CN1297858C - 通用运动控制装置 - Google Patents

Abstract

通用运动控制装置(组合的SPS/NC控制装置)的运行时系统(RTS1-RTS4)的基本指令集可通过动态及根据要求装载技术软件包TP(具有相应的技术对象类型TO)而得到扩充。由此可实现通用运动控制装置UMC的动态伸缩。通过一个统一的集成和通信平台API，也可将陌生厂商的技术软件包TP的功能集成到控制装置中。

Description

通用运动控制装置

本发明涉及一种具有工程系统和运行时系统的通用运动控制装置，其功能上将存储程序控制装置和数值控制装置常规任务的功能集成在一体。

无论对于存储程序控制装置“SPS”还是运动控制装置“NC”，通常要分别模式化不同层次的、并配属有控制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。

已经公知，在存储程序控制装置SPS中，以及在运动控制装置NC中，将应用程序或由用户设置的任务装载在各控制装置的存储器中，并进行调用。

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统一配置的控制系统中。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，对于控制任务尚未有优化而有效的任务结构。此外，对于过程控制，也对于运动控制装置，所扩展的功能仅以应用程序的形式被存储和调用。

因此，本发明要解决的技术问题是，对各种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既在控制结构上也在功能上优化地实现SPS/NC控制的组合。

发明人在此所依据的常识是，通过对组合的SPS/NC控制装置的可统一配置的运行层模型，以及在控制装置的运行时系统和/或工程系统中动态装载功能码的可能性，优化地构造一种通用运动控制装置是完全可能的。

按照本发明，对本文开始所提到的运动控制装置，上述技术问题是通过一种具有工程系统和运行时系统的通用运动控制装置解决的，其中，这样构造一个统一的运行层模型，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不同的用户层和系统层，以及各技术软件包在用户一侧可装载到该工程系统和/或运行时系统中，其中，该软件包包括：

a)代码部分，表示运行时系统的调节规则，以及

b)一个配置部分，其包含所述代码部分在各系统层的配属情况及其处理顺序，其中

c)该配置部分的这些信息还可根据需要继续引入所述工程系统。

除了减少控制装置任务中的通信开销，以及通过统一的开发界面、利用统一的程序设计语言简化了过程控制和动作控制的程序设计外，本发明的主要优点在于，通过装载软件实现将控制装置运行时系统进行伸缩的可能性。由此用户可以从控制装置的一个基本系统出发，依据基本技术过程或控制任务的不同要求将动态设置的基本系统的指令集加以扩充。该基本系统在此构成控制装置运行时系统的输出范围，即一个实时操作系统、一个运行系统(具有系统层和用户层)、技术对象类型、语言指令、SPS指令集以及与技术过程的通信接口(例如LAN、E/A)和技术接口(例如驱动装置、发送器)。因此在基本系统中具有控制装置的必要的基本功能。该基本系统可以在不同的硬件平台(例如PC、驱动装置)上运行。

另一优点在于这种可伸缩的通用运动控制装置的开发和生产。具有必要基本功能(基本系统)的控制装置很易大量生产(规模经济学)。

用户可以按照其实际的应用需要有目的地将现有基本系统进行扩充。

本发明的第一种实施方式是每个技术软件包都具有用于运行时系统的相应数目的技术对象类型。

由此就可以将复杂且要求高的控制功能用清楚易懂的形式装载到运行时系统中。

本发明的另一种优选实施方式是可将其它操作界面信息、尤其是操作参数，和/或语言机制和/或说明部分赋值给代码部分。

由此得出下述优点：

为使技术对象类型不仅仅作为不可改变的常数使用，该技术对象类型应使开发系统获知对其实例技术对象类型提供参数的可能性，特别是现有的操作参数。用户由此可以在开发系统的界面上灵活地为技术对象提供参数。

由于语言机制也可以装载到运行时系统中，可以动态扩充运行时系统的指令集。用户可以在应用程序中象应用基本系统的基本功能的指令那样应用装载的指令。

当在运行层模型的用户层对具有这样装载的指令的应用程序进行处理时，可以在调用该装载的指令时，在该运行层模型的系统层对其所属的操作系统代码序列进行处理。而这无需用户的参与。通过将说明部分和描述部分配属给技术软件包的代码部分，可为用户进一步提高灵活性。

本发明的另一个优选实施方式是，在技术软件包中具有扩充工程系统语言范围的指令，用户可根据需要应用这些指令。由此，可在工程系统中现有语言的基本集上扩充处理装载的技术软件包的技术对象所需的指令和运算符。扩充的语言集是与所装载的技术软件包相适应的。因此，用户可以更简单的方式在其应用程序中使用所装载的技术对象类型的功能。

本发明的另一个优选实施方式是，所述控制装置具有引入技术对象类型的接口。该接口可作为中间件平台使用，以将特殊应用技术(如缠绕弹簧、浇铸等)的功能以技术对象类型的形式进行装载。这些可装载的技术对象类型无须自行准备，而是可以由外部厂商或供应商提供。因此用户在扩充其控制装置的功能时不再受该控制装置的供应商的约束。用户通过该统一并开放的接口，可将其所购买的特殊技术对象以即插即用方式简便地集成到其现有的控制装置中。

因此，本发明所实现的主要优点尤其在于，在通用运动控制装置(即组合的SPS/NC控制装置)的可统一配置的运行层模型中，可以非常简便地捆绑新功能，其中，可以动态地装载所谓的技术软件包。这些技术软件包一方面包括对基本运行时系统的指令集进行动态扩充的组件，另一方面包括用户在工程系统中开发其应用程序所使用的语言机制。因此可以将这种控制装置配以实施常规控制任务的基本功能出售。用户可以随后在其上不断扩充其它功能，以得到其确实需要的控制功能。如今出售的控制装置通常自动具有一个功能范围，而其中只有一部分是用户所需的。通常出售的控制功能大部分是用户在其任务和应用中一般所不需要的。但当用户需要某种特殊控制功能时，则须利用控制装置所提供的语言范围繁琐且高成本地自行编制应用程序。然后，他可以将自己编制的应用程序装载到运行时系统运行层模型的用户层。在本发明中，这一技术问题是通过将所需要的附加特殊功能以技术软件包的形式装载到运行时系统的系统层而不是装载到用户层解决的。在本发明中，通过装载扩充基本系统或运行时系统的指令集。这些装载的指令可以在工程系统中由用户在开发其应用程序时直接使用，并由于这些新装载的指令是在系统层运行的，因此可以很快被执行。

另一个重要的优点在于这样的事实，即通过一个开放的接口提供一个平台，其中，不仅可以简便地集成进自行准备的技术对象，而且还可以简便地集成进外部厂商提供的技术对象。由此提供了将具有特殊要求、设置和功能的技术对象市场化的前提条件。

下面将借助附图示出本发明的实施方式，并对其加以描述，其中：

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。编程是通过各自独立的编程系统实现的，

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为一个通用控制装置，即一个带有一个所属的编程系统的组合SPS/NC控制装置，

图5为该通用控制装置的运行层模型，

图6示出了一个技术软件包的OO(面向对象的)结构图，该技术包由代码部分、参数、固件配置、技术对象类型、语言机制和说明部分组成，

图7以OO结构图的方式示出了用于技术软件包“塑料”的技术对象类型，

图8示出了用户在其应用程序中如何使用工程系统中的技术软件包的装载的指令定位POS，以及如何在控制装置的运行层中怎样调用其程序，以及

图9示出了一个控制装置的运行时系统，其具有对于技术对象类型作为统一接口和通信平台的应用程序接口(API)。

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。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。

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。

图6以OO结构示意图示出了技术软件包TP及其组成部分，其中，所属的基本特性(Kardinalitaet)用其旁边的数字标记表示：

a)可运行代码部分(Code)

b)参数(PAR)

c)固件配置(FWK)

d)至少一个技术对象类型(TO)

e)语言机制(SPR)

f)说明及描述部分(ACC)

所述1至n个代码部分(如C函数)例如可以用于运动引导或位置调节，或者用于其它技术。这些代码部分在其它指令下可以用于温度引导、温度调节或者用于包含有如压力或塑料加工这样的专用技术。这些代码部分在控制装置的运行层模型中是如何设置到系统层的、是以何种顺序进行处理(即执行)的，都在固件配置FWK中加以设定。在FWK中包含这样的信息：一个代码部分应被集成在哪一系统层，以及当在一个系统层集成多个代码部分时，这些代码部分应以怎样的顺序被处理。

所述参数部分PAR包含一个用于工程系统(ES；图1，图4，图8)的界面(掩模，组合箱，参数相关性规则，...)，以及运行时系统(RTS；图1，图4，图9)的机制，通过它们可以实现参数化。由此用户可以对技术软件包TP的技术对象类型TO的实例(Instanz)按照自己的要求进行参数化。

借助技术软件包TP的1至n个语言机制SPR，可以在工程系统(ES；图1，图4，图8)的语言集上扩充对于具有所属的1至n个技术对象类型的基本技术软件包TP合适且有意义的指令和运算符。语言机制SPR须装载在工程系统(ES；图1，图4，图8)和控制装置的运行时系统(RTS；图1，图4，图9)中。当在工程系统(ES；图1，图4，图8)中安装了这样的语言机制(例如“升高温度”)之后，它们将被工程系统(ES；图1，图4，图8)的编译程序和界面或浏览器所识别，并可由用户直接应用于其应用程序中。利用即插即用技术可以保证，在工程系统(ES；图1，图4，图8)被识别的语言机制也可以在运行时系统(RTS；图1，图4，图9)中作为可运行的代码段存在。用户还可利用该语言机制的规范，以使其无需再关注其在运行时系统(RTS；图1，图4，图9)中的实现。在后面将涉及到的图8中，将对技术软件包TP的语言机制SPR的装载、应用和处理的联合运行作准确详细地描述。

回到图6：在技术软件包TP的ACC组件中有对技术软件包TP包含的所有语言元素的描述、和对技术软件包TP中应用的所有系统变量和所有类型的描述。因此，该ACC组件相当于一个技术软件包TP的说明和描述部分。该ACC组件将首先被装载到控制装置的运行时系统(RTS；图1，图4，图9)中。由此可保证，所有关于当前技术软件包TP和技术对象类型TO的信息都在控制装置的运行时系统中，并因此很容易与操作台和监测装置(如操作员面板)连接。

在下表中示出了，技术软件包TP的被装载到控制装置中的组成部分：它们或者装载到工程系统(ES；图1，图4，图8)中，或者装入到运行时系统(RTS；图1，图4，图9)中，或者既装入工程系统(ES；图1，图4，图8)也装入运行时系统(RTS；图1，图4，图9)。

组成部分	TP组件	被装载到：
			可运行代码	Code	RT
参数界面(以及关于各参数的相应知识)	PAR	ES
			配置信息(如何以及在何处在该运行系统中找到这些部分的信息)	FWK	ES+RT
用户接口(指令(MOVE，POS，...)，SFC，SFB，系统变量，...)	SPR	ES+RT
			用户接口(图形信息)	SPR	ES
系统变量描述信息，警报，....	ACC	ES+RT
			对象类型(技术对象)	TO	ES+RT
RT、软件包和对象之间的一致性的版本信息	ACC	ES+RT

按照图7，以OO结构示意图的方式示例给出一个塑料技术软件包(TP；图6)TPK的技术对象类型(TO；图6)。通常，在塑料加工或塑料制造中，需要进行温度调节和压力调节。此后还须经过压力调节器DR调节的压力，通常通过一根简单的轴A形成，其中，该轴将材料浆压在一起。本例中，对于温度调节设置了两个温度调节器，一个较快的温度调节器TRS和一个较慢的温度调节器TRL。如OO结构示意图所示，该较慢的温度调节器TRL和较快的温度调节器TRS均从通用温度调节器TR引出。该两个温度调节器TRS和TRL、压力调节器DR、以及轴A在本塑料技术软件包中通过四个技术对象类型TO表示，即TRS、TRL、DR和A。通过基本特性(数1)表明，在本例中确切地只有一个较快的温度调节器TRS和一个较慢的温度调节器TRL，以及只有一个压力调节器DR和一个轴A。较快的温度调节器TRS可以例如是一个PID调节器，较慢的温度调节器TRL可以例如是一个P调节器，但使用工程系统(ES；图1和图4)中这些技术对象类型的功能的用户无需对其实现细节进行了解。因此用户可以使用工程系统(ES；图1和图4)中这些技术对象类型(TO；图6)的功能，而无需关心其实现细节。

图8示出了，一个技术软件包TP的装载的语言机制SPR是如何在控制装置中被应用和处理的。本例中，属于任意技术软件包TP的语言机制SPR的定位指令POS被装入工程系统ES4和运行时系统RTS4的运行层模型的系统层。在工程系统ES4中，该定位指令POS作为工程系统ES4所使用的语言的基本集的扩充供用户使用。用户因此可在其应用程序AWP中将该定位指令POS作为完全普通的语言指令使用。然后，用户编制的应用程序AWP将被装载到通用运动控制装置的运行层模型的一个用户层，并被执行。当控制装置在该应用程序AWP的处理过程中碰到该定位指令POS时，将处理已装载于系统层的、属于该指令的代码。为清楚起见，用三个点来表示该技术软件包TP的其它内容。此外，语言机制SPR除了该定位指令POS，还可包含其它同样也用三个点表示的指令。

本实施方式的主要优点在于，将用于语言机制的可执行代码装载到系统层是自动进行的，即无需用户的介入。当在工程系统ES4中装载了或安装了语言机制之后，用户可以所谓的即插即用方式应用它们。

图9示出了，在通用运动控制装置中可以使用公共接口API，以便将技术对象类型TO A、TO B、TO C集成在一起。因此，通用运动控制装置D的这个应用程序接口API( Application  Program  Interface)构成了所谓的用于将技术对象类型TO集成和在它们之间进行通信的中间件平台。此外，这个接口API还使技术对象类型TO和控制装置的运行时系统RTS4之间的通信成为可能。借助于这个统一的接口，就是其它厂商的技术软件包(TP；图6)及其技术对象类型(TO；图6)，即所谓的“第三方技术软件包”也可以集成到该通用运动控制装置中。由此打开了陌生厂商的、具有分支技术(例如缠绕弹簧或浇铸)特殊功能的技术软件包(TP；图6)的市场。用户由此可以从控制装置的必要基本功能集出发，逐渐扩充其所需要的特殊功能。

Claims (12)

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，所述通用运动控制装置包括：

多个具有各自的优先级的运行层、多个用户层和多个系统层；

装载单元，用于向运行时系统的系统层中装载技术软件包，所述技术软件包包括：代码部分，用于表征该运行时系统的调节规则；配置部分，包含所述代码部分在各系统层的配属情况和至少一个命令以及其处理顺序；

控制单元，用于当从所述用户层调用所述命令时按照所装载的顺序来处理被装载到所述系统层中的代码部分。

2.按照权利要求1的通用运动控制装置，其中，向工程系统引入配置部分的这些信息。

3.根据权利要求1所述的通用运动控制装置，其中，每个技术软件包包含对所述运行时系统数量相适应的技术对象类型。

4.根据权利要求1所述的通用运动控制装置，其中，将操作界面信息和/或语言机制(SPR)和/或说明部分(ACC)赋值给所述代码部分

5.根据权利要求1所述的通用运动控制装置，还包括用于馈入技术对象类型(TO)的接口(API)。

6.按照权利要求4的通用运动控制装置，其中，所述操作界面信息是操作参数(PAR)。

7.一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：

在所述通用运动控制装置中提供多个具有各自的优先级的运行层、多个用户层和多个系统层；

向运行时系统的系统层中装载技术软件包，所述技术软件包包括：代码部分，用于表征该运行时系统的调节规则；配置部分，包含所述代码部分在各系统层的配属情况和至少一个命令以及其处理顺序；

当从所述用户层调用所述命令时按照所装载的顺序来处理被装载到所述系统层中的代码部分。

8.按照权利要求7的方法，其中，向工程系统引入配置部分的这些信息。

9.按照权利要求7的方法，其中，每个技术软件包包含对所述运行时方法数量相适应的技术对象类型。

10.按照权利要求7的方法，其中，将操作界面信息和/或语言机制(SPR)和/或说明部分(ACC)赋值给所述代码部分。

11.按照权利要求7的方法，还包括用于馈入技术对象类型(TO)的接口(API)。

12.按照权利要求10的方法，其中，所述操作界面信息是操作参数(PAR)。

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