尤其是机器人控制系统。与当前实践相反，有利地，不再必须手动操作相应控制系统的主开关。这显著地增加了连接的工业控制系统以及工业控制系统分别控制的自动工艺和工业生产装置的灵活性。例如，自动制造装置的一部分，例如数条生产线或生产分支中的一个，为调整改变能力或者维修目的，能通过网络关闭和/或致动。在优选实施方式中，如果整套控制系统是连续致动和/或停用，从而可以平滑重启和/或关闭电压中的峰值。
如上所述，第一和/或第二数据包可以直接访问工业控制系统或者工业控制系统组，例如通过包括作为魔法包的适当的键。特别地，为了关闭或重启整组工业装置，例如具有连接的工业机器人的工厂车间，第一和/或第二数据包还能以广播的方式访问所有网络工业控制系统。
数据包可以例如通过组控制系统发送，尤其是彼此连接的工业控制系统的线PLC(“可编程序逻辑控制器”)。附加地或者替代地，还可能从网络工业控制系统中的工业控制系统发送，例如，如果单个或所有工业控制系统包括适当的软件模块。
在优选实施方式中，工业控制系统能从第一改变成第二操作模式，不仅通过在网络上接收第一数据包，而且还附加地基于向工业控制系统的输入装置的输入。为此，例如遥控装置或所谓的控制手柄，如同它用于例如教导机器人那样，可包括适当的输入装置，例如开关或者控制指令。如果操作员操作这个输入装置，例如通过操作开关或者通过输入适当的控制指令，工业控制系统同样地改变成第二操作模式，例如改变成节能模式。因此，有利地进一步提高了灵活性和冗余度，特别地，还使现场直接输入成为可能。
因此，工业控制系统还能基于输入装置的输入相应地从节能模式改变成主动模式。在优选实施方式中，通过附加地或者替换地连接接收装置与外部电源，工业控制系统能改变成第一操作模式，例如主动模式。例如，当至少接收装置保持连接外部电源时，如果通过接收数据包或者通过输入装置输入，以及优选地，电流数据储存到记忆文件中，则随后通过如公知方法那样切断主开关，可实现完全与电源断开的操作模式。是否如同常规那样通过直接操作主开关，即在控制系统自身蓄能的负荷下存储记忆文件，引起的，或者在根据本发明改变成节能模式同时借助外部电源的能量存储记忆文件以后，能够通过再次转换主开关而改变成主动操作模式，这是独立的。
附图说明
根据从属权利要求和实施方式将得到更多的优点和特征。为此，部分地用图表示如下：
图1示出了根据本发明的实施方式的两个网络机器人控制系统；和
图2示出了根据本发明的实施方式的方法状态图。
具体实施方式
图1示出了两个工业机器人2-1、2-2，它们的基于PC的机器人控制系统1-1和1-2分别通过以太网3彼此连接。生产线可包括更多的机器人或者其它自动工业装置，例如夹紧装置，焊接装置或者粘合装置(未示出)，它们的工业控制系统同样通过以太网3连接。
这两个机器人控制系统1-1、1-2各包括形式为网络控制器1-i.1(i＝1，2)的、通过以太网3接收数据包接收装置，以及电源组1-i.2，该电源组与外部电源4-i连接并且向网络控制器1-i.1供电，并向各自控制系统1-i的更多元件供电，尤其是输入/输出装置1-i.3、风扇1-i.4、机器人2-i的控制系统CPU1-i.5，以及可以发送和接收数据的硬件组分或者驱动器1-i.6。如图1中用虚线箭头所表示的那样，网络控制器1-i.1可中断电源组1-i.2和更多控制系统元件1-i.j(j＝3,4……6)之间的电力供应。
图2中以所谓状态图(Petri网或者有限状态机)的方式示出了根据本发明的方法的实施或者流程，其中椭圆表示操作模式，箭头表示这些操作模式之间的改变，引起改变的事件标注在箭头上。
下面，将基于机器人控制系统1-1描述根据本发明的方法。附加地或者替代地，机器人控制系统1-2和/或更多的控制系统也可以类似的方式工作。
首先，机器人控制系统1-1处于第一，主动或者正常操作模式“A”(图2中左侧)，其中所有的元件1-1.1、1-1.3至1-1.6以及机器人2-1的致动器(未示出)通过外部电源4-1经电源组1-1.2供电。在未示出的变型中，还可能通过单独的电源组向机器人2-1的致动器供电。
现在，假如，例如为维修目的或减少生产能力关闭例如机器人2-1和它的控制系统1-1，根据本实施例，控制系统1-1能够通过关闭主开关(未示出)与电源4-1彻底断开。由于这个表示为“4-1＝0”的事件，控制系统改变成第三操作模式“0”(图2中右侧)，表示它与电源4-1彻底断开。
不利地是，主开关必须手动操作到那里，特别是要关闭多个机器人，例如(部分地)自动制造，是很费力的。
为了避免重启时完全重新校准和初始化，提供了在离开正常操作模式“A”时，将电流数据，例如校准和初始化数据，储存到当重新开始操作时存取的记忆文件中。通过手动操作主开关(“4-1＝,0’”)常规地断开外部电源4-1，这一定不利地发生在控制系统的内部寄存器(未示出)负荷或放电情况下。
因此，根据本发明的上面附加地描述的方法，现在提供了通过以太网3发送形式为魔法包l-1的第一数据包。这包括例如依序排列十六位进制值“FF”六次，直接跟随有(follow of)连续地重复机器人控制系统1-1的48比特MAC地址6-10次。
网络控制器1-1.1由于该访问而识别魔法包并将控制系统1-1转换成第二操作模式，节能或者混合操作模式“H”(图2中央)，其中当电流数据已经存储到记忆文件中，机器人2-1的制动器已经关闭以及机器人2-1的驱动马达已经断开外部电源4-1以后，同样地如图1中虚线箭头表示的那样，网络控制器1-1.1通过电源组1-1.2中断机器人2-1的输入/输出装置1-1.3、风扇1-1.4、CPU1-1.5以及驱动器1-1.6的电力供应。在该混合操作模式中，“H”几乎不消耗任何能量，尤其是与第三操作模式“0”相比，只有保持激活状态的网络控制器1-1.1消耗能量以接收更多的数据包。
有利地，在从主动操作模式“A”改变时，机器人控制系统1-1本身保持继续连接外部电源4-1，从而当在上面所描述的本实施例的情况下变化时，控制系统1-1的寄存器没有负荷或者负载。此外，可能通过以太网3选择性地停止或关闭机器人控制系统1-1，并因而例如通过线PLC(未示出)而不是如上面所描述的本实施例的情况那样手动地操作主开关。
通过以太网3发送与上述的第一数据包相同的进一步的其他魔法包Ⅱ-1，机器人控制系统1-1再次转换到主动操作模式“A”。为此，在混合操作模式“H”中也通过电源组1-1.2供电的网络控制器1-1.1识别访问到控制系统1-1的魔法包Ⅱ-1，并导致机器人2-1的输入/输出装置1-1.3、风扇1-1.4、CPU1-1.5以及驱动器1-1.6通过电源组1-1.2供电，基于存储在记忆文件中的数据的初始化，机器人2-1的驱动马达通过外部电源4-1供电以及其制动器的开启。
如果在未额外地示出的变型中，通过以太网3发送访问到控制系统1-2的魔法包或者当分别访问控制系统自身时通过网络控制器1-1.1和1-2.1识别的魔法包，附加地，控制系统1-2能再次转换成混合操作模式和/或主动操作模式。因此，选择性关闭和/或开启不同的工业控制系统或工业控制系统组是可能的。同样地，通过发送广播魔法包，通过以太网3彼此连接的所有工业控制系统能并行地或依次地停止或开启。
图2中示出了将机器人控制系统1-1手动地再次转换回到主动操作模式的额外选项。如上所述，基于魔法包l-1，或在未示出的实施方式中，如例如用于机器人2-1的教导那样，通过向控制系统1-1的控制手柄输入适当指令，控制系统1-1转换成混合操作模式“H”之后，控制系统1-1的主开关关闭短时间，并且控制系统1-1彻底断开外部电源4-1(“4-1＝，0’”)。如果此后主开关再次打开(“4-1＝，1’”)，控制系统1-1返回主动操作模式“A”，不考虑它是怎么到达彻底断开外部电源的第三操作模式“0”。当改变成这种操作模式时，首先检查是否存在有效的记忆文件。如果是这种情况，基于在所谓的热启动中存储到记忆文件中的数据，机器人2-1及其机器人控制系统1-1被致动，特别地进行初始化。如果不存在有效的记忆文件，在改变成主动操作模式“A”则发生所谓的冷启动，其中控制系统1-1完全启动，控制系统1-1和机器人2-1被彻底校准和初始化。
在未单独示出的变型中，机器人2-1、2-2的致动器也分别是工业控制系统1-1和1-2的部分。如果在所述变型中，另一第一数据包以魔法包的形式发送到以太网3中，网络控制器1-1.1因这个地址而识别魔法包，并将控制系统1-1转换成另一节能模式，其中该魔法包包含例如依次排列十六进制值“EE”六次，直接跟随连续地重复机器人控制系统1-1的48比特的MAC地址6-10次，如图1中虚线箭头所表示的，在机器人2-1的制动器关闭后，网络控制器1-1.1只中断机器人2-1的致动器的电力供应。在这个另一种节能模式中，同样地消耗更少的能量，然而同时，网络控制器1-1.1、输入/输出装置1-1.3、风扇1-1.4、机器人2-1的控制系统CPU以及驱动器1-1.6保持通过电源组1-1.2连接外部电源4-1，并因而能够维持安全控制。
在所有的其它方面，所述变型可以对应于上述实施方式，其中只有节能模式或混合操作模式“H”设想成被另一种节能模式取代，在节能模式或混合操作模式“H”中，机器人2-1的输入/输出装置1-1.3、风扇1-1.4、控制系统CPU1-1.5以及驱动器1-1.6的电力供应通过电源组1-1.2中断，在另一种节能模式中，网络控制器1-1.1仅中断机器人2-1的致动器的电力供应。在另一种同样地未单独示出的变型中，上面描述的两种实施方式可以组合，从而通过发送魔法包l-1，操作模式改变成混合操作模式，而通过发送形式为包含十六进制值“EE”的魔法包的另一种第一数据包，操作模式改变成具有单独驱动器的另一种节能模式。
附图标记表
1-1,1-2 机器人控制系统
1-1.1,1-2.1 网络控制器
1-1.2,1-2.2 电源组
1-1.3,1-2.3 输入/输出装置
1-1.4,1-2.4 风扇
1-1.5,1-2.5 机器人控制系统CPU
1-1.6,1-2.6 驱动器
2-1,2-2 机器人
3 以太网
4-1,4-2 外部电源网
I-1,II-1 魔法包
A 主动操作模式
H 混合操作模式
0 彻底断开外部电源的操作模式。

Claims (17)

1.一种用于改变多个联网工业控制系统(1-1、1-2)中的至少一个工业控制系统(1-1)、尤其是机器人控制系统的操作模式的方法，包括如下步骤：
-通过所述联网工业控制系统(1-1、1-2)的网络(3)发送第一数据包(l-1)；
-通过至少一个工业控制系统的接收装置(1-1.1)接收所述第一数据包(l-1)；
-如果所述第一数据包(l-1)访问所述工业控制系统，基于接收的所述第一数据包(l-1)，将所述工业控制系统从第一操作模式(A)改变成第二操作模式(H)，其中，在所述第一操作模式(I)和第二操作模式(II)中，向所述工业控制系统(1-1)的不同组的元件(1.1-1,1-1.3,1-1.4,1-1.5,1-1.6)供应能量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，彼此连接的所述多个工业控制系统(1-1、1-2)中的至少一个是基于PC的。
3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，第一和第二操作模式中的一个是所述工业控制系统的节能模式(H)，其中，向所述接收装置(1-1.1)供电，且不向所述工业控制系统的一组元件(1-1.3,1-1.4,1-1.5,1-1.6)供电。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工业控制系统在改变成节能模式时存储电流数据，并在从节能模式改变时存取这些储存的数据。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过网络发送的数据包是用于激活节能模式(H)的数据包(I-1)或者是用于停用节能模式(H)的数据包(II-1)，特别是网络唤醒数据包(Wake on LANpacket)。
6.如权利要求3至5中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述节能模式中，所述工业控制系统控制的自动工业装置的至少一个制动器是关闭的和/或这个工业装置的至少一个耗能元件没有被供电。
7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，如果所述第二数据包(II-1)访问工业控制系统，当接收第二数据包(II-1)时，该工业控制系统从所述第二操作模式(H)改变成所述第一操作模式(A)。
8.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，数据包(I-1、II-1)直接访问工业控制系统(1-1)或者访问工业控制系统组(1-1)或者以广播方式访问所有联网工业控制系统。
9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，数据包是通过组控制系统，尤其是线PLC，或者联网工业控制系统的工业控制系统发送的。
10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述网络(3)基于以太网，尤其是基于PROFINET或者是基于另一种用于自动控制的工业以太网标准。
11.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，基于工业控制系统的输入装置(1-1.3)的输入，所述工业控制系统从所述第一操作模式改变成所述第二操作模式。
12.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，当将所述接收装置(1-1.1)连接到外部电源(4-1)时，工业控制系统改变成所述第一操作模式(A)。
13.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述工业控制系统通过将信号发射到其自身而将自身设定成混合模式。
14.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述工业控制系统在激活之后检查是否存在有效记忆文件并且相应地执行热启动或者冷启动。
15.一种具有通过彼此连接的工业控制系统(1-1、1-2)的网络(3)接收数据包(I-1、II-1)的接收装置(1-1.1)、用于自动工业装置的工业控制系统，尤其是机器人控制系统(1-1)，其中，所述工业控制系统能够采用第一和第二操作模式(A，H)，其中在所述第一操作模式(A)中和第二操作模式(H)中，向所述工业控制系统(1-1)的不同组的元件(1-1.1,1-1.3,1-1.4,1-1.5,1-1.6)供电，其特征在于，所述工业控制系统适于执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
16.一种计算机程序，如果在根据权利要求15所述的工业控制系统中运行，其执行根据权利要求1至14中的任一项所述的方法。
17.一种具有程序编码的计算机程序产品，该计算机程序产品存储在机器可读的载体上，并且包括根据权利要求16所述的计算机程序。
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