CN109478049A - 用于工业自动化应用和工业现场总线之间通信的接口 - Google Patents

用于工业自动化应用和工业现场总线之间通信的接口 Download PDF

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Abstract

一种用于工业自动化应用(110)和工业现场总线(120)之间的通信的接口(101)和方法，包括针对工业自动化应用(110)的第一接口(102)，还包括针对现场总线控制器(121)的第二接口(103)，其中，现场总线控制器(121)可操作以与外围设备(130)进行通信，接口(101)的特征在于在第一接口(102)和第二接口(103)之间的功能元件(104)，所述功能元件(104)包括外围设备特定的、工业自动化功能的实现。

Description

用于工业自动化应用和工业现场总线之间通信的接口
技术领域
本申请涉及用于工业自动化应用和工业现场总线之间的通信的接口和相应的方法。
背景技术
工业自动化系统包括至少一个控制设备和一个或多个外围设备。外围设备如传感器或致动器。控制设备和外围设备可经由工业现场总线连接。
本说明书中的工业现场总线涉及一系列工业计算机网络协议。协议标准化为如IEC 61158、IEC 61784-2或ISO 15745-4。例如，EtherCAT协议可以用于工业现场总线的实现中。
这意味着不同的外围设备可经由兼容的工业现场总线接口连接到控制设备。
操作系统管理控制设备的计算机硬件和工业自动化应用。
消息经由工业现场总线在外围设备和工业自动化应用之间传输。
工业自动化应用被构造成经由工业现场总线发送和接收相应的消息。虽然外围设备和控制设备可经由相同的工业现场总线协议连接，但不同的外围设备需要不同的功能。
为了协作，必须为不同的外围设备区别地配置工业自动化应用。这意味着在将一种配置的外围设备与另一种配置的外围设备交换时，也必须重新配置工业自动化应用。
发明内容
鉴于此，提供根据独立的权利要求的在工业自动化应用和工业现场总线之间的通信接口和相应的方法。
还提供了包括这种接口的计算机化数字控制装置。
通过这种方式，可靠地实现了工业自动化应用和任何外围设备的协作。
通过进一步阅读下面的说明书、相关联附图和所附权利要求，本发明的上述以及其他的目的、实施例、优点和/或区别将变得显而易见。
附图说明
图1示意性地描述了工业自动化系统，
图2示意性地描绘了用于工业自动化应用和工业现场总线之间的通信的方法，
图3示意性地描绘了用于准备输入数据的方法，
图4示意性地描绘了用于准备输出数据的方法，
图5示意性地描绘了用于校准外围设备的方法，
图6示意性地描绘了用于分配的过程。
具体实施方式
图1示意性地描绘了工业自动化系统100，其包括用于工业自动化应用110和工业现场总线120之间的通信的接口101。
控制设备105包括接口101和工业自动化应用110。
操作系统管理控制设备105。优选地，操作系统管理接口101和工业自动化应用110。下面参考图2描述相应的方法。
现场总线控制器121可操作以与外围设备130通信。现场总线控制器121在示例中实现为工业以太网主站或EtherCAT主站。工业现场总线控制器121优选地被构造成主设备，以经由工业现场总线120与外围设备130的相应外围从设备131通信。
优选地，工业自动化应用110是计算机化数字控制应用。在这种情况下，控制设备105是计算机化数字控制系统。
接口101包括针对工业自动化应用110的第一接口102和针对现场总线控制器121的第二接口103。
元件间的数据链接连接相应的接口。
接口101包括第一接口103和第二接口102之间的功能元件104。
功能元件104包括外围设备特定的、工业自动化功能的实现。
下面参考图3描述外围设备特定的、工业自动化功能。
工业自动化应用110被构造成经由现场总线120优选为循环地通信。
接口101，工业现场总线控制器121和/或工业自动化应用110优选地被构造用于实时处理，实时处理的工作周期在10μs、50μs、64.5μs、125μs和250μs中的任何一个以及4ms、10ms和20ms中的任何一个之间。在所述示例中，使用0.5ms-2ms之间的工作周期。
下面参考图2描述用于工业自动化应用110和工业现场总线120间的通信的方法。该方法优选地在上述工作周期之一内循环重复。
在一个循环中，在开始之后，执行步骤201。
在步骤201中，从现场总线120读取实际输入数据。为此，例如工业现场总线控制器121，即工业以太网主站或工业EtherCAT主站，从现场总线120接收数据并将该数据发送到第二接口103。在该过程中使用相应的现场总线协议。
在计算机化数字控制的示例中，经由工业现场总线120接收的包括有效载荷相应数据的消息被读取。优选地读取所有当前数据，特别是自上一周期以来接收的所有数据。
这样，自动化技术输入值通过第二接口103从现场总线控制器121接收作为根据可适用的工业现场总线协议的消息的有效载荷。
这意味着第二接口103根据相应的现场总线协议接收数据。
然后执行步骤202。
在步骤202中，功能元件104为工业自动化应用110准备输入数据。在此上下文中，工业自动化应用110的输入数据是自动化技术输出值。下面参考图3解释所述准备的示例性过程。
本上下文中的准备意味着外围设备特定的、工业自动化功能从自动化技术输入值确定自动化技术输出值。外围设备特定的、工业自动化功能包括至少一个相应的预定指令。
用于工业自动化应用110的输入数据经由第一接口102提供给工业自动化应用110。
在此上下文中的提供意味着例如输入数据存储在控制装置105中的预定存储位置上，以供工业自动化应用110访问。然后执行步骤203。
在步骤203中，工业自动化应用基于从第一接口102接收的输入数据计算输出数据。在所述示例中，计算机化数字控制应用确定例如外围设备130的设定点为输出数据。输出数据同样可以代表对传感器数据的请求。
然后执行步骤204。
在步骤204中，准备现场总线120的输出数据。
工业自动化应用110的输出数据经由第一接口102通过工业自动化应用110提供。下面参考图4说明所述准备的一个例子。
在此上下文中准备意味着外围设备特定的、工业自动化功能从自动化技术输入值确定自动化技术输出值。
在此上下文中提供意味着例如将输出数据存储在控制装置105中的预定存储位置上，以供功能元件104访问，特别是供工业自动化功能访问。下面参考图4解释所述准备的示例。
然后执行步骤205。
在步骤205中，输出数据被写入现场总线120。为此，例如工业现场总线控制器121，即工业以太网主站或工业EtherCAT主站，从第二接口103接收数据并经由现场总线120发送该数据。在这一过程中使用相应的现场总线协议。
在计算机化数字控制的示例中，经由工业现场总线120发送包括有效载荷相应数据的消息。优选地，发送所有当前的输出数据，特别是自上一周期以来的第二接口103的所有数据输出。
这意味着第二接口103根据相应的现场总线协议发送数据。
这样，当前周期的输出值被发送到工业现场总线硬件。
然后所述方法结束。
优选地，第一接口102不根据相应的现场总线协议使用消息。
优选地，所述接口101可以被构造成用于现场总线控制器121和工业自动化应用110之间的附加外围设备的特定的直接通信。为此，所述接口101包括另一个接口106。另一个接口106被构造成优选为不变地转发从工业现场总线控制器121接收的任何消息。在这种情况下，工业自动化应用110被构造成从消息的有效载荷中确定输入值，计算输出值，在响应消息的有效载荷中创建响应并且优选地经由另一个接口106发送响应消息。在这种情况下，所述消息取决于相应的现场总线协议。
准备和提供输入数据或输出数据需要访问相应的对象。下面分别参考图3和图4描述示例。
图3示意性地描述了用于准备输入数据的方法。在该示例中，处理计算机化数字控制操作的输入数据。
开始之后，执行步骤301。
在步骤301中，初始化第一状态变量i。在该示例中，第一状态变量i被设置为零。
然后执行步骤302。
在步骤302中，执行测试以确定是否满足预定条件。在将外围设备特定自动化功能的至少一个预定指令分配给对象的情况下，满足预定条件。
在该示例中，对于多个受控轴，定义了以下格式的表：
BOOL plugInActive[MAX_PLUGINS][MAX_AXES]；
MAX_PLUGINS定义了可以分配的对象的最大数量。例如MAX_PLUGINS＝64。
MAX_AXES定义了可以控制的轴的最大数量。例如MAX_AXES＝3。
可经由相应对象的句柄访问特定的PlugIn，如下所示：
plugInActive[PrepareInputData][axisIndex]。
PrepareInputData是对象的句柄。外围设备特定的自动化功能是分配给所述对象的PlugIn。
如果可以使用或需要外围设备特定的PlugIn，则表中的相应值将设置为TRUE。
下面参考图6描述分配过程。
如果满足预定条件，则执行步骤303。否则，执行步骤304。
在示例中，所述测试实现如下：
plugInActive[PrepareInputData][i]＝TRUE。
在步骤303中，调用相应的工业自动化功能，并且使用对象的相应句柄来调用所述工业自动化功能。
在示例中，所述调用实现如下：
call PlugIn(PrepareInputData,i)。
工业自动化功能包含至少一条指令，以从工业自动化输入值确定工业自动化输出值。这意味着准备了工业自动化应用110的输入数据。
在计算机化数字控制的一个示例中，以第一外围设备特定格式从外围设备接收的数据被转换为计算机化数字控制的预定数据格式。在另一示例中，执行复杂的校准功能。校准功能在下文中参考图5进行解释。
产生的工业自动化功能的输入数据经由第一接口102发送。
然后执行步骤305。
在步骤304中，消息被不变地转发到工业自动化应用110。这意味着消息经由另一个接口106发送。
然后执行步骤305。
在步骤305中，第一状态变量i例如按1递增。
然后，在步骤306中，执行测试以确定是否已经处理了所有所需的输入数据。例如，在计算机化数字控制中，可以检查所有受控轴的输入数据。在测试中，可以使用第一状态变量i的阈值imax。在这种情况下，阈值imax被设置为受控轴的数量，例如3。
如果已经处理了所有输入数据，则该方法返回到图2的步骤202。在该示例中，如果状态变量i的值>i max，则该方法返回到步骤202。
否则执行步骤302。通过这种方式准备剩余的输入数据。
步骤301、305和306是可选的，例如在仅控制一个轴的情况下不使用。
图4示意性地描绘了用于准备输出数据的方法。在示例中，处理了计算机化数字控制操作的输出数据。
在开始以后，执行步骤401。
在步骤401中，第二状态变量j被初始化。在该示例中，第二状态变量j被设置为零。
然后执行步骤402。
在步骤402中，执行测试以确定是否满足预定条件。在将外围设备特定自动化功能的至少一个预定指令分配给对象的情况下，满足预定条件。
在该示例中，对于多个受控轴，使用上述表：
BOOL plugInActive[MAX_PLUGINS][MAX_AXES]；
因此，可经由句柄进行访问如下：
plugInActive[PrepareOutputData][axisIndex]；
PrepareOutputData是对象的句柄。外围设备特定的自动化功能是分配给所述对象的PlugIn。
如果可以使用或需要外围设备特定的PlugIn，表中的相应值将设置为TRUE。
下面参考图6描述分配过程。
如果满足预定条件，则执行步骤403。否则，执行步骤404。
在示例中，所述测试实现如下：
plugInActive[PrepareOutputData][j]＝TRUE。
在步骤403中，调用相应的工业自动化功能，并且将对象的相应句柄传递到所述工业自动化功能。
在示例中，所述调用实现如下：
call PlugIn(PrepareOutputData,j)。
工业自动化功能包含至少一条指令，以从工业自动化输入值确定工业自动化输出值。这意味着为外围设备130准备了工业自动化应用110的输出数据。
在计算机化数字控制的一个示例中，以计算机化数字控制的预定数据格式接收的数据被转换为第一外围设备特定格式。在另一个示例中，可以执行复杂的校准功能。校准功能在下文中参考图5进行解释。
输出数据作为根据工业现场总线协议的消息中的有效载荷经由用于工业现场总线控制器121的第二接口103发送。
然后执行步骤405。
在步骤404中，消息被不变地转发到工业现场总线控制器121。这意味着经由另一个接口106发送消息。
然后执行步骤405。
在步骤405中，第二状态变量j例如按1递增。
然后执行步骤406，进行测试以确定是否已经处理了所有所需的输出数据。例如，在计算机化数字控制中，可以检查所有受控轴的输出数据。在测试中，可以使用第二状态变量j的第二阈值jmax。在这种情况下，所述阈值jmax被设置为受控轴的数量，例如3。
如果已经处理了所有输出数据，则该方法返回到图2的步骤204。在该示例中，如果状态变量j的值>jmax，则该方法返回到步骤204。
否则执行步骤402。通过这种方式准备剩余的输出数据。
步骤401,405和406是可选的，例如在仅控制一个轴的情况下不使用。
如上所述，使用所述对象并将句柄传递到该对象允许工业应用功能110和接口101的分离。优选地，工业自动化应用110存储在第一存储器中。优选地，控制设备105包括控制对第一存储器的访问的装置。优选地，对第一存储器的访问限于预定用户。
优选地，工业自动化功能的功能元件104存储在第二存储器中。为了设置功能元件104或安装工业自动化功能，控制设备105包含人机接口或具有对第二存储器写访问的数据端口。或者，功能元件104可以是可替换的硬件。
优选地，控制设备105或接口101包括用于控制人机接口或数据端口或对第二存储器的访问的装置。优选地，操作系统控制对第二存储器的访问。例如，任何用户都能够访问第二存储器。这样，工业自动化功能可与工业自动化应用110分开访问。
根据上述步骤202和204，工业自动化应用110被构造成执行分配给对象的外围设备特定自动化功能的预定指令。这样，工业自动化应用110管理执行而非管理操作系统。这减少了处理时间。
优选地，在步骤202或204中重复执行预定指令。如在输出自动化技术输出值之前，重复调用所述预定指令，例如，直到满足预定条件。这允许例如用于校准的更复杂的功能在使用输出之前完成。参考图5解释示例。在步骤202或204中，可以开始校准程序而非准备数据。除了准备数据之外，还可以开始校准。
图5中示意性地描述的方法涉及外围设备130的校准。
在开始之后，执行步骤501。
在步骤501中，将第三状态变量k设置为标识当前轴的值。当前轴的值由管理所述方法的执行的工业自动化应用110传递。
如果只有一个轴可用，则此步骤是可选的。
然后执行步骤502。
在步骤502中，执行测试以确定是否满足预定条件。
在该示例中，对于多个受控轴使用上述表：
BOOL plugInActive[MAX_PLUGINS][MAX_AXES]；
因此，能够经由句柄访问如下：
plugInActive[AXIS_HOMING][axisIndex]。
AXIS_HOMING是对象的句柄。外围设备特定自动化功能是分配给所述对象的PlugIn。
如果可以使用或需要外围设备特定PlugIn，则表中的相应值将设置为TRUE。
下面参考图6描述分配过程。
如果满足预定条件，则执行步骤503。否则，执行步骤504。
在示例中，所述测试实现如下：
plugInActive[AXIS_HOMING][K]＝TRUE。
在步骤503中，调用相应的工业自动化功能，并将对象的相应句柄传递给工业自动化功能。
在示例中，所述调用实现如下：
call PlugIn(AXIS_HOMING，k)。
在所述调用之后，相应的插件被与工业自动化应用110并行处理。为此，工业自动化应用110或操作系统被构造成并行处理该插件。校准完成后，该方法可以返回结果。优选地，在成功校准的情况下，返回起始位置。错误也可能是返回值。返回值可以在控制设备130中提供和使用，或者发送到外围设备130。在该示例中，计算机化数字控制将返回值作为起始位置或处理错误。
在该示例中，执行复杂的校准功能。
在步骤504中，消息被不变地转发到工业现场总线控制器121。这意味着经由另一个接口106发送消息。在这种情况下不执行校准。
然后该方法返回成功。
优选地，工业自动化应用110被构造成通过访问在外围设备特定的、工业自动化功能中实现的对象进行通信，以输入或输出自动化技术值。这减少了处理时间。
优选地，工业自动化系统包括操作系统，所述操作系统被构造成为动态地加载工业自动化功能，并且为工业自动化应用110提供用于自动化功能的句柄。这参考图6描述。
优选地，在所述过程中工业自动化功能实现用于数据输入和/或数据输出的对象，并且将对象的句柄提供给工业自动化应用110。这允许任何所需对象的动态加载。
在开始之后，在计算机化数字控制装置启动后的示例中，在初始化中执行步骤601。
在步骤601中，执行测试以确定工业自动化功能是否可用。在示例中，如果存在任何工业自动化功能，则将计算机化数字控制的配置文件中包含的一位EdiDllConfigured设置为TRUE，否则将其设置为FALSE。
如果一个或多个工业自动化功能可用，则执行步骤602。否则执行步骤604。
在步骤602中，任何可用的工业自动化功能均被加载。为此，在示例中加载了动态链接库EdiDll。动态链接库包括所述工业自动化功能。
然后执行步骤603。
在步骤603中，执行工业自动化功能的初始化。在示例中，执行对动态链接库EdiDLL的init调用。示例中的动态链接库EdiDLL针对可由动态链接库管理的任何外围设备返回：
供应商的标识“VendorIdent”
外围设备的标识“ProductIdent”。
此外，可以返回外围设备类型的标识“Producttype”，例如“用于轴的驱动”或“用于主轴的驱动”，“数字组件”或“模拟组件”。
此外，可以返回接口变量的名称，如AxisName，或待使用的插件的数量，如NumberOfPluginsToBeUsed。
使用所述数据来填充表格，如数组plugInActive[MAX_PLUGINS][MAX_AXES]。这意味着如果存在设备特定的插件，则相应的值例如被设置为TRUE。
这意味着工业自动化功能返回有关外围设备的信息。
然后执行步骤604。
在步骤604中，完成控制装置105的初始化并且所述方法结束。

Claims (19)

1.一种用于工业自动化应用(110)和工业现场总线(120)之间的通信的接口(101)，包括针对工业自动化应用(110)的第一接口(102)，还包括针对现场总线控制器(121)的第二接口(103)，其中，所述现场总线控制器(121)能够操作以与外围设备(130)通信，所述接口(101)的特征在于在所述第一接口(102)和所述第二接口(130)之间的功能元件(104)，所述功能元件(104)包括外围设备特定的、工业自动化功能的实现。
2.根据权利要求1所述的接口(101)，其中，所述现场总线控制器(121)被实现为工业以太网主站或EtherCAT主站。
3.根据前述权利要求中任一项所述的接口(101)，所述接口(101)被构造成用于在10μs、50μs、64.5μs、125μs和250μs中的任何一个以及4ms、10ms和20ms中的任何一个之间的工作周期中进行实时处理。
4.根据前述权利要求中任一项所述的接口(101)，其中，所述外围设备特定的、工业自动化功能包括至少一个预定指令以从自动化技术输入值确定自动化技术输出值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的接口(101)，其中，所述工业自动化应用(110)被构造成通过以下经由所述现场总线(120)通信，优选为循环地通信：
访问在所述外围设备特定的、工业自动化功能中实现的对象，以用于输入或输出自动化技术值，以及
执行分配给所述对象的所述外围设备特定的、自动化功能的至少一个预定指令。
6.根据权利要求4或5所述的接口(101)，其中，在输出自动化技术输出值之前，重复调用所述至少一个预定指令直到满足预定条件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的接口(101)，还包括第三接口(106)，所述第三接口(106)被构造成用于在所述现场总线控制器(121)和所述工业自动化应用(110)之间的附加外围设备特定的直接通信。
8.根据前述权利要求中任一项所述的接口(101)，其中，所述工业自动化应用(110)是计算机化数字控制应用。
9.根据前述权利要求中任一项所述的接口(101)，所述接口(101)构造有可动态加载的工业自动化功能，所述可动态加载的工业自动化功能包括用于数据输入和/或数据输出的对象，所述对象能够经由所述对象的预定句柄通过所述工业自动化应用(110)访问。
10.一种计算机化数字控制(CNC)装置，其特征在于根据权利要求1至10中任一项所述的接口(101)。
11.一种用于经由接口(101)将工业自动化应用(110)连接到工业现场总线(120)的方法，其中，现场总线控制器(121)适用于经由工业现场总线(120)与外围设备(130)通信，其特征在于，处理在针对所述工业自动化应用(110)的第一接口(102)和针对所述总线控制器(121)的第二接口(103)之间的功能元件(104)处的数据，其中，在所述功能元件(104)处，根据外围设备特定的、工业自动化功能的实现接收输入数据或发送输出数据。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述现场总线控制器(121)实现为工业以太网主站或EtherCAT主站。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，所述方法被构造成用于在10μs、50μs、64.5μs、125μs和250μs中的任何一个以及4ms、10ms和20ms中的任何一个之间的工作周期中进行实时处理。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述外围设备特定的、工业自动化功能包括至少一个预定指令，以从自动化技术输入值确定自动化技术输出值。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，包括经由所述现场总线(120)优选为循环地通信，通过：
访问在所述外围设备特定的、工业自动化功能中实现的对象，以用于输入或输出自动化技术值，以及
执行分配给所述对象的所述外围设备特定的、自动化功能的至少一个预定指令。
16.根据权利要求14或15所述的方法，包括在输出自动化技术输出值之前，重复调用所述至少一个预定指令直到满足预定条件。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，还包括在所述现场总线控制器(121)和所述工业自动化应用(110)之间的附加外围设备特定的、直接通信。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其中，所述工业自动化应用是计算机化数字控制(CNC)应用。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的方法，包括：
通过操作系统动态加载所述工业自动化功能，其中，所述工业自动化功能包括用于数据输入和/或数据输出的对象，
经由所述对象的预定句柄通过所述工业自动化应用(110)访问所述对象。
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