DE102004030032B4

DE102004030032B4 - System und Verfahren zum Konfigurieren und Parametieren einer automatisierbaren Maschine

Info

Publication number: DE102004030032B4
Application number: DE102004030032.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Fister; Raimund Kram; Volker Wolff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: US7596417B2; DE102004030032A1; US20080039959A1; WO2005124479A1

Abstract

System zum Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine mit- Einem mechatronischen Modell, dessen Technologieobjekte Funktionselemente der Maschine repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, dass- die Technologieobjekte des mechatronischen Modells grafisch dargestellt werden und- ein mechatronischer Signalfluss (VI bis V6) zwischen Technologieobjekten durch grafisches Verbinden der entsprechenden Technologieobjekte auf grafischer Ebene festgelegt wird,- aufweisend eine Modifikationseinrichtung zum Modifizieren eines Signalpfads für einen mechatronischen Signalfluss während der Laufzeit der Maschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine mit einem Modell, dessen Technologieobjekte Funktionselemente der Maschine repräsentieren. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine.
Automatisierbare Produktionsmaschinen bestehen häufig aus einer Vielzahl von Modulen bzw. Funktionselementen. In 1 ist eine derartige Produktionsmaschine symbolhaft angedeutet. Diese Produktionsmaschine dient beispielsweise zur Herstellung von Tablettenblistern. Als Eingangsstation ist hier ein Anleger oder Abzieher vorgesehen. Es schließen sich dann eine Produktionsstation 1, eine Zwischenstation und eine Produktionsstation n an. Am Ende der Produktionsstraße befindet sich eine Ausgangsstation, die beispielsweise durch einen Verpacker oder Stapler realisiert wird. Für den außenstehenden Betrachter sind diese Module räumlich in dieser Reihenfolge angeordnet.
Um die funktionelle Beziehung zwischen diesen einzelnen Modulen zu erfassen, ist es vorteilhaft, ein entsprechendes mechatronisches Modell aufzustellen. Ein solches Modell ist vereinfacht in 2 wiedergegeben. Das mechatronische Modell umfasst dabei nicht nur die tatsächlichen mechanischen Komponenten wie Abwickler, Produktionsstationen und Ausgangsstationen, sondern auch virtuelle Komponenten, wie den Produktionsmaster, Zwischenpuffer und virtuelle Getriebe. Darüber hinaus zeigt das mechatronische Modell den Signalfluss zwischen diesen Funktionselementen.
Zur Umsetzung in ein Steuerungsprojekt werden die einzelnen Funktionselemente, die auch als Technologieobjekte bezeichnet werden können, in einer oder mehreren Listen entsprechend 3 abgelegt. In einer solchen baumartig strukturierten Liste können die einzelnen Technologieobjekte angezeigt und editiert werden. Speziell lassen sich die einzelnen Technologieobjekte dort parametrieren und mit anderen Technologieobjekten verschalten. Auf diese Weise lässt sich ein Gesamtsystem konfigurieren und parametrieren. Nachteilig an dieser Listendarstellung ist jedoch, dass Systeme nur bis zu einem gewissen Komplexitätsgrad für den Bediener überschaubar sind und die funktionellen Beziehungen zwischen den einzelnen Technologieobjekten nur wenig übersichtlich darstellbar und nachvollziehbar sind.
Die Liste von 3 ist eine alphanumerische Liste, in der die Technologieobjekte bzw. -komponenten eines Automatisierungsprojekts beispielsweise für eine Produktionsmaschine dargestellt und definiert sind. In der Liste finden sich Angaben über Abhängigkeiten der Technologieobjekte untereinander durch sogenannte „Verlinkung“.
Aus der Druckschrift DE 100 38 439 A1 ist ein Verfahren zum Debuggen von Programmen für industrielle Steuerungen im Kontext der Flow Chart Programmierung bekannt. Dabei werden Flow Charts mit spezifischen Befehlsfolgen dargestellt. Die Symbole des Flow Charts sind durch Linien miteinander verbunden, womit der Programmablauf dargestellt wird.
Weiterhin sind aus den Druckschriften US 5,485,620 , US 5,801,942 und DE 102 46 847 A1 Steuerungssysteme bekannt, die grafisch oder mit grafischer Unterstützung programmiert werden können. Dabei werden auch Elemente des objektorientierten Programmierens verwendet. Auf diese Weise kann eine Ablaufprogrammierung komfortabel erstellt werden.
„Aus der europäischen Patentanmeldung EP1182528A2 ist eine industrielle Steuerung bekannt auf der Basis verteilbarer Technologischer Objekte. Durch die Zuladbarkeit von Technologischen Objekttypen in das Runtime-System einer industriellen Steuerung wird das Basissystem der Steuerung funktionell erweitert und eine technologische Skalierung der Steuerung erreicht.“
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, das Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine zu erleichtern.
Erfindungsgemäß wird dies gelöst durch ein System zum Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine mit einem mechatronischen Modell, dessen Technologieobjekte Funktionselemente der Maschine repräsentieren, wobei die Technologieobjekte des mechatronischen Modells grafisch darstellbar sind und ein mechatronischer Signalfluss zwischen Technologieobjekten durch grafisches Verbinden der entsprechenden Technologieobjekte auf grafischer Ebene festlegbar ist.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine durch Bereitstellen eines mechatronischen Modells, dessen Technologieobjekte Funktionselemente der Maschine repräsentieren, grafisches Darstellen der Technologieobjekte des mechatronischen Modells und Festlegen eines mechatronischen Signalflusses zwischen Technologieobjekten auf grafischer Ebene durch grafisches Verbinden der entsprechenden Technologieobjekte.
Die Erfindung ermöglicht damit eine Automatisierung einer Produktionsmaschine über die Modellierung eines mechatronischen Signalflusses und Nutzung der bestehenden Programmierumgebung für die Ablaufprogrammierung. Das mechatronische Modell kann dabei auf einfache Weise direkt graphisch erstellt und in die Technologieobjekte des Automatisierungsprojekts entsprechend umgesetzt werden. Dabei erweist sich die visuelle Darstellung des mechatronischen Modells für den Bediener als äußerst hilfreich. Vorteilhaft ist ebenso, dass nun die grafische Darstellung der mechatronischen Modellierung und des mechatronischen Signalflusses von der Ablaufprogrammierung getrennt ist. Die Ablaufprogrammierung wird nach wie vor mit den üblichen Programmiertools und Programmiereditoren ausgeführt.
Besonders vorteilhaft erweist sich die grafische mechatronische Modellierung und Definition der technologischen Objekte bzw. Funktionen bei komplexen Produktionsmaschinen, wie komplexen Verpackungsmaschinen und Druckmaschinen mit vielen Technologieobjekten. Insbesondere gilt dies auch bei Maschinen mit mehreren ähnlichen Modulen, da diese leicht vervielfältigt und gemeinsam programmiert werden können. Die Automatisierungsprojekte für solche Maschinen sind nämlich in Projektlisten für die Technologieobjekte nur schwierig und wenig übersichtlich darstellbar. Durch die Erfindung lässt sich nun auch ein komplexes Gesamtsystem für die Automatisierung einer Produktionsmaschine bestehend aus einer Programmierumgebung (z.B. IEC 61131-3 konforme Sprache oder Structured Text oder MotionControlChart) für die Ablaufprogrammierung und aus dem mechatronischen Modell für die Modellierung des mechatronischen Signalflusses der Produktionsmaschine definieren. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen grafischen Konfigurierungssystems lassen sich Funktionsobjekte bzw. Technologieobjekte mit grafischen Hilfsmitteln nutzerfreundlich definieren und bereitstellen. Darüber hinaus können mechatronische Verschaltungen zwischen den Technologieobjekten visuell unterstützt durchgeführt werden. Hierzu kann ein entsprechendes geeignetes grafisches Tool bereitgestellt werden. Dabei ist es vorteilhaft, den Informationsinhalt des mechatronischen Signalflusses auf die für die mechatronische Modellierung notwendige Information beispielsweise unter Verzicht auf Steuer- und Ablaufinformationen sowie Funktionsparametrierungen zu reduzieren.
Vorzugsweise beinhaltet der Signalfluss des erfindungsgemäßen Konfigurierungssystems bzw. -verfahrens Angaben über Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Druck, Kraft und/oder Moment. Damit kann der mechatronische Signalfluss die mechatronische Modellierung von Bewegungsinformation auf allgemeine technologische Größen erweitert werden.
Die Funktionselemente bzw. Technologieobjekte können reale und virtuelle Elemente aufweisen. Damit können beispielsweise Aktoren, Sensoren und andere Maschineneinheiten, aber auch Objekte ohne mechanische Äquivalenz wie beispielsweise Rechenmodule zur Modifikation des mechatronischen Signalflusses modelliert werden. Vorteilhafterweise können die Funktionselemente mit grafischer Unterstützung instanziiert, konfiguriert, parametriert und kommandiert werden. Da dies direkt aus der grafischen, mechatronischen Modellierung heraus erfolgen kann, ist die Bedienerfreundlichkeit deutlich erhöht.
Das erfindungsgemäße System kann eine Prüfeinrichtung zum Überprüfen der Konsistenz des mechatronischen Signalflusses zwischen den Technologieobjekten aufweisen. Diese Überprüfung kann im Engineering-System wie auch im Ablaufsystem erfolgen. Dadurch wird dem Bediener die Projektierung deutlich erleichtert.
Es kann ferner eine Aktivierungseinrichtung zum Aktivieren und Deaktivieren der Technologieobjekte online und/oder offline vorgesehen sein. Dadurch ist eine flexible Anpassung an modulare Anwendungen gewährleistet.
Des Weiteren kann das System eine Modifikationseinrichtung zum Modifizieren eines Signalpfads für einen mechatronischen Signalfluss während der Laufzeit aufweisen. Hiermit lässt sich zur Laufzeit der technologische Signalfluss verändern.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das System eine Transformationseinrichtung zur Umsetzung von in mindestens einer Liste definierten Technologieobjekten in die grafisch dargestellten Technologieobjekte. Die Transformationseinrichtung sollte umgekehrt auch in der Lage sein, grafische Technologieobjekte in ein Listenformat zur Ablage in einer Projektliste umzuwandeln. Damit ist eine Durchgängigkeit und gegenseitige Konvertierbarkeit von grafischer Darstellung des mechatronischen Maschinenmodells und den alphanumerischen Projektlisten der technologischen Komponenten gegeben. Nach der Umwandlung kann entsprechend eine weitere Bearbeitung in Listenform oder in grafischer Form erfolgen.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

1 einen räumlichen modularen Aufbau einer Produktionsmaschine;
2 eine Mechatronikmodellierung gemäß dem Stand der Technik für eine Produktionsmaschine nach 1;
3 ein Automatisierungsprojekt in einem Projekt-Navigator in Listenform gemäß dem Stand der Technik.
4 eine erfindungsgemäße Visualisierung eines Mechatronikmodells in Übersichtsform; und
5 eine erfindungsgemäße Visualisierung des Mechatronikmodells von 4 in ausführlicher Darstellung.

Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Das in 4 wiedergegebene grafische Mechatronikmodell entspricht prinzipiell dem Modell von 2, wie es ein Projektdesigner aufzeichnen würde. Das beispielhaft gewählte Mechatronikmodell von 4 besteht aus sechs Technologieobjekten: zwei Kurvenscheiben, zwei Achsen, einem Gleichlaufobjekt und einem Rechenobjekt. Die einzelnen Technologieobjekte besitzen je nach Funktion unterschiedliche Anzahlen von Eingängen E und Ausgängen A. Über diese Eingänge E und Ausgänge A sind die Technologieobjekte durch Verbindungen V koppelbar. Die Verbindungen V symbolisieren einen Signalfluss zur Übertragung von Informationen hinsichtlich Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Druck, Kraft, Moment und dergleichen. Mit dieser grafischen Konfiguriermöglichkeit kann der Bediener rasch und übersichtlich ein komplexes Automatisierungsprojekt konfigurieren. In der in 4 wiedergegebenen Übersichtsdarstellung benötigt der Bediener jedoch Kenntnisse über die einzelnen Eingänge E und Ausgänge A jedes verwendeten Technologieobjekts. Diese Kenntnis wird der geübte Projektdesigner nach gewisser Zeit erlangen.
Das Grafiktool ermöglicht aber auch eine ausführliche Darstellung des Mechatronikmodells entsprechend 5. Dabei ist jeder Eingang E und jeder Ausgang A mit einer entsprechenden Bezeichnung hinsichtlich seiner Funktion versehen. Darüber hinaus können in den einzelnen Technologieobjekten noch Einstellmenüs M angeboten werden, wie dies mit vorliegenden Fall für die Technologieobjekte Achse_2, Formula Objekt_2 und Achse_3 der Fall ist.
Die einzelnen Technologieobjekte können beispielsweise durch Anklicken der jeweiligen Aus- und Eingänge A, E miteinander gekoppelt werden. Im vorliegenden Fall ist beispielsweise die Achse_1 mit der Achse_2 verbunden. Achse_2 ist durch zwei Technologieobjekte repräsentiert, wobei eines davon die Berechnung des Gleichlaufes („Following Object“) übernimmt und das andere die Folgeachse („Following Axis“) darstellt. Damit wird ein Signalfluss definiert, der beispielsweise eine Ist-Geschwindigkeit der Achse_1 an die Achse_2 übermittelt. Eine zweite Verbindung besteht zwischen der Kurvenscheibe_1 und der Achse_2. Dies bedeutet, dass in die Achse_2 das Übersetzungsprofil der Kurvenscheibe_1 über die Verbindung V2 geladen wird. Gleichzeitig wird über die Verbindung V3 von der Kurvenscheibe_2 ein zweites Übersetzungsprofil in die Achse_2 geladen. Unter vorgegebenen Bedingungen werden dann die beiden Übersetzungsverhältnisse zum Erzeugen eines Ausgangssignals herangezogen.
Über eine weitere Verbindung V5 erhält das Rechnungsobjekt bzw. Formula Object_2 von der Positionierachse_1 einen IstWert (Actual Values) und setzt diesen entsprechend seiner einprogrammierten Formel in einen Ausgangswert (MotionOut1) um. Dieser Wert wird über eine Verbindung V6 an die Achse_2 weitergegeben. In dem mechatronischen Gesamtmodell der Maschine beim Engineering werden jedoch nur die relevanten Aspekte dargestellt. Nicht relevante Aspekte wie die Ablaufprogrammierung werden bewusst nicht wiedergegeben.
Auf diese Weise lassen sich die einzelnen Technologieobjekte mit ihren Signalflüssen sehr komfortabel konfigurieren. Unabhängig von dem mechatronischen Modell für die Konfigurierung ist eine entsprechende Programmierumgebung für die Ablaufprogrammierung des Gesamtsystems vorzusehen.
Die Verschaltung der vorgefertigten Technologieobjekte wird hinsichtlich ihrer Konsistenz überprüft, so dass Fehler bei der Verschaltung automatisch korrigiert werden können. Derartige Fehler sind von vorne herein nicht zu vermeiden, auch wenn das grafische Mechatronikmodell dem Projektdesigner eine umfassende Unterstützung bietet.
Bei der direkten grafischen Erstellung eines mechatronischen Maschinenmodells kann zunächst mit virtuellen mechatronischen Modulen oder Statthalterobjekten begonnen werden. Anschließend erfolgt eine Zuordnung der Statthalterobjekte zu realen Aktoren bzw. Sensoren (z.B. Geber oder Achsen), oder die virtuellen mechatronischen Einheiten (z.B. virtuelle Untersetzung des Maschinenzyklusses) werden beibehalten. Die Einbeziehung von mechatronischen Modulen ohne mechanische Entsprechung (z.B. virtuelle Achse) dient zur vereinfachten mechatronischen Darstellung und Realisierung der Produktionsaufgabe.
Der zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegende mechatronische Signalverlauf und/oder die zu einem gewissen Zeitpunkt aktiven Funktionselemente bzw. Technologieobjekte lassen sich in einer Online-Sicht auf dem mechatronischen Maschinenmodell darstellen. Damit lässt sich unter Umständen in Echtzeit erkennen, wann ein Modul aktiviert oder deaktiviert ist.
Das grafische, mechatronische Maschinenmodell, wie es in den 4 und 5 gezeigt ist, kann aus einer vorhandenen Projektliste der Funktionsobjekte, technologischen Objekte und Maschinenmodule, wie sie in 3 dargestellt ist, abgeleitet werden. Hierzu ist vorgesehen, dass zwischen einer Ansicht des Maschinenmodells und einer Ansicht der Projektstruktur bzw. -liste gewechselt werden kann.

Claims

System zum Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine mit - Einem mechatronischen Modell, dessen Technologieobjekte Funktionselemente der Maschine repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, dass - die Technologieobjekte des mechatronischen Modells grafisch dargestellt werden und - ein mechatronischer Signalfluss (VI bis V6) zwischen Technologieobjekten durch grafisches Verbinden der entsprechenden Technologieobjekte auf grafischer Ebene festgelegt wird, - aufweisend eine Modifikationseinrichtung zum Modifizieren eines Signalpfads für einen mechatronischen Signalfluss während der Laufzeit der Maschine.
System nach Anspruch 1, wobei der Signalfluss Angaben über Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Druck, Kraft und/oder Moment beinhaltet.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Funktionselemente reale und virtuelle Elemente umfassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionselemente instanziierbar, konfigurierbar, parametrierbar und kommandierbar sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Prüfeinrichtung zum Überprüfen der Konsistenz des mechanischen Signalflusses zwischen den Technologieobjekten aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Aktivierungseinrichtung zum Aktivieren und Deaktivieren der Technologieobjekte online und/oder offline aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Transformationseinrichtung zur Umsetzung von in mindestens einer Liste definierten Technologieobjekten in die grafisch dargestellten Technologieobjekte aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei die Transformationseinrichtung zur Umwandlung grafischer Technologieobjekte in ein Listenformat geeignet ist.
Verfahren zum Konfigurieren und/oder Parametrieren einer automatisierbaren Maschine durch - Bereitstellen eines mechatronischen Modells, dessen Technologieobjekte Funktionselemente der Maschine repräsentieren, gekennzeichnet durch - grafisches Darstellen der Technologieobjekte des mechatronischen Modells und - Festlegen eines mechatronischen Signalflusses (VI bis V6) zwischen Technologieobjekten auf grafischer Ebene durch grafisches Verbinden der entsprechenden Technologieobjekte - Modifizieren eines Signalpfads für einen mechatronischen Signalfluss während der Laufzeit der Maschine.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Signalfluss Angaben über Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Druck, Kraft und/oder Moment beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Funktionselemente reale und virtuelle Elemente umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Funktionselemente instanziiert, konfiguriert, parametriert und kommandiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Konsistenz des mechatronischen Signalflusses zwischen den Technologieobjekten überprüft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Technologieobjekte online und/oder offline aktiviert oder deaktiviert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei Technologieobjekte, die in mindestens einer Liste definiert sind, in die grafisch dargestellten Technologieobjekte umgesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die grafisch dargestellten Technologieobjekte zur Ablage in einer Liste in ein entsprechendes Listenformat umgewandelt werden.