CN1297857C - 通用运动控制装置 - Google Patents

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Abstract

将存储程序控制装置(SPS)和运动控制装置(NC)集成为通用运动控制装置(UMC)，在执行软件任务时被应用于一个经裁剪的、但可自由进行扩充配置的运行层模型。该运行层模型由具有不同优先级的、不同类型的用户层和系统层构成。尤其这些运行层(FA)之一可以根据特殊要求被很好地加以配置。由此可使这样的通用运动控制装置(UMC)在软件技术上优化地满足控制任务和技术过程各自的要求。

Description

通用运动控制装置
本发明涉及一种通用运动控制装置，其在功能上将存储程序控制装置和数值控制装置的常规任务结合在一起。
如今，无论对于存储程序控制装置还是运动控制装置，通常要分别模式化不同层次、并配属有控制各自技术过程的软件任务的运行层。这些任务可以完成系统任务，但它们也可以是应用程序。
由德国专利申请公开说明书DE 197 40 550 A1已经公知，可以将存储程序控制装置SPS的过程控制功能以及NC控制装置的运动功能集成进一个可配置成一体的控制系统中。
这种SPS/NC的集成是以将SPS控制部件组和NC控制部件组相连的形式实现的。但在这种集成的实施中，对控制任务总体上尚未达到优化而有效的任务结构。
因此，本发明要解决的技术问题是，对各个不同的控制任务和不同的边界条件，或基本技术过程的要求以一种更简单的方式优化地实现组合的SPS/NC控制装置。
这种优化原则上是通过一个对组合的SPS/NC控制装置的控制任务所建立的可统一配置的运行层模型实现的。
从这种应用出发，上述技术问题是通过构造一种统一的运行层模型来解决的，其具有多个不同优先级、不同类型的运行层，其中，从最高优先级到最低优先级设置了下述运行层：
a)一个调节器层，由所属的时钟系统层和用户层构成，
b)一个插值器层，由所属的时钟系统层和用户层构成，
c)一个事件系统层，用于需对其作出反应的事件，
d)一个用于异步故障的用户层，
e)另一个可由用户按照特殊要求自由设计的、用于报警和/或事件和/或调节和/或其它周期性任务(T1-T4)的用户层(FA)，
f)一个用于背景处理的、按照运动序列(BS1-BS3)、自由周期(FZ)、和其它低优先级系统任务(ST)的顺序构成的层组，其中，所述运行层a至e构成一个实时处理的层组。
这种分层结构的主要优点之一是使过程控制的任务与运动控制的任务间的通信最少。另一个优点是，对过程控制与运动控制的控制任务的编程可以利用统一的开发界面、用统一的编程语言实现。
本发明的第一种实施方式是，可自由编程的任务分别通过时钟系统层的信号和/或通过事件系统层的信号触发。由此可以保证，例如对外部控制事件立即作出反应。
本发明的另一优选实施方式是，在运行层内设置了其它优先顺序的层。由此可以将组合的SPS/NC运动控制的软件结构对不同的控制任务或基本技术过程的要求进行优化适配。从而允许在用于异步故障的用户层(Anwenderebene fuer asynchrone Fehler)内将不同层的不同故障原因按优先级升高的顺序排列。
这里可以在用于异步故障的用户层内对优先级层作应用程序编程。由此使用户可以非常灵活地将控制与应用所基于的事件范围相适应。
本发明的另一优选实施方式是，在“用于实时处理的层组”中还可集成由外部装载的程序。通过这种事后装载可以对输出控制动态扩充其它技术功能。
本发明的另一优选实施方式是，在用于背景处理的层组中，对运动序列、自由周期和其它低优先级系统任务用循环法(Round-Robin-Verfahren)进行处理。
由此保证在用户确定的时间间隔内对该层的所有任务进行服务，且在该层上没有任务会对其处理进行徒劳的等待。
本发明所实现的主要优点尤其在于，通过用户为运行层提供参数的可能性，可实现对相应情况进行控制的优化。因为每个控制任务和每个技术过程都对软件技术的实现或在控制装置内的解决提出不同的要求(例如，所需的程序数、模块数、任务数；可能的故障情况数；须对其进行反应的外部事件数；同步的复杂性等)。此外，通过将过程控制和运动控制集成在一起，大大减少了控制中的通信开销。
在附图中示出了本发明的实施方式，下面对其加以描述：
图1为一个公知的技术过程的控制装置，其具有分立的存储程序控制装置和运动控制装置。编程是通过各种其它程序系统实现的，
图2为常规存储程序控制装置的主要运行层，
图3为运动控制装置的主要运行层，
图4为本发明的通用控制装置，
图5为该通用控制装置的运行层模型，
图6示出了由该通用控制装置的运行层模型的两个时钟系统层和由“事件系统层”对任务进行调用，
图7示出了一种可按照用户特殊要求自由设计的、用于报警和/或事件和/或调节和/或其它周期性任务的用户层的实施方式，
图8示出了如何在背景处理层组中按照循环法顺序地处理运动序列、自由周期和其它低优先级系统任务一种实施方式。
在图1所示的结构图中，存储程序控制装置SPS和运动控制装置NC为控制技术过程TP1并行地运行。存储程序控制装置SPS和运动控制装置NC分别包含一个运行时系统RTS1和RTS2，两个控制装置之间的通信是通过专用的辅助部件实现的，举例所示为一个双向通信电缆K。通常，这些对控制装置的程序设计是由用户用不同的语言、在不同的开发界面下实现的。即通过各自独立且不同的编程系统或工程系统P1，ES1和P2，ES2实现。这种常规实施方式的主要缺点一方面在于其在两个控制装置间通信的昂贵开销，另一方面在于其分立且不同的编程系统或工程系统P1，ES1和P2，ES2。通过控制装置的输入输出端EA1，EA2控制实际的技术过程TP1。在编程系统P1和存储程序控制装置SPS之间，以及在编程系统P2和数值控制装置NC之间是信息路径I1和I2，程序通过这些路径被装载到各自的控制装置中。
图2所示为常规存储程序控制(SPS，图1)的、按其优先级顺序排列的主要运行层。优先级按箭头所示的方向增高。在优先级最低的层，即图中用虚线示出的层，以循环法(Round-Robin-Verfahren)、即分时控制方式对两个任务进行控制，一个是自由周期，即“用户层自由周期”，和一个背景系统层，即“系统层背景”。所述背景系统层配设有例如通信任务。在下一个标以“用户层时钟”的时钟用户层，可将该任务或该层程序的调用周期参数化。对该时钟层应用程序的处理是否能在起始事件被更新之前适时结束进行监测。如果在周期时间结束时配属于该层的应用程序尚未结束工作，则开始执行一个位于后一优先级“用于异步故障的用户层”的一个相应任务。在该“用于异步故障的用户层”中用户可以针对对故障状态的处理进行编程。
紧随着“用户层时钟”有一个“用户层事件”层，在该层中对外部或内部的事件作出反应。这种事件的一个典型例子是超越边界值。处于“系统层高优先级”层的是操作系统任务，它们确保存储程序控制装置的工作方式得以实施。
图3所示为运动控制装置(NC；图1)的主要运行层。这里各层也是按照箭头所指的方向按优先级排列的。“系统层背景”和“用户层序列”的优先级相同，即最低优先级。其按照任务的相关性也如图2所示用虚线表示。对“用户层序列”的任务与“系统层背景”的任务一起以循环法进行处理。“系统层背景”的典型任务例如有通信任务。在“用户层序列”中运行着由用户编制的、用于实际控制任务的程序部分。当控制装置在这样一个程序部分中遇到移动指令或定位指令时，将被挂起，即该应用程序将在该处中断。对这些移动指令或定位指令的处理在优先级最高的“系统层时钟”中进行。在该“系统层时钟”运行的每个位置调节器将执行这些移动指令或定位指令。在执行这些指令之后，将转回“用户层序列”，由挂起而中断的应用程序将通过在同一位置的恢复而继续执行。“系统层时钟”除了已述的位置调节器外，还包含控制装置的插值器部分。
在优先级最低的层之上设置了一个“用户层时钟”。这里运行例如调节器功能这样的周期性任务。
在下一个“用户层事件”层中，对外部或内部事件作出反应的任务将被中断。这样的事件例如可以是报警事件。
在图4中，技术过程TP2由组合的SPS/NC控制装置UMC进行控制。该首字母缩略词UMC意为通用运动控制( UNIVERSAL- MOTION-CONTROL)。所述控制装置UMC和其所属的技术过程TP2之间通过双向输入/输出EA3连接。对该组合的SPS/NC控制装置的程序设计通过一个共同的编程系统P3或工程系统ES3实现，其中，所述工程系统ES3同样如图1所示，为编程系统P3提供了易用的界面。由此产生的程序经过信息路径I3传送给通用运动控制装置UMC的运行时系统RTS3。
图5示出了通用运动控制装置的运行层模型。其各层的优先级也如前所述，用方向指向最高优先级的箭头表示。优先级最低的层组为所谓的“背景-处理层组”，它由“系统层背景”、“用户层自由周期”、以及“用户层序列”构成。这三个优先级相同的层(以虚线边界表示)的任务，将周期性地、按循环法进行处理。(有关细节将在下面结合图8加以说明)。较“背景-处理层组”优先级高的上一层为“运行层”，即可由用户按要求规定进行自由设计的用户层FA，用双层框线表示，用于报警任务和/或事件任务和/或调节任务和/或其它周期性任务。因此该用户层FA显式地由四种类型的层构成，它们又可根据其优先级在用户层FA内 由用户进行划分，对此将结合图7作进一步说明。
类型1：用户层事件
类型2：用户层报警
类型3：用户层时钟
类型4：系统层参数
这些不同类型的层可由用户在该用户层FA内按照用户给出的优先级自由选择其排列。由此可使用户在通用运动控制装置中对控制任务和待控制的技术过程的要求和边界条件实现最佳构成。
在“用户层事件”设置了例如对外部设备的输入作出反应的任务。在“用户层报警”设置了例如对边界值监测作出反应的任务。在“用户层时钟”设置了周期性的用户可编程任务。在“系统层参数”可对从外部装载的程序进行集成。由此可使该通用运动控制装置动态地扩充附加的技术功能。在该“系统层参数”中，通常装载较慢的调节任务和监测任务(如周期时间在100ms范围内的任务)。
在该通用运动控制装置运行层模型中的下一个优先级较高的层是“用于异步故障的用户层”。用户在该层内可以象在存储程序控制装置中那样，对故障状态的处理进行编程。在该“用于异步故障的用户层”内例如移植有对技术报警作出反应的任务。用户还可以在该“用于异步故障的用户层”内以显示产品(Produktauspraegung)的特定层数为参数。为清楚起见，在此未示出细节。由此，用户可以根据需要对一定的故障事件配以一定的优先级。
下一个优先级较高的层是“事件-系统层”。“事件-系统层”的任务对关键的内部或外部事件(如紧急停机)作出反应。
再下一个优先级较高的层是“插值器层”。它包括“时钟系统层”和“用户层”。
优先级最高的层为“位置调节器层”。它也包括“时钟系统层”和“用户层”。位置调节器层和插值器层的用户层包含了在位置调节器或插值器周期被调用的任务。对这些任务的运行时间将进行监测，超过系统所确定的时间将导致该层中断，并引发“用于异步故障的用户层”中的异步故障。
所述位置调节器的优先级高于插值器的优先级，即位置调节器不能被插值器中断，但可以将插值器中断。
在通用运动控制装置的运行层模型中，原则上在各运行层中除了已提到的外，还可以设置其它设有优先级的层。
在图6中示出了“系统层时钟”(调节器和插值器)中产生的信号S1，以及“事件系统层”中产生的信号S2是如何触发可按用户要求进行自由设计的、用于报警任务和/或事件任务和/或调节任务和/或其它周期性任务的用户层FA的任务的。
图7举例示出了可按用户要求进行自由设计的、用于报警任务和/或事件任务和/或调节任务和/或其它周期性任务的用户层(FA；图5和图6)的一种实例。任务T1、T2、T3、T4配属于该层。这种配属关系通过配属箭头ZP1至ZP4来表示。这些层的优先级也如前所述用方向指向最高优先级的箭头来表示。
图8示出了对“背景处理层组”(图5和图6)的任务的处理。其中，运动序列BS1、BS2和BS3以及一个自由周期FZ(其原理上与存储程序控制装置(SPS)中运行的一样)和一个“系统层背景”的系统任务ST以循环法进行处理。在这种方法中，对任务按照统一的时间片方法进行服务。当任务的时间片结束或出现中断时，该任务将交出控制，即执行下一个任务。通过对时间片的选择，可以使控制适合于各自的要求。因此该循环法可以保证该过程层的所有任务都得到服务。因而排除了一个任务独占计算机资源，而其它任务得不到服务的情况。

Claims (10)

1.一种通用运动控制装置，具有工程系统和运行时系统，用于执行可编程逻辑控制任务和数值任务，包括：
一个用于实时处理的层组，包括：
位置调节器，包括相关联的时钟系统层和第一用户层，以最高的优先级运行；
插值器，包括相关联的时钟系统层和第二用户层，以第二高优先级运行；
事件系统层，用于需对其作出反应的事件，以第三高优先级运行；
一个用于异步故障的用户层，以第四高优先级运行；和
另一个用户层，可按照用户要求而配置用于可编程的任务，包括报警任务、事件任务和/或调节任务，以第五高优先级运行，
以及
用于背景处理的层组，以最低的优先级运行，包括运动序列、自由周期和低优先级系统任务。
2.根据权利要求1所述的运动控制装置，其中，每个所述可编程的任务可被由通过来自所述时钟系统层的信号(S1)和来自所述事件系统层的信号(S2)组成的组触发。
3.根据权利要求1所述的运动控制装置，其中，在所述异步故障的用户层中，其它优先级顺序的层是用户可编程的。
4.根据权利要求1所述的运动控制装置，其中，外部可装载的程序被集成到所述用于实时处理的层组中。
5.按照权利要求1的通用运动控制装置，其中，在用于背景处理的层组中，按照Round-Robin循环法来处理运动序列、自由周期和低优先级系统任务。
6.一种用于控制通用运动控制装置的方法，所述通用运动控制装置具有工程系统和运行时系统，用于执行可编程逻辑控制任务和数值任务，所述方法包括步骤：
a)以最高的优先级运行位置调节器层的任务，所述位置调节器层包括相关联的时钟系统层和第一用户层；
b)以第二高优先级运行插值器层的任务，所述插值器层包括相关联的时钟系统层和第二用户层；
c)以第三高优先级运行用于需对其作出反应的事件的事件系统层的任务；
d)以第四高优先级运行用于异步故障的用户层的任务；
e)以第五高优先级运行另一个用户层的任务，所述另一个用户层可按照用户要求而配置用于可编程的任务，包括报警任务、事件任务和/或调节任务，
f)以最低的优先级运行用于背景处理的层组的任务，所述用于背景处理的层组包括运动序列、自由周期和低优先级系统任务，其中，所述步骤a至e中的运行层构成一个实时处理的层组。
7.按照权利要求6的方法，其中，每个所述可编程的任务可被来自由通过来自所述时钟系统层的信号(S1)和来自所述事件系统层的信号(S2)组成的组的信号触发。
8.按照权利要求6的方法，其中，在所述异步故障的用户层中，其它优先级顺序的层是用户可编程的。
9.按照权利要求6的方法，其中，外部可装载的程序被集成到所述用于实时处理的层组中。
10.按照权利要求6的方法，其中，在用于背景处理的层组中，按照Round-Robin循环法来处理运动序列、自由周期和低优先级系统任务。
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