CN113811499B - 一种模块化输送机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化输送机系统（10）及控制方法，包括多个输送机模块（11），所述输送机模块（11）包括：至少一个输送机设备（13），至少一个电源，至少一个用于驱动所述输送机设备（13）的执行器，一个用于控制所述执行器的输出单元，以及一个集成控制单元（12）；其中，所述集成控制单元（12）具有用于处理信息的计算单元和通信单元（14），所述通信单元（14）以两个逻辑通信级的方式进行所述输送机模块（11）的通信，一方面进行所述输送机模块（11）与中央控制系统的通信，和/或另一方面进行所述输送机模块（11）相互之间的通信。

Description

一种模块化输送机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种模块化输送机系统及控制方法，是用于改善模块化输送机系统通信的设备和方法。

背景技术

在现代工厂工程以及输送机系统中，物流物体诸如箱子、容器、托盘、货盘等，以及工件或工件载体借助于物料流系统来运输。这些系统由机械结构、电气布线和控制系统组成。

现代物料流系统通常以机械模块化的方式构建。输送机模块包括输送机、转向器、弯道、交叉、合并装置或合并器、传送台等。取决于长度、辊间距、宽度、容量等，每个模块可用在众多配置中。输送机系统的组成为连接在一起的多个不同的输送机模块。

在传统的输送机模块中，要运输的物体小于输送机模块本身。通常，一个或多个物体可以同时被放置在输送机模块上。单纯输送机模块就能够长距离输送物体。大于要输送的材料的输送机模块被称为大型输送机模块。在另一方面小于要输送的材料的输送机模块被称为小型输送机模块。在这种情况下，多个输送机模块被要求在任何给定时间输送要输送的材料。取决于驱动器的设计，这些输送机模块可以是单向的、双向的或全向的。小型输送机模块代表相对近的发展。它们将一般被布置成三角形、正方形或六边形网格。然而，也可能是不规则的网格。

物料流系统的控制通常被实施作为中央控制系统，并且被分布在几个级上。上级的级（例如仓库管理系统–WMS）其中存储用于物料流正确序列的逻辑，将用于以高级语言执行的命令转发到下级控制系统。第二级由分布在整个工厂的一个或多个可编程逻辑控制器组成，并且负责控制输送机模块。该级可以处理来自传感器或外部系统的数据，并且开动驱动器和致动器。在这种情况下，驱动器、执行器和传感器可以直接连接到PLC。现代输送机模块还具有第三个控制级，即所谓的“本地控制”。这些本地控内置于输送机模块中，极接近于驱动器/传感器。它们可以处理少量的传感器信号并且控制少量的驱动器。它们可以独立地执行限于本地级的相对简单的任务，诸如所谓的零压力堆积，其中物体在启动/停止操作中一个接一个地移动，而不会接触到彼此。在EP2455310A1中描述了此种用于零压力堆积输送机的控制系统的示例。

物料流系统的电源是完全集中式的，或部分分散式的。在集中式电源的情况下，所有输送机模块直接由控制柜供电。

规划物料搬运系统直到其使用的过程始于布局规划。此时，定义系统的功能和要达成的性能参数，拟定规格，以及经常将项目发出去招标。系统集成商制定技术概念、布局规划和输送机模块的选择以供实施，并且提交他们的标书。这一过程通常需要几周，并且涉及大量的人员成本和申请人投标结果的不确定性。一旦标书被接受，详细规划开始，指定布局，并且设计和度量输送机模块。各模块的生产仅能够在规划完成并且被客户接受之后进行，因为从这一点开始，过程或布局中的变化实施起来会非常耗时，并且成本很高。生产主要是以客户特和订单特定的方式实施的，并且可能需要几个月的时间。由于客户特定的适应性，输送机模块很少能够现货生产。出于实际原因，通常不会在制造商现场进行完全调试。现场机械组装之后，铺设用于控制系统电缆。它们可以安装在输送机模块中。驱动器和传感器系统可以直接布线到上级控制器（PLC）。例如，用来控制电动辊的本地控制器既可以直接布线到上级控制器（PLC），也可以经由总线系统连接。电源以类似的方式提供。电压经由平行线路馈送到相应的驱动器。这致使非常大的电缆线束，会导致高材料成本和高安装成本。

随后，进行调试。手动进入工厂的拓扑，定址输送机模块和驱动器，并且执行首次布线测试。该过程被称为配置。布线和定址错误仅可能在此时被检测到。此时，故障排除和更改更加耗时，因为调试通常进行在稍后的时间点，并且由不同于负责组装的团队实施。因此，工厂的布局被确定了两次；第一次在机械组装期间，并且第二次在工厂配置期间。

在工厂的使用寿命期间，实施功能、编程或布局的更改也是常见的。由于模块仅在机械级上是模块化的，并且编程和布线仍是集中完成的，因此更换工厂的成本非常高，并且在某些情况下，这是不可能的。购买新工厂通常比改造旧工厂更便宜。

这个问题是众所周知的，并且有一些输送机系统试图简化这些过程或消除缺点。

从FR2991976中已知，一种具有分散式控制的模块化机械结构的输送机系统，该控制安装在输送机系统的每个输送机模块中。传统的模块被用作输送机模块，诸如辊式输送机、传送台、传送带等。输送机模块在制造厂布线。集成控制器（所谓的卡）由以下组成：处理器（计算单元）、用于与输送机系统的驱动器或其控制器进行信号交换的第一通信接口（I/O或现场总线）以及用于相邻的输送机模块或其控制器之间的数据交换的第二通信单元。通信单元具有最多四个连接（下游、上游、左侧和右侧），并且经由标准协议（尤其是以太网协议）与其近邻通信。此外，该公布公开了一种在机械建造工厂之后自动识别工厂拓扑的方法。主计算机（PLC）向第一卡询问工厂的拓扑。该卡向下游和上游发送带有其ID的消息。接收卡将其ID添加到消息中，并且转发该消息。当到达分支时，该分支的ID被添加到消息中，消息被复制并且发送到每个输出。消息的分支是使用开关来实施的。当到达合并点时，模块的ID被添加到消息中，并且消息被向下游转发。重复这种转发，直到消息到达链的末端。消息于是包含已通过的所有模块的ID列表。消息透过已经采用的路线发回，并且最终传输到主计算机。计算机收集所有信息，并且从列表中形成工厂拓扑。

每个卡都经由以太网与其近邻通信。利用每个传输，消息必须由计算单元来处理。在分支的情况下，必须经由开关在正确的方向上路由。每个传输增加了通信的时延。这随着布局中模块和分支的数量而进一步增加。延迟因而不是确定性的，并且通信因而不会实时进行。由于该系统仅使用大规模输送机模块，所以物体的输送速度远低于信息的传输速度。因此，延迟不再重要。在具有大量模块的工厂中，或者当输送机模块的尺寸减小或分支数量增加时，时延变得至关重要。因此，这种通信架构不适用于非常大的工厂或小型输送机系统。

DE102008059529公开了一种具有集成控制器的模块化输送机系统。该系统由多个正方形传送台组成，这些转移台在纵向和横向两个方向上引导移动。每个输送机模块都具有带适当马达控制器的两个驱动器和一个集成控制器，其架构类似于前面的示例。集成控制器经由以太网接口相互通信。在制造厂，模块被分配一个模块标识号。首先，相邻的模块交换该标识号。基于此，输送机模块可以创建并且存储路线表。相邻的输送机模块与其他近邻交换消息，并且自己创建路线表。表被发送到上游，以使这些输送机模块可以扩展路线表。如果这个过程重复得足够频繁，系统的整个拓扑可以被映射并且被存储在每个输送机模块的本地。控制器本身由以下组成：用于处理信号的微控制器（即计算单元）、用于输送机模块之间的数据交换的基于以太网的通信接口，以及用于控制独立马达控制器的接口（垂直接口）。借助于合适的逻辑，输送机系统能够分散地计算用于运输物体的路线。该系统在时延方面具有与FR2991976的系统相同的缺点。

从DE202012001229中已知，小型输送机系统由多个矩形输送机模块组成，这些模块也以矩阵形式彼此正交布置。每个模块包含两个马达，一个用于驱动辊，并且一个用于调整输送方向。控制器是分散式的，并且内置于每个模块中。它由以下组成：用于处理数据的计算单元、用于控制驱动器的接口，以及用于在相邻的模块之间交换数据的通信接口。通信利用串行协议进行，并且经由位于输送机模块四个侧面的每个侧面上的光电二极管进行无线通信。模块无法识别工厂的拓扑。每个跳跃时，来自光接收器的数据必须被读取，在微控制器中处理，以及利用发光二极管发送。数据传输因而在非常高的时延的情况下进行，这仅可能通过复杂的逻辑和机械设置来部分地补偿。因此，规模较大的工厂无法实施。

从WO2008/135371A2中已知一种输送机模块及具有能够确定其自身的拓扑的集成控制系统的输送机系统。输送机模块可以具有任意的输送功能，其中，通过使用标识构件（例如条形码、RFID、应答器等）来配置系统的过程包括关于输送机元件类型（类型、长度、形状等）和关于传送点（耦合点）的信息。机械组装完成之后，将读出耦合点和分型代码。标识构件可以手动或自动读出。优选地，读取是成对实施的，因此，两个标识构件来自相邻的输送机模块。在自动化过程中，控制器相互通信并且交换这些信息。该信息可以用来准备描述系统的（部分）拓扑的图形。还提及到该过程可以由自动化计算机中的软件来启动。

迄今已知的所有模块化输送机系统因此具有用于与中央控制系统的通信选项和用于输送机模块之间的通信选项。

尽管已知的输送机系统还具有另外一些通信接口，但是这两个或另外一些通信级不用于个体输送机模块之间的通信，而是特别用于向控制模块的输送机设备的驱动的马达控制器的数据传送。EP2455310A1的零压力堆积输送机工厂或US7035714B2的输送机工厂也是这种情况。

由于高时延，先前已知的具有集成控制单元和部分分散式控制的输送机系统因而不适用于具有许多个体输送机模块的大规模系统。此外，目前的系统在它们的设置方面，并且特别是在系统拓扑的后续更改方面的可变性需要改进。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种模块化输送机系统及控制方法，是一种用于改善模块化输送机系统的通信的设备和方法，该设备和方法以部分分散式控制成为可能的方式实现具有许多个体输送机模块的大规模输送机系统和具有少数个体输送机模块的小规模输送机系统两者的可变控制。应该特别注意的是，如果可能的话，通信的时延保持在低水平或完全避免。此外，用以提供更改发生时改进的可变性，以便能够更快地执行更改并且还减少规划和设置时间，特别是对于具有许多个体输送机模块的大规模输送机系统，以及简化整个过程。

本发明实施例将该目的通过一种模块化输送机系统来达成，该系统包括多个输送机模块，其中，所述输送机模块包括：

- 至少一个输送机设备，

- 至少一个电源，

- 至少一个用于驱动输送机设备的执行器，

- 一个用于控制执行器的输出单元，以及

- 一个集成控制单元，

其中，集成控制单元具有用于处理信息的计算单元和通信单元，所述通信单元以两个逻辑通信级的方式进行所述输送机模块的通信，一方面进行所述输送机模块与中央控制系统的通信，和/或另一方面进行所述输送机模块相互之间的通信。

在本发明的上下文中，术语“模块化输送机系统”被理解为特别意指能够运输、分类和移动多种物流物体诸如包裹、箱子、容器、托盘、货盘以及工件或工件载体的输送机系统。此模块化输送机系统由多个单独输送机模块组成。

在本发明的含义中，术语“个体输送机模块”，或简称为“输送机模块”，被理解为特别意指能够在空间上要运输物体的输送机设备。这包括物体的平移和旋转。此优选个体输送机模块的示例包括输送机、转向器、弯道、交叉、合并装置或合并器、传送台等。取决于长度、辊间距、宽度、容量等，每个模块可用在众多配置中。大于要输送的材料的输送机模块被称为大型输送机模块。在另一方面小于要输送材料的输送机模块被称为小型输送机模块。在这种情况下，多个输送机模块被要求在任何给定时间输送材料。取决于执行器的设计，这些输送机模块可以是单向的、双向的或全向的。小型输送机模块代表是相互接近的。它们将通常被布置成三角形、正方形或六边形网格。也可能是不规则的网格。

换句话说，本发明涉及一种模块化输送机系统，该模块化输送机系统由多个具有集成控制的输送机模块组成。该输送机系统可以仅由大型、仅由大型或者由大型和小型输送机模块的混合组成。

输送机设备被理解为集成在个体输送机模块中的辊、皮带等，其被提供用于物体的移动或旋转。它们可以具有各种功能，特别是在移动方向方面，并且对于本领域技术人员来说一般都是已知的。

电力供应用以在下文中被理解为不仅包括电源、转换器等，而且还包括电缆、连接头和类似的连接，通过这些连接可以将电流供应到输送机模块。

术语“用于驱动输送机装置的执行器”被理解为特别意指马达，优选为电动马达，其可以使输送机设备运动。例如，执行器被提供用于个体输送机模块的每个输送机设备。然而，也有可能仅提供用于个体输送机模块中的多个输送机设备的一个执行器。

在本发明的含义中，术语“用于控制执行器的输出单元”最一般地指用于接通和断开输送机设备的开关。然而，优选地，使用马达控制器（缩写为MC），其不仅实现选择性地接通和断开输送机设备，还可以控制例如速度和方向。术语“用于控制致执行器的输出单元”因此与术语“马达控制器（MC）”同义。

根据本发明，每个个体输送机模块具有一个集成控制单元。该集成控制单元包括用于处理信息的计算单元，和通信单元。该通信单元被设计成一方面执行个体输送机模块与中央控制系统的通信，和/或另一方面执行个体模块相互之间的通信。

此外，根据本发明，该通信单元被提供以个体输送机模块在两个逻辑通信级上相互通信的方式执行个体输送机模块相互之间的通信。因此，这并不意味着与个体输送机模块内的马达控制器或与另一个体输送机模块的马达控制器的通信，而是相应的个体输送机模块的集成控制单元之间的通信。

这代表了与已知的输送机系统及其控制架构的决定性区别，因为这些已知的系统包括到马达控制器的通信接口和用于个体输送机模块之间的通信的通信接口，但是没有用于个体输送机模块之间的通信的第二通信级。

根据本发明，相应的个体输送机模块之间的通信，即换句话来说，个体输送机模块经由集成控制单元相互之间的通信，在两个逻辑通信级上实施。术语“逻辑（水平）通信级”在本发明的上下文中的含义是基于针对作为分层架构的网络协议的ISO/OSI参考模型。在ISO/OSI模型中，两个逻辑通信级可以并行驻留在单个层中。基于ISO/OSI参考模型的协议的示例包括CAN、Profinet、EtherCAT、Ethernet IP等。

根据本发明，两个逻辑通信级由两个单独的并且独立的接口系统来实施。可以并行操作两个通信接口。一级，例如第一级，优选地还用于本发明范围内的系统的布局识别和配置，并且另一级，例如第二级，优选地用于本发明范围内的个体输送机模块的功能操作。

两个通信级（在本文中同义：通信系统）或其布线优选地总是平行行进，并且连同个体输送机模块相互之间的机械设置。

因此，根据本发明的输送机系统中的物料流的拓扑结构与通信网络的拓扑结构相同。

根据本发明的布置使得有可能以部分分散式控制成为可能的方式可变地控制具有许多个体输送机模块的大规模输送机系统和具有少数个体输送机模块的小规模输送机系统。由于用于个体输送机模块相互之间的通信的两个并行通信级，有可能首次完全避免时延。此外，提供了在更改的情况下改进的可变性，以便能够更快地进行更改并且还减少规划和安装时间，特别是对于具有许多个体输送机模块的大规模输送机系统，以及简化整个过程。

有利的是，个体输送机模块控制器可以以任何方式进行布线，甚至以不兼容实时通信接口（例如，网状或环形拓扑）的组合方式进行布线。根据本发明，这些组合可以在配置期间借助于第一通信级（即，第一通信系统）来识别。第二通信级随后被配置（切换）为使得这些不兼容的组合被解决。

此外，在配置之后，两个通信级可以有利地互换使用。因此，在根据本发明的输送机系统中，状态消息可以被异步传送，即，不仅是循序地，也可以同时间控制地。这给控制功能带来了相当大的可变性和效率，并且因此给输送机系统的上级操作和修改带来了可能性。

在本发明的优选配置中，通信单元被设计成使得个体输送机模块之间的第一通信级包括非实时能力的异步通信协议。

特别优选地，该第一通信级还用来配置输送机系统。输送机系统的配置或输送机系统的控制器的配置还包括输送机系统的布局的识别。

根据本发明的输送机通的另外一个优选配置中，通信单元被设计成使得第二通信级在个体输送机模块之前被提供用于控制相应的至少一个输送机设备，第二通信级被设计成为具有实时同步通信能力。

因此，第一个体输送机模块经由第二通信级控制第二个体输送机模块，该第二单个输送机模块优选地在输送机系统中邻近第一个体输送机模块布置。换句话说，第二通信级的主要功能是执行并且确保输送机路径内的过程的调整。每个输送机区段装置与每个个体输送机模块、与每个其他输送机模块和/或同时与上级接口（例如与中央控制系统）的通信经由第二通信级进行。

以这种方式，可以在个体输送机模块之间和/或与中央控制系统建立实时能力通信线路。取消了将每个个体输送机模块布线到中央控制系统或者可能任何其他个体输送机模块。这不仅简化了设置，还实现了快速检测和更换有缺陷的个体输送机模块。另外，根据本发明的系统还实现了额外的个体输送机模块的扩展或增加，而不需要通过整个工厂引入新的电缆连接。

在本发明的另外一个方面，还有可能不再提供输送机系统的任何中央控制，而是经由个体输送机模块的集成控制来以分散式的方式实施输送机系统的控制。

结果是，有可能进一步增加根据本发明的输送机系统的灵活性和可变性。此外，以这种方式，可以快速并且以节约资源的方式来规划和设置输送机系统。

在本发明的另外一个配置中，在系统操作期间可以并行操作两个通信级。

串行接口（例如UART接口）和/或以太网接口和/或网状网接口优选地被提供作为用于第一通信级的接口。

串行接口（例如UART接口）用来经由数据线传输和接收数据，并且代表了PC和微控制器上的串行接口的标准。接口在工业部门也非常常见，有各种标准，诸如RS-232或EIA-485。

无线电协议特别还对于网状能力接口可用。目前，紫峰、Z波和专有无线电技术占主导地位，而其他技术，诸如线程和蓝牙网，对市场来说是新的技术。虽然还可以使用蓝牙低功耗和WiFi，但它们不支持网状网络。

总线接口、和/或基于以太网的接口、和/或线形、星形和/或环形拓扑优选地被提供作为用于第二通信级的接口。

总线接口的示例包括CAN和Profi-BUS等等。基于以太网的接口的示例包括Profinet、EtherCAT、Ethernet IP等。

取决于系统布局的要求，还可以提供其他拓扑。

在本发明的另一实施例中，个体输送机模块的通信单元包括多个连接，优选地，连接的数量对应于个体输送机模块与之通信的相邻的个体输送机模块的数量。

在本发明的含义中，术语“相邻的个体输送机模块”被理解为，例如，邻近第一个体输送机模块布置并且能够将物流物体传送到第一个体输送机模块或从其接收物流物体的那些其他个体输送机模块。

类似地，优选地，还有可能为每个个体输送机模块提供相等数量的连接，而不管其近邻的数量，特别是对应于系统中可能的近邻的最高数量的数量。相应地，不需要的连接则不会被占用或连接。

以这种方式，可以达成个体输送机模块的最大可能的可变性，并且有利于输送机系统的重新配置。

在本发明的含义中的连接不仅被理解为电缆连接，还被理解为插头连接、光纤连接或通过光或通过电磁传输数据的无线连接。

由于个体输送机模块可以通信地连接到几个相邻的模块，所以形成了通信的网状拓扑，以使可以经由几个路径给特定的输送机模块供应数据。如果经由路径中的一个路径的数据传输由于故障或失灵而被中断，则仍可以经由其他路径给其余相邻的模块供应数据。结果是，可以进一步增加整个系统抵御故障的稳健性。

在根据本发明的输送机系统的另外一个配置中，另外一些传感器或执行器可以经由非实时能力接口连接到个体输送机模块。

在本发明的本实施例的含义中，另外一些传感器或致动器被理解为特别是意指外部传感器和致动器，它们不是个体输送机模块的一部分，而仅可以连接到个体输送机模块。同样地，还包括已经在制造厂安装在个体输送机模块中的此种传感器或致动器。

此外，外部传感器和致动器可以经由非实时能力接口直接连接到个体输送机模块。来自传感器或执行器的信号可以在模块中直接被处理，并且可以做出简单的决定。同样地，例如，有可能将来自传感器或执行器的信号经由两个通信级中的一个通信级路由到中央控制器和/或另外一些体输送机模块以用于进一步处理。

此外，还有可能将外部传感器或执行器连接到实时能力接口。

在根据本发明的输送机系统的优选配置中，电力供应借助于电缆从个体输送机模块向邻近的个体输送机模块提供。

以这种方式，电力供应可以从一个个体输送机模块循环到下一个个体输送机模块。结果是，可以达成布线的显著减少。

由于个体输送机模块可以连接到几个相邻的模块，所以形成了电力供应的网状拓扑，以使可以经由几个路径给特定的输送机模块供电。如果经由路径中的一个路径的电力供应由于故障或失灵而被中断，则可以继续经由其他路径给其余相邻的模块供电。结果是，可以增加整个系统抵御故障的稳健性。

到模块的电力供应通常经由一个或多个连接来提供。经由公共或工业网络给工厂供应230V或400V的电压。根据机械指令，电压经由电力供应单元被调低至等于或低于60V，以便保持在超低电压范围内。优选地，使用48V或24V，因为这在驱动技术中是很常见的。考虑到能量密度、工厂的电气安全和连接的技术可行性，优选48V。

输入电压可以定位在根据本发明的输送机系统的工厂中的任何位置。由于电力供应的网状网络，额外的输入也可以定位在工厂的任何位置。

在本发明的另一实施例中，辊式输送机、转向器、曲线输送机或合并的大型个体输送机模块，和/或不是上述设备的小型个体输送机模块及其多个个体输送机模块的组合形成了所述输送机模块。

对于大型和小型个体输送机模块之间的区别，完全参考上面给出的描述。

该目的还通过一种用于控制包括多个个体输送机模块的输送机系统的方法来达成，其中，一个个体输送机模块包括至少一个输送机设备、至少一个用于驱动输送机装置的执行器以及一个集成控制单元，其中，集成控制单元具有执行以下步骤的通信单元：

- 与管理系统交换信息，该管理系统包括要输送的物料流的逻辑，

- 在个体输送机模块之间提供第一通信级，以用于利用非实时能力的通信协议来配置输送机系统，以及

- 在个体输送机模块之间提供第二通信级，该第二通信级被提供用于控制相应的至少一个输送机设备，其中，第二通信级被设计成为具有实时通信能力。

根据本发明的方法，两个通信级因此被设计成一方面用于个体输送机模块的集成控制单元相互之间的通信，并且如果需要，用于个体输送机模块的集成控制单元与例如中央控制系统或中央仓库管理系统的通信。然而，这不包括与马达控制器的通信，即与用于输送机装置（诸如辊）的致动器的控制单元的通信。根据本发明，该通信级被认为是另外一个、第三通信级。

这代表了与先前已知的输送机系统及其控制架构的决定性区别，因为这些已知的系统包括到马达控制器的通信接口和用于模块之间的通信的通信接口，但是没有用于模块相互之间的通信的第二通信级。

此外，在目前的情况下，可以经由根据本发明提供的两个通信级双向或全向交换信号，这对于先前已知的输送机系统的通信级是不可能的，因为它们只提供单向信号传输。

当然，两个通信级可以同时发挥作用。例如，实时接口可以用来操作工厂，而布局的一致性总是可以经由非实时接口来并行检查。如果模块故障，会立即被检测到。然后，工厂可以受控停止，而不会导致所谓的事故，即物体与工厂之间的碰撞。

在根据本发明的方法的优选实施例中，第一通信级由无需任何预配置或定址便能够通信的协议组成，并且特别是，能够经由网状拓扑进行通信的协议。

在本发明的另一优选实施例中，第二通信级由总线、星形或环形拓扑进行通信的协议组成，特别是CAN或CAN开放协议或基于以太网的协议。

另外有利的配置是从属权利要求和详细描述的主题。

附图说明

下面参考附图所示的示例性实施例来更详细地解释本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的在每种情况下具有用于第一通信级的可能通信路径的不同几何形状的个体输送机模块布置的示意图；

图2示出了根据本发明的另外一个示例性实施例的输送机模块的示意图；

图3示出了根据本发明的示例性实施例的具有用于第二通信级通信路径的相同几何形状的输送机模块的布置的示意图；

图4示出了本发明的示例性配置的示意图；

图5示出了根据图4的两个输送机模块的放大细节图示；

图6示出了根据另一示例性配置的根据本发明输送机系统的示意图，以及

图7示出了根据另一示例性配置的根据本发明的输送机系统示意图。

具体实施方式

在下文中，用参考附图来详细描述本发明。应当注意，描述了不同的方面，每个方面都可以单独地使用或组合地使用，即任何方面都可以与本发明的不同实施例一起使用，除非被明确表示为纯替代方案。

此外，为了简单起见，在下文中一般仅提及一个实体。然而，除非明确指出，本发明在每种情况下也可以具有多个相关实体。就这一点来说，单词“一种”、“一”和“一个”的使用用以被理解为仅指示在简单实施例中使用了至少一个实体。

在图1所示的不同几何形状的个体输送机模块11的示意性布置中，在每种情况下都示出了根据本发明的示例性实施例的用于第一通信级K1的可能通信路径。小型个体输送机模块11各自具有相同的几何形状，该几何形状为三角形、正方形或六边形，并且这些小型个体输送机模块以它们形成了完全封闭的表面（所谓的理想型镶嵌）的方式连接以形成（部分）输送机系统10。虚线示出了根据本发明的个体输送机模块11相互之间的第一通信级K1的通信的拓扑。

第一通信级K1由无需任何预配置或定址便能够通信的通信协议组成。然而，任何拓扑结构（线形、星形、环形、树形、网状等）中的通信应该都是可能的。该协议为异步协议，不必为具有同步实时能力的。例如，该协议可以是串行、以太网等。在个体输送机模块11的所描绘布置的相应的左侧，模块连接到所有近邻。然而，在图示的相应的右侧，模块仅连接到一些近邻。

图2示出了根据本发明的另外一个示例性实施例的个体输送机模块11的示意图。六边形个体输送机模块11具有多个用于第一通信级的连接15，如左侧图所示，以及用于第二通信级的连接15，如右侧图所示，并且它们可以与多个相邻的模块通信。连接15连接到作为控制单元12的一部分的计算单元。因此，输送机模块11可以总是与所有近邻交换信息。

图2中的图示示出了具有两个通信级的个体输送机模块11的控制单元12中的通信单元14的布置。被表示为：

R：计算单元， K1：第一通信级，1-6：第一通信级的通信端口，

K2：第二通信级，以及T：终端或终端电阻。

某些总线（BUS）系统（例如CAN）可能需要在总线线路末端安装一个电阻。例如，以太网系统不需要此电阻。

如果需要，穿过第一通信级K1的数据由计算单元R来处理，并且被转发。然而，由于计算单元以循环或时钟方式操作，所以它一次仅可以处理一个消息。因此，消息必须在其可以被转发之前被处理。这致使接收与转发到任何近邻之间的非确定性的时间延迟。

因此，优选考虑的是，过时的电报不会停留在系统中，因为否则线路很快就会过载。由于每个连接15连接到个体输送机模块11的控制单元12的计算单元，所以在此可以检查每个电报的相关性。这样一来，消息由计算单元来接收并且检查。如果信息是新的，则它由模块来处理，并且如果需要，被转发到其余连接15。然而，如果信息不相关，即已过期或已被接收，则电报会被删除。这确保了仅相关信息保留在系统中。这种类型的通信具有的优点是，尽管是网状拓扑，所有模块11都可以相互通信。然而，由于计算单元以循环或时钟方式操作，所以它一次仅可以处理一个消息。因此，消息必须在其可以被转发之前被处理。这在接收与转发到任何近邻之间造成了非确定性的时间延迟。在许多传输的情况下，延迟可能会很快达到不可接受的范围。因此，此非实时接口不适用于在具有众多节点的拓扑内操作个体输送机模块11相互之间的通信。

虽然如此，第一通信级K1的接口提供了决定性的优势。利用合适的方法，该方法中每个输送机模块11与其近邻交换其自身的标识，通信网络的拓扑并且因此物料流网络可以被唯一地映射。这个过程不是时间关键的，因为它在工厂调试期间仅进行一次。因此，出于上述原因，根据本发明，非实时能力通信K1适用于拓扑的识别和另外一个（第二）通信级K2的配置。

为了自动确定布局并且因此确定输送机系统的拓扑，定义了坐标系，例如修改过的笛卡尔坐标系，利用该坐标系，每个个体输送机模块被分配唯一且一次性的坐标，该坐标也用作输送机模块标识符。该标识符不需要预先存储在输送机模块的控制单元中，因此不存在“默认地址”或预先配置的地址。相反，标识符是在自配置期间生成的。对于仅形成一个线路的输送机系统，坐标系可以是一维的。然而，由于输送机系统包括分支、环路、合并、交叉等，优选多维坐标系。取决于输送机系统的属性，坐标系可以被更改为另一种类型（例如，轴向、立方、偏移、极坐标系）。实施了配置之后，也可以更改坐标系。因此，配置是动态的。

输送机系统的布局并且因此拓扑是由通信级K1识别的，并且通信级K2是基于此来配置的。第一输送机模块或中央控制系统被赋予任何坐标。输送机模块向第一通信级的所有可用通信端口发送配置请求（广播）。该请求包含模块自身的坐标以及关于输送机模块类型、输送机模块的几何形状和经由其发送通信请求的端口号的信息，等等。如果另外一个输送机模块连接到端口中的一个端口，则该请求将在该处被接收和处理。已经接收到该请求的另外一个输送机模块基于接收到的信息来计算其自身的坐标，并且经由接收到配置请求的端口将其作为确认消息连同包括其自身的输送机模块类型、输送机模块几何形状、输送机模块的技术属性和端口号的信息一起发回第一输送机模块的控制单元。以这种方式，第一输送机模块的控制单元识别输送机模块（或控制单元）是否连接并且它们连接到的是哪些通信端口。在下一个输送机模块的另外一个控制单元发回了确认消息之后，它将配置请求转发到模块的自由通信端口。重复该过程，直到不再接收到确认（即不再存在相邻的输送机模块）。这意味着所连接的输送机模块的所有控制单元已经被定址至少一次，已经对它们自己进行了配置，并且已经经由所谓的上传路由过程将关于它们自身在坐标系中的坐标、输送机模块类型和输送机模块几何形状以及输送机模块的其他技术属性的信息等等转发到先前的控制单元、第一控制单元或者中央控制系统（如果适用）。以这种方式，整个系统的布局被识别，并且相应的控制单元并且因此相应的个体输送机模块也被清楚地标识。

众所周知，总线系统支持多种拓扑结构（线形、环形、星形、树形等），但不支持网状拓扑。然而，输送机工厂，即输送机系统，可以在任何拓扑中找到，特别是网状拓扑。为了配置第二通信级，工厂的网状拓扑必须被分成由实时通信系统支持的子组或子拓扑。出于这个目的，在第一输送机模块的控制单元中的一个控制单元或在中央控制系统中分析整个输送机系统的布局，并且计算适用于实时通信的子拓扑，借助于该子拓扑可以映射设备的整个拓扑。例如，这可以是一个或多个逻辑总线拓扑或树形拓扑，它们可以一起构建物理网状网络。该信息用来配置第二通信级K2。基于所计算的子拓扑，对于第二通信级K2的配置生成用于输送机模块的个体控制单元的计算机单元的个体命令，并且经由第一通信级K1来发送。由于所有的输送机模块现在在第一通信级K1上都具有唯一的标识符，因此这些命令可以被专门发送（非广播）到相关的输送机模块。取决于使用的接口，命令的格式和/或被包含在命令中的动作可能不同。例如，对于EtherCAT，这可以是用于接通/断开EtherCAT ASIC端口的命令。对于CAN，其可以是总线开关的一个开关。利用这种方法，在大多数情况下，可以找到至少一个有效的统一拓扑（即没有子拓扑），利用该拓扑可以映射完整的系统。在其余情况下，几个有效的拓扑是可能的或必要的。这些子拓扑可以经由通过第一通信系统的迂回（detour）来连接，从而在这种情况下，消息从一个子拓扑被传送到另一子拓扑。

输送机模块11可以连接到所有近邻，并且因此交换数据，但是对于第一通信级K1，它们不必连接到所有近邻。图1示出了当连接了所有近邻时（在每种情况下的左侧）和当它们只连接到一些近邻时（在每种情况下的右侧）第一通信级K1的拓扑。应当注意，该第一通信级K1允许数据的多个输入和输出。同样地，模块11可以具有单个连接15，而不会破坏拓扑并且阻碍通信。不同的拓扑可以用于具有任何几何形状的输送机模块11。

第二通信级K2是专用单元，一旦被配置，它本身就处理通信。在经由第二通信级K2的通信期间，计算单元R因而不被加载。经由第二通信级K2的通信是确定性的和具有实时同步处理能力。因而它非常适合于节点丰富的拓扑内的通信。传统的实时接口支持总线、线形、星形和/或环形拓扑等。实时协议诸如CAN、CANopen、Profinet、EtherCAT等是非常常见的。然而，它们仅支持例如总线拓扑或树形拓扑，并且不能在网状拓扑中通信，因为这代表可能导致通信错误的无效拓扑。然而，由于输送机系统10的拓扑已经经由第一通信级K1而被识别，该信息可以有利地用来为第二通信级K2人工构建合适的拓扑，从而可以使用标准总线或以太网系统。

在本发明的优选实施例中，第二通信级K2由单个CAN接口组成，其中每个通信单元具有一个或多个总线开关。总线开关借助于合适的接口（例如：i/o、SPI或I2C）连接到计算单元R。此外，也连接到总线开关的终端电阻器T（所谓的总线终端）安装在每个模块11中。

当模块11接通时，CAN接口与总线开关的所有开关断开。每个模块11经由第一通信级K1接收针对第二通信级K2的配置的消息。该消息包含总线开关中的一对要闭合的开关，等等。接通总线开关的晶体管，并且建立总线的线形拓扑。总线中的最后一个模块11仅接收一个输入，并且其输出连接到总线终端T。

在另一优选实施例中，控制单元的第二通信级K2由具有EtherCAT ASIC的单个EtherCAT接口组成，其中每个通信单元具有一个或多个通信端口。ASIC借助于合适的接口（例如：i/o、SPI或I2C）连接到计算单元R。

当模块11接通时，通过去激活EtherCAT ASIC来去激活EtherCAT。每个模块11经由第一通信级K1接收针对第二通信级K2的配置的消息。该消息包含EtherCAT ASIC通信端口等等，该通信端口的状态应为“打开”，以建立合适的拓扑。

针对总线的配置的“线路”可以手动或自动生成。由于（部分）输送机系统10的拓扑是已经已知的，所以任何用于知情搜索的搜索算法都可以用于线路的自动生成。这种拓扑的示例有A-star（Dijkstra）。

图3示出了具有多个个体输送机模块11的第二通信级K2的总线线路的替代拓扑。在末端，“终端”T自动与总线开关连接。

图4示出了根据本发明的具有六边形个体输送机模块11的输送机系统10的示例性实施例的示意图。每个输送机模块11包括由方向箭头指示的输送机设备13。作为针对用于驱动输送机设备的执行器的示例性实施例，输送机设备13由未示出的马达驱动。马达由马达控制器MC控制。此马达控制器是用于控制执行器的输出单元。马达控制器MC经由通信接口K3从控制单元12接收数据。用于控制单元12与马达控制器MC通信的接口K3可以是标准接口，例如以太网、现场总线、USB、串行、i2C接口等，或者是经典的I/O接口。

需要强调的是，该接口K3不属于用于个体输送机模块相互之间的两个通信级、是不同的逻辑通信级，这两个逻辑通信级在图中被标记为K1和K2。这是因为接口K3不用于并且不能用于个体输送机模块11相互之间的通信。

这代表了与先前已知的输送机系统及其控制架构的决定性区别，因为这些已知的系统包括与马达控制器的通信接口K3和用于模块之间的通信的通信接口，但是没有用于模块相互之间的通信的第二通信级。

计算单元R给通信接口K3供应针对马达控制器的适当控制数据。根据本发明，两个、特别是两个不同的通信级K1和K2连接到计算单元R，每个通信级提供个体输送机模块之间的通信。在这种情况下，可以为第一通信级K1提供非实时协议。该第一通信级K1主要用于识别和配置输送机系统10的拓扑。

第二通信级K2的设计如上图2所述。

根据本发明的布置和可以利用其来执行的方法不仅适用于小型输送机模块，而且适用于大型输送机模块，在每种情况下都具有任何几何形状、功能和连接数量。它们还适用于大型和小型输送机模块的组合。因此，可以识别任何复杂的拓扑，并且使模块之间的实时通信成为可能。

根据本发明的布置使得有可能以部分分散式控制成为可能的方式可变地控制具有许多个体输送机模块的大规模输送机系统以及具有少数个体输送机模块的小规模输送机系统。由于用于个体输送机模块相互之间的通信的两个并行的通信级，有可能首次完全避免时延。此外，在更改的情况下提供了改进的可变性，以便能够更快地执行更改，并且还减少规划和安装时间，特别是对于具有许多个体输送机模块的大规模输送机系统，以及简化整个过程。

图5以两种不同的变体示出了根据本发明的输送机系统10的个体输送机模块11。如图4所示，个体输送机模块包括至少一个输送机设备（用方向箭头指示）的部件，和控制单元12。左侧的图像示出了除了如上所述定义的由14特指的两个通信级K1和K2以及计算单元R之外，还示出了一种变体，其中用于控制（多个）输送机设备的马达控制器MC也被集成到控制单元12中。相反，右侧的图像示出了一种变体，其中控制单元12不包含用于控制（多个）输送机设备的（多个）马达控制器MC；然而，它们是在个体输送机模块中单独地提供的。

图6示出了根据本发明的具有大型和小型个体输送机模块11的输送机系统的另外一示例性实施例的示意图。在此处所示的实施例中，小型个体输送机模块11被组合成集群。

在图7中，示出了根据本发明的输送机系统10的另外一个变体的高度示意性图示。布置在一起以形成统一输送表面的大型个体输送机模块11以及小型个体输送机模块11是输送机系统10的部件。电力供应的传输点和连接由方向箭头指示。特别地，连接15设在个体输送机模块之间的过渡点处，以在两个级上建立通信链路，如上图2、图4、图5和图6所示。此外，设有外部电源SV，其以至少部分分散式方式向个体模块11供电。此电源SV还包括不用于每个个体输送机模块的电力供应单元或转换器，但是也可能用简单的电缆连接或插头连接使电力供应从一个个体输送机模块11循环到下一个个体输送机模块11。因此，图7还示出了系统中的电流的示例性分布。

优选地，单个连接头15可以用于个体输送机模块11之间的连接。连接头15包括传导电力和数据两者以用于通信的多个引脚。

利用单个连接头，将个体输送机模块11连接到输送机系统10比传统系统更容易一些。先前已知的输送机系统提供至少两个连接头，其中一个连接头用于电力供应，并且一个单独的连接头用于通信。

结果是，根据本发明，可以因此节省布线个体输送机模块的大量时间和精力。

Claims (14)

1.一种模块化输送机系统（10），包括多个输送机模块（11），其特征在于，所述输送机模块（11）包括：

至少一个输送机设备（13），

至少一个电源，

至少一个用于驱动所述输送机设备（13）的执行器，

一个用于控制所述执行器（MC）的输出单元，以及

一个集成控制单元（12）；

其中，所述集成控制单元（12）具有用于处理信息的计算单元和通信单元（14），所述通信单元（14）以两个逻辑通信级的方式进行所述输送机模块（11）的通信，一方面进行所述输送机模块（11）与中央控制系统的通信，另一方面进行所述输送机模块（11）相互之间的通信；所述两个逻辑通信级由两个独立的通信接口第一通信级（K1）和第二通信级（K2）来实施，其中：所述第一通信级（K1）用于所述输送机系统（10）的布局识别和配置；所述第二通信级（K2）被提供用于控制至少一个输送机设备（13）。

2.根据权利要求1所述的输送机系统（10），其特征在于，所述输送机系统中的物料流的拓扑结构与由所述中央控制系统和所述输送机模块（11）的所述通信单元（14）形成的通信网络的拓扑结构相同。

3.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，所述通信单元（14）被设计成使得各所述输送机模块（11）之间通信的第一通信级包括不具有实时的异步通信协议。

4.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，所述通信单元（14）被设计成使得所述输送机模块（11）之间的第二通信级被提供用于控制至少一个输送机设备（13），其中，所述第二通信级具有实时同步通信能力。

5.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，两个通信级可以在所述输送机系统（10）的操作期间并行地来操作。

6.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，所述第一通信级接口是网状网接口或串行接口或以太网接口。

7.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，所述第二通信级接口是总线接口或以太网接口或线形、星形或环形拓扑接口。

8.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，输送机模块（11）的所述通信单元（14）包括多个连接（15），连接（15）的数量对应于所述输送机模块（11）与之通信的相邻的输送机模块（11）的数量。

9.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，每个输送机模块（11）的所述通信单元（14）包括多个连接（15），连接（15）的数量对应于相邻输送机模块（11）的最大数量。

10.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，传感器或执行器经由非实时能力接口连接到输送机模块（11）。

11.根据权利要求1或2所述的输送机系统（10），其特征在于，从输送机模块（11）到相邻的输送机模块（11）的电力供应借助于电缆进行。

12.一种用于控制包括多个输送机模块（11）的输送机系统（10）的方法，其特征在于，所述输送机模块（11）包括至少一个输送机设备（13）、至少一个用于驱动所述输送机设备（13）的致动执行器，和一个集成控制单元（12），其中，所述集成控制单元（12）具有执行以下步骤的通信单元（14）：

与管理系统交换信息，所述管理系统包括要输送的物料流的逻辑，

在所述输送机模块（11）之间提供第一通信级（K1），以用于利用非实时能力的异步通信协议来配置所述输送机系统（10），以及

在所述输送机模块（11）之间提供第二通信级（K2），所述第二通信级被提供用于控制至少一个输送机设备（13），其中，所述第二通信级具有实时同步通信能力。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一通信级（K1）的通信由无需预配置或定址便能够通信的协议组成，是经由网状拓扑进行通信的协议实现的通信。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述第二通信级（K2）由总线、星形或环形拓扑通信的协议组成，包括CAN协议或CAN开放协议或基于以太网的协议。