DE102006046286A1 - Bewegungsüberwachung - Google Patents

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DE102006046286A1
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Jürgen Büssert
Thomas Heimann
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Rolf-Dieter Pavlik
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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bewegungsüberwachung einer Maschine, welche einen Geber aufweist, wobei ein Gebersignal vom Geber zu einer Steuerung und/oder zu einer Antriebseinrichtung übertragen wird, wobei als Steuerung bzw. Antriebseinrichtung eine fehlersichere Steuerung bzw. Antriebseinrichtung verwendet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zur Bewegungsüberwachung. Verfahren und Vorrichtungen zur Bewegungsüberwachung sind an sich bekannt. Eine solche Bewegungsüberwachung erfolgt üblicherweise mittels einer Gebereinrichtung, welche ein Gebersystem darstellt.
  • Gebereinrichtungen sind insbesondere im technischen Gebiet der Sicherheit bei der Antriebs- und Steuerungstechnik für z. B. Werkzeugmaschinen oder Produktionsmaschinen, etc., von Bedeutung. In einer Maschine dient ein Motor z. B. zur Änderung der Lage und Geschwindigkeit oder Drehgeschwindigkeit eines Werkzeugs. Um eine solche Lage oder Geschwindigkeit zu erfassen, sind direkt am Motor z. B. magnetische oder optische Gebersysteme angeordnet. Beispielsweise umfassen optische Gebersysteme eine Leuchtdiode, welche über eine mit Schlitzen versehene Glasscheibe, die sich mit dem Motor dreht, Licht zu zwei Phototransistoren sendet. Die Signale der Phototransistoren sind die Ausgangssignale des Gebersystems und sind insbesondere sinus- und kosinusförmig. Diese Signale müssen so ausgewertet werden, dass sich zumindest einen Lageistwert für das Werkzeug ergibt. Ferner sollte sich aus der Lage und der Abtastzeit auch die Drehzahl oder Geschwindigkeit des Werkzeugs bestimmen lassen. Der Lagesollwert ist durch die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks vorgegeben. Die Lageregelung verwendet den Lageistwert zur Einstellung des Lagesollwerts.
  • Zur Erzeugung des Lageistwerts werden die Sinus- und Kosinuskurven mittels dafür vorgesehener Elektronik interpoliert. Ein Analog-Digital-Wandler wandelt die analogen Signale in digitale Signale um, und es wird die Zahl der Null-Durchgänge der Sinus- bzw. Kosinuskurven ermittelt, um festzustellen, die wievielte Sinus- bzw. Kosinuskurve gegenwärtig von dem Gebersystem ausgegeben wird. Zur Feinermittlung des Winkels wird der Sinus durch den Kosinus geteilt und von diesem Wert der Arcustangens ermittelt. Wenn die mit Schlitzen versehene Glasscheibe z. B. 2.048 Schlitze umfasst, erhält man pro Umdrehung des Motors 2.048 Sinus- bzw. Kosinuskurven. Der Arcus Tangens kann abermals in z. B. 2.048 Einzelschritte aufgelöst sein. Es ergeben sich somit pro Umdrehung des Motors ca. vier Millionen mögliche Informationen.
  • Um eine eventuell vorhandene Störanfälligkeit der Elektronik zu reduzieren, ist die Auswertung zweier Kanäle vorgesehen. Dabei werden die Signale von dem Geber unabhängig voneinander in zwei gleichartigen Kanälen aufbereitet. Der von einem Kanal ermittelte Lageistwert wird mit dem Lageistwert verglichen, der in dem anderen Kanal ermittelt wird. Stimmen die Lageistwerte innerhalb bestimmter Toleranzen überein, wird der Lageistwert eines der beiden Kanäle als Ausgangssignal verwendet. Stimmen die Lageistwerte der beiden Kanäle nicht miteinander überein, erfolgt eine Fehlermeldung. Da in einem solchen Fall die Lageregelung nicht mehr zuverlässig arbeiten kann, wird die Maschine als Ganzes angehalten.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache und sichere Bewegungsüberwachung in Form einer diesbezüglichen Vorrichtung und eines korrespondierenden Verfahrens anzugeben.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Bewegungsüberwachung einer Maschine, welche einen Geber aufweist, wobei ein Gebersignal vom Geber zu einer Steuerung übertragen wird, vorgesehen, dass als Steuerung eine fehlersichere Steuerung verwendet wird. Die o.g. Aufgabe wird ebenfalls mit einer Vorrichtung zur Bewegungsüberwachung mit Mitteln zur Durchführung des o.g. Verfahrens gelöst. Insbesondere ist dazu eine Vorrichtung mit einem Motor, genau einem Geber für den oder einen Motor, einer Antriebseinrichtung für den oder einen Motor, einer der Antriebseinrichtung zugeordneten fehlersicheren Steuerung, vorgesehen, bei der ein vom Geber ge nerierbares Gebersignal zumindest durch die fehlersicheren Steuerung verarbeitbar ist, die dazu eine redundant ausgeführte Überwachungseinrichtung aufweist, wobei durch die redundant ausgeführte Überwachungseinrichtung ein erster oder zweiter Abschalteweg aktivierbar ist.
  • Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.
  • In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
  • Ein mögliches Einsatzgebiet der Erfindung ist eine Pressensteuerung, wobei eine Presse ein Beispiel für eine Produktionsmaschine ist. Die sichere Bewegungsüberwachung mit insbesondere nur einem Geber, dient beispielsweise dem Schutz eines Bedieners einer Maschine vor Gefahr bringenden Bewegungen, insbesondere bei manuellen Eingriffen. Dabei kann eine Überwachung auf sicher reduzierte Geschwindigkeit, Drehrichtung und/oder sicheren Betriebshalt von Bedeutung sein. Wichtig ist auch eine sichere Abschaltung im Antrieb (sicherer Halt) bei elektrischen Achsen oder auch bei elektrischen oder hydraulischen Antrieben.
  • Zur Gewährleistung einer sicheren Erfassung einer Ist-Drehzahl wurden bislang die Geber redundant ausgelegt. Dies hat hohe Kosten, einen erhöhten Platzbedarf und Verdrahtungsaufwand zur Folge. Zur sicheren Auswertung ist eine sichere Auswertungsüberwachung der Drehzahl mit einem Überwachungs-/Auswertegerät notwendig. Derartige Geräte sind bislang externe Geräte. Dies hat den Nachteil, dass eine zusätzliche Programmierung mit einem zusätzlichen Programmiertool notwendig ist.
  • Vorteilhaft ist gemäß der Erfindung die Überwachung bzw. die Auswertung in eine bereits anderweitig genutzte Automatisierungseinrichtung integriert. Diese Automatisierungseinrichtung wird beispielsweise für eine Regelung eines Antriebes oder auch für eine Steuerung eines Prozesses verwendet.
  • Gegenüber einer fehlersicheren Steuerungseinrichtung, welche für Steuerungs- und/oder Regelungsaufgaben vorgesehen und als Überwachungseinrichtung einsetzbar ist, haben Systeme mit redundanten Steuerungseinrichtungen den Nachteil einer notwendigen doppelten Programmierung und der Synchronisierung der Steuerungseinrichtungen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Bewegungsüberwachung in einem Antriebsgerät, welches auch als Überwachungseinrichtung fungiert.
  • Die Überwachungseinrichtung ist beispielsweise eine fehlersichere speicherprogrammierbare Steuerung (F-SPS). Eine solche F-SPS kann darüber hinaus auch zur Ausführung weiterer Steuerung-, Regelungs- und Überwachungsfunktionen ausgebildet sein. Die F-SPS ist oftmals bereits in einer Maschine vorhanden. Die F-SPS kann zusätzlich für sichere Bewegungsüberwachung genutzt werden. Eine sichere Abschaltung im Antrieb erfolgt z. B. über eine sichere E/A Ansteuerung.
  • Vorteilhaft sind auch einzelne oder mehrerer der folgenden Funktionen
    • – sichere Erfassung der Ist-Drehzahl
    • – Übertragung der redundanten Istwerte über ein gesichertes Telegramm an die F-SPS (sicherer Istwert wird für andere Aufgaben im Antriebsgerät erzeugt und gespeichert)
    • – schnelle Fehlerreaktion
    • – zusätzliche Drehzahlüberwachung auch in der integrierten Steuerung des Antriebsgeräts (reagiert bei fehlerfreier HW/SW früher als die F-SPS; Schnellabschaltung über das Antriebstelegramm
    implementiert.
  • Als Vorteil der Erfindung und/oder von Ausgestaltungen der Erfindung ergibt sich insbesondere:
    • – „integrierte Lösung": keine zusätzliche Steuerung oder ext. Überwachungsgerät
    • – einheitliche Programmierung von sicherer Logik und Bewegungsüberwachung
    • – Synchronisierung von sicherer Logik und Bewegungsüberwachung
    • – nur ein (Sin/Cos) Geber
    • – unterlagerte „Schnellabschaltung"
  • Ein System zur sicheren Bewegungsüberwachung kann wie folgt ausgestaltet sein:
    System zur sicheren Drehzahlüberwachung (insbesondere bei Produktionsmaschinen oder bei Pressensteuerungen) eines drehzahlveränderbaren Antriebs welches aufweist:
    • a) Überwachung der Motordrehzahl mittels einer fehlersicheren SPS
    • b) Sichere Erfassung der Ist-Drehzahl mit nur einem Geber
    • C) Fehlersichere Übertragung der Ist-Drehzahl über einen Feldbus
    • d) Sichere Abschaltung des Motors über fehlersichere Ein-/Ausgabeklemmen der SPS (insbesondere F-SPS)
  • Vorteilhaft erfolgt zusätzlich eine gleichzeitige Überwachung der Motordrehzahl im Antriebsgerät zur Realisierung einer Schnellabschaltung
  • Vorteilhaft ist die F-SPS in das Antriebsgerät integriert.
  • Vorteilhaft ist zumindest ein fehlersicherer Ein-/Ausgang in das Antriebsgerät integriert.
  • Vorteilhaft erfolgt eine Abschaltung nicht über fehlersichere Klemmen, sonder über ein fehlersicheres Antriebstelegramm.
  • Vorteilhaft erfolgt eine Schnellabschaltung über das Achstelegramm. Technische Voraussetzungen für ein fehlersicheres System sind beispielsweise den folgenden Normen zu entnehmen:
    • • Draft IEC 61800-5-2
    • •IEC/EN 61508
  • Fehlersichere Controller oder Steuerungen, wie sie z. B aus der EP 1 043 640 A2 bekannt sind, sind in der Lage, sicherheitsrelevante Feldsignale auszuwerten und bei Fehlern unmittelbar in einen sicheren Zustand zu schalten bzw. darin zu verbleiben. Diese Fähigkeit beruht beispielsweise auf dem Prinzip der zeitdiversitären Redundanz (Coded Processing). Dabei werden sicherheitsgerichtete Operationen auf zwei unterschiedlichen Wegen, d. h. mit (logisch und zeitlich) voneinander abweichenden (diversitären) Algorithmen, bearbeitet und am Ende des CPU-Zyklus die Ergebnisse verglichen. Bei Abweichungen ist auf einem der beiden Wege ein Fehler aufgetreten, und die CPU oder die Steuerung schaltet automatisch in einen sicheren Zustand. Zusätzlich kann ein Controller oder eine Steuerung über eine umfangreiche Eigendiagnose verfügen. Simatic Safety Integrated der Siemens AG bietet beispielsweise fehlersichere Systeme, die auf die unterschiedlichen Anforderungen von Prozessindustrie und Fertigungsindustrie zugeschnitten sind. So gibt es beispielsweise für die Fertigungstechnik fehlersichere Controller in unterschiedlichen Leistungsbereichen.
  • In der Prozessindustrie gilt es z. B. Menschen, Produktionseinrichtungen und Umwelt zu schützen. Hierfür ist beispielsweise als fehlersichere Steuerung die von der Anmelderin unter der Bezeichnung Simatic S7-400FH angebotene Steuerung einsetzbar. Eine solche Steuerung basiert auf den CPUs einer hochverfügbaren Steuerung, z. B. einer Steuerung, wie sie von der Anmelderin unter der Bezeichnung Simatic S7-400H angeboten wird. Fehlersicher wird das System durch das in der CPU ablaufende fehlersichere, so genannte F-Programm (F für Failsafe) mit Sicherheitsfunktionen und durch fehlersichere Signalbaugruppen. Für die Sicherheitsfunktionen können mit Hilfe eines Engineering Tools Funktionsbausteine aus einer F-Bibliothek aufgerufen und verschaltet werden. Die F-Bibliothek enthält vorgefertigte und von einer Zertifizierungs- oder Prüfstelle (z. B. TÜV oder Berufsgenossenschaft) abgenommene Grundfunktionsbausteine sowie ein Parametriertool für die fehlersichere Peripherie. Für die Peripherie stehen fehlersichere Peripheriebaugruppen, z. B. Peripheriebaugruppen, wie sie von der Anmeldering unter der Bezeichnung Simatic ET 200M oder Simatic ET 2005 angeboten werden, zur Verfügung. Solche fehlersicheren Peripheriebaugruppen werden mit dem in der F-Bibliothek enthaltenen Parametriertool parametriert. Eine Kommunikation zwischen den von dem Gesamtsystem umfassten Komponenten erfolgt beispielsweise über einen Feldbus, z. B. den so genannten Profibus, insbesondere Profibus DP, wobei die fehlersicheren Baugruppen über das Profibus Profil „ProfiSafe" für sicherheitsgerichtete Anwendungen angesteuert werden. Das Profibus Profil ProfiSafe ist ein Beispiel für einen sicheren Feldbus.
  • Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in Software implementiert, so dass die Erfindung neben dem Verfahren auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des oben oder nachfolgend beschriebenen Verfahrens betrifft. In gleicher Weise betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere ein Speichermedium, z. B. einen Datenträger wie eine Diskette oder dergleichen, mit einem durch einen Computer ausführbaren solchen Computerprogramm.
  • Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarte Merkmalskombinationen zu beanspruchen.
  • Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 eine erste Ausführungsform einer bekannten Bewegungsüberwachung,
  • 2 eine zweite Ausführungsform einer bekannten Bewegungsüberwachung,
  • 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Bewegungsüberwachung gemäß der Erfindung,
  • 4 eine detailliertere Darstellung der Bewegungsüberwachung gemäß der Erfindung und
  • 5 Details zur Verarbeitung eines bei der Bewegungsüberwachung verarbeiteten Wertes.
  • 1 zeigt zur Erläuterung einer im Stand der Technik bekannten Bewegungsüberwachung eine nur schematisch dargestellten Antriebseinrichtung 10, der als Aggregat z. B. einen Motor 12 ansteuert, wobei der Motor 12 mit gegebenenfalls weiteren Aggregaten Bestandteil eines nicht dargestellten technischen Prozesses, z. B. einer Pressensteuerung ist.
  • Der Motor 12 treibt eine Welle 14, und beeinflusst auf diese Weise ein nicht dargestelltes Werkzeug. Zur Erfassung von Bewegungsinformationen in Bezug auf den Motor 12 sind ein erster und ein zweiter Geber 16, 18 vorgesehen. Beide Geber 16, 18 sind der Welle 14 zugeordnet und erfassen als Bewegungsinformation z. B. eine Lage oder eine Geschwindigkeit der Welle 14. Jeder Geber 16, 18 liefert ein eigenes Ausgangssignal, also ein erstes Gebersignal 20 und ein zweites Gebersignal 22. Das erste Gebersignal 20 wird der Antriebseinrichtung 10 zugeführt, der über einen Feldbus 24, z. B. den so genannten Profibus, kommunikativ mit einer ersten Steuerung 26 verbunden ist. Die erste Steuerung 26 übernimmt die eigentliche Auswertung des ersten Gebersignals 20, das zu diesem Zweck über den Feldbus 24 von der Antriebseinrichtung 10 an die erste Steuerung 26 übermittelt wird. Wird bei der Überprüfung des ersten Gebersignals 20 durch die erste Steuerung 26 eine Ausnahmesituation festgestellt, gibt die erste Steuerung 26 ein diesbezügliches erstes Steuersignal 28 ab, das über den Feldbus 24 an die Antriebseinrichtung 10 gelangt. Mit dem ersten Steuersignal 28 kann z. B. unter Kontrolle der Antriebseinrichtung 10 eine Schnellabschaltung des Motors 12 erfolgen. Das zweite Gebersignal 22 wird durch eine redundant zur ersten Steuerung 26 vorgesehene zweite Steuerung 30 ausgewertet. Stellt die zweite Steuerung 30 in Bezug auf das zweite Gebersignal 22 eine Ausnahmesituation fest, übermittelt diese an die Antriebseinrichtung 10 ein diesbezügliches zweites Steuersignal 32, mit dem ebenfalls z. B. die vorgenannte Schnellabschaltung des Motors 12 eingeleitet werden kann. Sowohl das erste als auch das zweite Steuersignal 28, 32 kann unterschiedliche Werte annehmen oder es kann eine Mehrzahl erster und zweiter Steuersignale 28, 32 vorgesehen sein, so dass unterschiedliche Reaktionen auf eine durch eine der Steuerungen 26, 30 erkannte Ausnahmesituation möglich sind. Optional kann vorgesehen sein, dass einer der Steuerungen 26, 30 oder beiden Steuerungen 26, 30 eine Ein-/Ausgabe einrichtung 34 zugeordnet ist, mittels derer z. B. für Bedienpersonal eventuelle Ausnahmesituationen visualisierbar sind. Dazu ist die Ein-/Ausgabeeinrichtung 34 in geeigneter Weise mit der oder jeder Steuerung 26, 30 kommunikativ verbunden.
  • 2 zeigt eine alternative und ebenfalls bekannte Ausführungsform zu der Konstellation gemäß 1. Auch bei der Ausführungsform gemäß 2 erfolgt die Bewegungsüberwachung noch über zwei Geber 16, 18, deren Gebersignale (erstes Gebersignal 20 und zweites Gebersignal 22) über ein neben der ersten Steuerung 26 vorgesehenes Überwachungsgerät 36 erfolgt. Das Überwachungsgerät 36 wertet beide Gebersignale 20, 22 aus und setzt je nachdem, ob in Bezug auf eines der Gebersignale 20, 22 eine Ausnahmesituation vorliegt, ein diesbezügliches erstes oder zweites Steuersignal 28, 32 ab, das durch die Antriebseinrichtung 10 ausgewertet wird und unter Kontrolle der Antriebseinrichtung 10 z. B. eine Schnellabschaltung des Motors 12 bewirkt.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung. In Bezug auf die Darstellung in 3 werden nachfolgend nur die Unterschiede zu den Ausführungsformen gemäß
  • 1 und 2 beschrieben. Abweichend von der Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist in der Ausführungsform gemäß 3 nur ein Sensor, nämlich nur der erste Sensor 16 vorgesehen. Nachdem dieser erste Sensor 16 der einzige Sensor in der Gesamtanordnung ist, wird der erste Sensor 16 im Folgenden auch nur kurz als Sensor 16 bezeichnet.
  • Der Sensor 16 gibt als Ausgangssignal einen sicheren Geber-Istwert 38 ab. Das Ausgangssignal des Gebers 16 ergibt sich als sicherer Geber-Istwert 38, indem eine redundante Geberauswertung erfolgt. Dies kann z. B. umfassen, dass aus den Sinus- und Kosinus-Signalen des Gebers 16 als Lageinformation zwei Lage-Istwerte, z. B. ein erster Istwert mit voller Genauigkeit (Standard-Gebergesamtwert mit oder ohne Feinauflösung) und ein zweiter, gröberer Istwert (redundanter Groblagewert), gebildet werden. Erster und zweiter Lage-Istwert, also insbesondere Standard-Gebergesamtwert und redundanter Groblagewert, werden dabei über diversitäre Hardware ermittelt. Der sichere Geber-Istwert 38 wird zunächst zur Antriebseinrichtung 10 geleitet und gelangt von dort an eine als fehlersichere Steuerung 40 ausgeführte Steuerungseinheit, z. B. eine fehlersichere speicherprogrammierbare Steuerung. Die fehlersichere Steuerung 40 ist mit dem Antrieb kommunikativ über einen Feldbus 24 verbunden. Über den Feldbus 24 erfolgt auch die Übermittlung des sicheren Geber-Istwerts 38 vom Antrieb an die fehlersichere Steuerung 40.
  • Die fehlersichere Steuerung 40 umfasst eine Überwachungseinrichtung 42. Der sichere Geber-Istwert 38, also insbesondere die Geberinformation mit Standard-Gebergesamtwert und redundantem Groblagewert, wird im Bereich der fehlersicheren Steuerung 40 durch die Überwachungseinrichtung 42 auf Plausibilität geprüft und im Fehlerfall wird eine entsprechende Abschaltreaktion ausgelöst. Dazu ist eine fehlersichere Ein-/Ausgabe 44 vorgesehen, die bei entsprechender Ansteuerung ein Steuersignal 46 abgibt, das zur Antriebseinrichtung 10 gelangt und dort die jeweilige Abschaltreaktion auslöst.
  • Während zur Aufdeckung eventueller Fehler bei der Übertragung des sicheren Geber-Istwerts 38 vom Geber 16 zur Antriebseinrichtung 10 oder vom Antrieb 10 zur fehlersicheren Steuerung 40 aus den Sinus- und Kosinus-Signalen des Gebers 16 ein redundanter Geber-Istwert der oben beschriebenen Art erzeugt wird, dessen Übertragung bis zur Antriebseinrichtung 10 zum Beispiel über eine so genannte DRIVE-CliQ-Verbindung erfolgt, wird zur Sicherung der Datenübertragung und zur Prüfung der Funktion der beiden Steuerungen eine so genannte Lebenszeichenüberwachung und eine CRC-Prüfung durchgeführt. Die Überwachungseinrichtung 42 vergleicht die Standard-Gesamtlage mit der redundanten Groblage und führt insoweit einen Plausibilitätscheck durch. Im Fehlerfall wird intern eine so genannte Impulssperre ausgelöst und über den Weg 44 ein diesbezügliches Steuersignal 46 generiert. Ein als gültig (unverfälscht) erkannter Geber-Istwert 38 kann weiter verarbeitet und/oder überwacht werden.
  • 4 ist eine detailliertere Darstellung der Ausführungsform gemäß 3. Die Antriebseinrichtung 10 (3) ist jetzt in Form eines Motormoduls 10' und einer damit kommunikativ verbundenen Motorsteuerung 10'' dargestellt. Als dem Sensor 16 nachgeschaltet ist eine bisher nicht gezeigte Geberauswertung 48 dargestellt. Innerhalb der Antriebseinrichtung 10 besteht eine kommunikative Verbindung zwischen dessen Komponenten, nämlich dem Motormodul 10' und der Motorsteuerung 10'', über eine so genannte DRIVE-CliQ-Verbindung 50. Zu diesem Zweck weist sowohl das Motormodul 10' als auch die Motorsteuerung 10'' eine entsprechende Busanschaltung 52 auf. Eine DRIVE-CliQ-Verbindung besteht auch von und zur Geberauswertung 48, die zu diesem Zweck ebenfalls eine Busanschaltung 52 aufweist. Das Motormodul 10' umfasst eine Diagnosefunktionalität 54 und eine Überwachungsfunktionalität 56, wobei zur Ansteuerung des Motors 14 eine Leistungselektronik 58 vorgesehen ist, die von einer Gleichstromversorgung 60 gespeist wird.
  • Der Geber 16 liefert als Ausgangssignal ein Sinus- und Kosinus-Signal. Aus diesem werden in der Geberauswertung 48 als Lageinformation zwei Lage-Istwerte 62, 64 gebildet. Dazu wird in einem ersten Funktionsblock 66 als erster Lage-Istwert 62 ein Istwert mit voller Genauigkeit, insbesondere ein Standard-Gebergesamtwert, der eine Grob- und eine Feinlage des Motors 14 abbildet, gebildet. In einem zweiten Funktionsblock 68 wird durch einen redundanten Groblagenzähler eine redundante Groblage als zweiter Lage-Istwert 64 gebildet. Durch die Kombination der beiden Lage-Istwerte 62, 64 wird aus dem Ausgangssignal des Gebers 16 der sichere Geber-Istwert 38 (3), der mittels der Busanschaltung 52 und der DRIVE-CliQ-Verbindung 50 z. B. zur Geschwindigkeits- oder Lageregelung an das Motormodul 10' sowie zur Bewegungsüberwachung an die Motorsteuerung 10'' übermittelt wird. Neben dem ersten und zweiten Funktionsblock 66, 68 ist ein dritter Funktionsblock 70 im Bereich der Geberauswertung 48 vorgesehen, der einen Plausibilitätscheck in Bezug auf die vom Geber 16 erhaltenen Ausgangssignale durchführt, die im Wesentlichen einen Vergleich von Standard-Gebergesamtwert und/oder Feinauflösung mit dem redundanten Groblagewert umfasst, wobei bei einer Abweichung um mehr als eine vorgegebene oder vorgebbare Toleranz eine Ausnahmesituation vorliegt, die die Einleitung einer geeigneten Maßnahme, z. B. Sofortstopp oder Impulslöschung, nach sich zieht.
  • Im Bereich der Motorsteuerung 10' wird der sichere Geber-Istwert 38 in seiner Form als erster und zweiter Lage-Istwert 62, 64, also insbesondere Standard-Gebergesamtwert bzw. redundanter Groblagewert, durch eine erste und zweite Funktionseinheit 72, 74 verarbeitet, wobei die erste Funktionseinheit 72 im internen Sprachgebrauch der Anmelderin als auch „Drive-Control" und die zweite Funktionseinheit 74 als „MC-Steuerung" bezeichnet wird. Zwischen den beiden Funktionseinheiten 72, 74 besteht eine Busverbindung, insbesondere in Form eines Feldbusses, z. B. als so genannte Profibusverbindung 76. Zu diesem Zweck weisen beide Funktionseinheiten 72, 74 je eine Busanschaltung 78 auf. Innerhalb der ersten Funktionseinheit 72 werden die beiden Lage-Istwerte 62, 64 abgegriffen und sind einem im Zusammenhang mit der Erfindung nicht weiter relevanten Antriebssteuerungsmodul 80 zuführbar. Aus dem Abgriff der beiden Lage-Istwerte 62, 64 ist auch eine Drehzahl 82 oder ein Maß für eine Drehzahl des Motors 14 ermittelbar. Über die Busverbindung 76 wird vom ersten Funktionsmodul 72 zum zweiten Funktionsmodul 74 der sichere Geber-Istwert 38 in seiner Form als Kombination aus erstem und zweitem Lage-Istwert 62, 64 zusammen mit der Drehzahl 82 übermittelt. Auch die zweite Funktionseinheit 74 weist eine Busanschaltung 84 zum Anschluss des Feldbusses 24 (vgl.
  • 3) auf, über den der sichere Lage-Istwert 38 und die Drehzahl 82 an die fehlersichere Steuerung 40 (vgl. 3) übermittelbar ist.
  • Die fehlersichere Steuerung 40 umfasst die Überwachungseinrichtung 42 (vgl. 3), die wiederum einen ersten Überwa chungsfunktionsblock 86 zur Bewegungsüberwachung, einen zweiten Überwachungsfunktionsblock 88 zum Vergleich der beiden Lage-Istwerte 62, 64 und einen dritten Überwachungsfunktionsblock 90 zum Anfordern einen sicheren Zustands umfasst. Durch den zweiten Überwachungsfunktionsblock 88 erfolgt im Wesentlichen ein Plausibilitätscheck in Bezug auf ersten und zweiten Lage-Istwert 62, 64, insbesondere durch Vergleich von Standard-Gebergesamtwert und redundantem Groblagewert. Der erste Überwachungsfunktionsblock 68 übernimmt zusätzlich eine Bewegungsüberwachung, so dass Sicherheitsfunktionen wie eine Überwachung von Not-Halt-Tastern, Schutztüren und dergleichen möglich sind. Als Sicherheitsfunktionen der Bewegungsüberwachung sind insbesondere zu nennen: sicher reduzierte Geschwindigkeit, sicherer Betriebshalt, sicheres Stillsetzen mit Stillstandsüberwachung. Die dazu erforderlichen Eingangssignale, also z. B. Statusinformationen eines Not-Halt-Tasters 92 werden dem zweiten Überwachungsfunktionsblock 68 über eine fehlersichere Ein-/Ausgabe 44 (vgl. 3) sowie eine zu deren Auswertung vorgesehene Logik 94, z. B. in Form eines fehlersicheren Steuerungsprogramms, zugeführt. Im Falle einer durch die Überwachungseinheit 42 erkannten Ausnahmesituation wird ein diesbezügliches Steuersignal 46 abgesetzt, das über eine fehlersichere Busverbindung 96 und eine zu dessen Anschluss vorgesehen Busanschaltung 98, insbesondere nach den Konventionen für „ProfiSafe", an die fehlersichere Ein-/Ausgabe 44 gelangt und dort einen ersten und zweiten Abschalteweg 46', 46'' aktiviert. Dabei ergibt sich der erste und zweite Abschaltweg 46', 46'' aufgrund der Tatsache, dass die fehlersichere Steuerung 40 aufgrund ihrer Fehlersicherheit jede Funktion in redundanter Form implementiert, so dass auch die Überwachungseinrichtung 42 redundant z. B. mit diversitärer Hardware oder diversitärer Software oder gemischt mit diversitärer Hard- und/oder Software ausgeführt ist. Entsprechend kann sich ein Steuersignal 46 für die dargestellte Überwachungseinrichtung 42 oder die nicht dargestellte, redundante Überwachungseinrichtung ergeben. Mit zwei Steuersignalen 46 ist auch die Aktivierung zweier Abschaltwege 46', 46'' möglich. Wenn beide Überwachungseinrichtungen 42, also die dargestellte Überwachungseinrichtung 42 und die nicht dargestellte, redundante Überwachungseinrichtung gleiche Ergebnisse liefern, erkennen beide Überwachungseinrichtungen 42 eine gleiche Situation und würden im Falle einer erkannten Ausnahmesituation auch jeweils ein diesbezügliches Steuersignal absetzen. Dann erfolgt eine Aktivierung beider Abschaltwege 46', 46''.
  • Die Aktivierung beider Abschaltwege 46', 46'' muss nicht notwendig zeitgleich erfolgen, weil sich aufgrund der diversitären Ausführung beider Überwachungseinrichtungen 42 unterschiedliche Dynamiken ergeben können. Wichtig im vorliegenden Zusammenhang ist aber das zwei Abschaltwege 46', 46'' zur Verfügung stehen, wobei aufgrund der nicht redundanten Ausführung der Funktionseinheiten „vor" der fehlersicheren Steuerung 40 der erste Abschaltweg 46' über das Motormodul 10' als einer Komponente der Antriebseinrichtung 10 (3) und der zweite Abschaltweg 46'' über die die Motorsteuerung 10'', insbesondere dessen erster Funktionseinheit 72, führt. Damit ist in Bezug auf die Auswertung des Steuersignals 46 auch durch nicht-redundante Komponenten der Forderung nach Diversität Genüge getan, weil der erste Abschaltweg 46' direkt auf das Motormodul 10' wirkt und dort durch geeignete Verarbeitung die entsprechenden Maßnahmen zur Ansteuerung des Motors 14 ausgelöst werden können, während der zweite Abschaltweg 46'' auf die vom Motormodul 10' unabhängige Motorsteuerung 10'' wirkt und von dort über die DRIVE-CliQ-Verbindung 50 eine unabhängige geeignete Beeinflussung des Motors 14 möglich ist.
  • Gemäß einer bevorzugten, in 4 dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine weitere Überwachungseinrichtung 100 auch für die Motorsteuerung 10'' vorgesehen ist. Die weitere Überwachungseinrichtung 100 entspricht in ihrer Funktionalität identisch oder zumindest im Wesentlichen der Überwachungseinrichtung 42, wie sie im Bereich der fehlersicheren Steuerung 40 vorgesehen ist. Die einzelnen Komponenten der weiteren Überwachungseinrichtung 100 werden daher im Folgen den auch nicht nochmals erläutert. Wesentlich im Bezug auf die weitere Überwachungseinrichtung 100 ist, dass sich mit dieser ein dritter Abschaltweg 102 ergibt, wobei ein diesbezügliches Steuersignal über die Busverbindung 76 zunächst zur ersten Funktionseinheit 72 der Motorsteuerung 10'' und über die DRIVE-CliQ-Verbindung 50 schließlich zum Motormodul 10' gelangt und dort eine geeignete Beeinflussung des Motors 14, wie z. B. dessen Stillsetzung, bewirkt.
  • Die weitere Überwachungseinrichtung 100 ist damit in einem nicht redundanten Bereich der in 4 dargestellten Gesamtkonstellation vorgesehen, so dass es sich um eine zwar zusätzliche aber nicht fehlersichere Überwachung handelt. Die weitere Überwachungseinrichtung 100 ist aber deswegen vorteilhaft, weil der dritte Abschaltweg 102 aufgrund anderer dynamischer Verhältnisse im Vergleich zur Überwachung im Bereich der fehlersicheren Steuerung 40 gegebenenfalls zu einer schnelleren Abschaltung führen kann. Sollte die weitere Überwachungseinrichtung 100 eine Ausnahmesituation nicht erkennen, ist eine fehlersichere Behandlung einer solchen Ausnahmesituation immer noch durch die fehlersichere Steuerung 40 und die dortige Überwachungseinrichtung 42 gewährleistet. Erkennt die weitere Überwachungseinrichtung 100 die Ausnahmesituation, ist gegebenenfalls eine schnellere Reaktion darauf möglich.
  • Die Datenübertragung innerhalb der Motorsteuerung 10'' und von der Motorsteuerung 10'' zur fehlersicheren Steuerung 40, wobei weder Motorsteuerung 10'' noch die intern und die mit der fehlersicheren Steuerung 40 bestehenden Kommunikationsverbindungen fehlersicher ausgeführt sind, wird durch geeignete Maßnahmen abgesichert. Z. B. eine Lebenszeichenüberwachung oder ein Prüfsummenverfahren oder dergleichen, insbesondere in Form einer so genannten zyklischen Redundanzprüfung (CRC). Auf diese weise ist eine ausreichende Absicherung des Datentransfers möglich. Etwaige Fehler bei der Datenübertragung sind sofort erkennbar und als Ausnahmesituation behandelbar.
  • In Bezug auf den Geber 16 ist zu bemerken, dass dieser als Ausgangssignal insbesondere ein Sinus- und ein Kosinus-Signal, also zwei um neunzig Grad phasenverschobene Signale liefert. Geber, die zwei Signale liefern, welche in einem festen Bezug zueinander stehen, dürfen im Hinblick auf deren Fehlersicherheit wie zwei Geber betrachtet werden. Weitere Voraussetzung in diesem Zusammenhang ist, dass die Auswertung der Signale getrennt erfolgt, was nach dem Ansatz gemäß der Verbindung, wie insbesondere vorstehend im Zusammenhang mit 4 erläutert, der Fall ist.
  • Die Standard-Groblage gibt sich durch Zählen von Nulldurchgängen der vom Geber 16 gelieferten Ausgangssignale oder daraus abgeleiteter Signale. Die redundante Groblage ergibt sich durch redundantes Zählen entsprechender Nulldurchgänge in einem komplementären Signal. Dabei kann vorgesehen sein, dass für die redundante Groblage eine umgekehrte Zählrichtung vorgesehen ist, so dass sich damit eine nochmals erhöhte Diversität ergibt. Die beiden auf diese Art und Weise erhaltenen Lage-Istwerte 62, 64 können zur Absicherung gegen Verfälschung mit einer Prüfsumme, z. B. einer CRC-Signatur, versehen werden. Beim Vergleich der beiden Lage-Istwerte 62, 64 in der Überwachungseinrichtung 42 sowie der dazu redundanten Überwachungseinrichtung im Bereich der fehlersicheren Steuerung 40 oder durch die weitere Überwachungseinrichtung 100 in der Motorsteuerung 10'' darf die übertragene Standard-Groblage um nicht mehr als einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert, z. B. ±1, von der redundanten Groblage abweichen. Vor diesem Vergleich muss ggf. zusätzlich die umgekehrte Zählrichtung in Bezug auf die redundante Groblage umgerechnet werden. Die Absicherung mittels einer Prüfsumme, z. B. CRC, kann sich auf einen der beiden Lage-Istwerte 62, 64, insbesondere die redundante Groblage, beziehen oder auf beide Lage-Istwerte 62, 64.
  • Abschließend wird die Bildung des sicheren Geberwerts 38 im Bereich der Geberauswertung 48 (vgl. 3 und 4) anhand der Darstellung in 5 weiter erläutert. Das Sinus- und das Kosinus-Signal des Gebers 16 ist in 5 mit den Buchstaben A und B bezeichnet. Sowohl für die Ermittlung der Standard-Groblage als auch der redundanten Groblage erfolgt eine Signalvervierfachung von aus den sinusförmigen Signalen A, B gewonnenen Rechtecksignalen K_A, K_B durch eine so genannte Vierflankenauswertung. Die Standard-Groblage wird dabei durch einen ersten Zähler 104 und die redundante Groblage durch einen zweiten Zähler 106 ermittelt. Die redundante Groblage wird dabei zusätzlich mit einer Prüfsumme, insbesondere einer CRC-Signatur, gesichert. Als Ergebnis ergibt sich eine redundante Groblage mit CRC, die als erstes Datum 108 in Form eines Blocks dargestellt ist und als erster Lage-Istwert 62 in den sicheren Geber-Istwert 38 einfließt.
  • Im Bereich oder im Zusammenhang mit der Ermittlung der Standard-Gesamtlage folgen zusätzliche Prüfungen der Signale A, B, z. B. eine Hardware-Amplitudenüberwachung mittels eines ersten Amplitudenüberwachungsfunktionsblocks 110, durch den die Signale A, B in Bezug auf die Bedingungen |A| + |B| > 1.41 und |A| + |B| < 1 überwacht werden. Eine weitere Überwachung erfolgt in Form einer Software-Amplitudenüberwachung durch einen zweiten Amplitudenüberwachungsfunktionsblock 112, in dem überwacht wird, ob die Signale A, B der Bedingung A2 + B2 = 1 genügen. Ergibt eine dieser Überprüfungen eine Verletzung der jeweils zugrunde liegenden Bedingungen, wird ein diesbezügliches erstes oder zweites Fehlersignal 114, 116 generiert, das zusammen mit dem zweiten Lage-Istwert 64 in den sicheren Geber-Istwert 38 einfließt.
  • Durch die Abtastung (Unterabtastung) der Signale A, B werden bei hohen Drehzahlen (hohe Geberfrequenz) nicht alle kurzzeitigen Amplitudenfehler, wie z. B. Spitzen oder Einbrüche, erkannt. Dabei können sich Zustände ergeben, bei denen bei einer Überlappungsprüfung wie nachfolgend beschrieben die beiden überlappenden Bitwerte zwar nur um einen vorgegebenen Schwellwert differieren, die Groblage dennoch fehlerhaft ist (zu hoch oder zu niedrig gezählt). Dafür ist die externe Hardware-Amplitudenüberwachung 110 in Bezug auf die Summe der Beträge der Signale A und B vorgesehen. Bei Ansprechen dieser Amplitudenüberwachung wird das erste Fehlersignal 114 generiert.
  • Durch die Software-Amplitudenüberwachung 112 in Bezug auf eine Erfüllung der Bedingung A2 + B2 = 1 werden Fehler wie Leitungsbruch, „Stuck-at-High" und „Stuck-at-Low" und natürlich auch direkte Geberfehler erkannt. Bei Verlassen eines bestimmten Toleranzbereichs, eine identische Erfüllung der Bedingung A2 + B2 = 1 ist also nicht notwendig gefordert, wird das zweite Fehlersignal 116 generiert.
  • Die Standard-Gesamtlage entsteht schließlich durch Zusammensetzen von Grob- und Feinlage, wobei sich die Groblage aus dem Wert des ersten Zählers 104 ergibt. Die Feinlage ergibt sich nach Analog-/Digitalwandlung der Signale A, B, durch Anwendung einer mathematischen Operation auf diese beiden Signale, z. B. eine Operation der Art „Arcustangens(A/B)". Für diese oder eine vergleichbare Operation ist ein vierter Funktionsblock 118 vorgesehen.
  • Beim Zusammensetzen der Grob- und Feinlage überlappen die zwei höchstwertigen Bits der Feinlage mit den zwei niederwertigsten Bits der Groblage. Damit ergeben sich für diese zwei Bitpositionen in der Standard-Gesamtlage zwei Werte, die zu einem Wert korrigiert werden müssen. Bedingt durch Laufzeiten und Abtastung können diese zwei Werte um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert, z. B. ±1, differieren. Priorität erhält der Wert der Feininformation. Die Groblage, also der Wert des ersten Zählers 104, wird vor dem Zusammensetzen von Grob- und Feinlage zur Gesamtlage entsprechend korrigiert. Für diese oder eine vergleichbare Operation ist ein fünfter Funktionsblock 120 vorgesehen.
  • Bei Abweichungen größer dem vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert wird ein drittes Fehlersignal 122 erzeugt, das in den zweiten Lage-Istwert 64 und damit in den sicheren Geber-Istwert 38 einfließt. Die resultierende Gesamtlage, also die Standard-Gesamtlage ist als Datum zweites 124 dargestellt und bildet die Basis für den zweiten Lage-Istwert 64.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Bewegungsüberwachung einer Maschine, welche einen Geber (16) aufweist, wobei ein Gebersignal (38) vom Geber (16) zu einer Steuerung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerung eine fehlersichere Steuerung (40) verwendet wird.
  2. Verfahren zur Bewegungsüberwachung einer Maschine, welche einen Geber aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebersignal (38) an eine Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') übertragen wird, wobei die Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') zumindest teilweise fehlersicher ausgeführt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Übertragung des Gebersignals (38) ein fehlersicherer Feldbus (96) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die fehlersichere Steuerung (40) zur Auswertung des Gebersignals (38) eine redundant ausgeführte Überwachungseinrichtung (42) umfasst und wobei jede Überwachungseinrichtung (42) das Gebersignal (38) unabhängig von der jeweils anderen Überwachungseinrichtung (42) überwacht und gegebenenfalls ein Steuersignal (46) zur Aktivierung eines ersten oder zweiten Abschaltewegs (46', 46'') generiert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') eine weitere Überwachungseinrichtung (100) zugeordnet ist, die das das Gebersignal (38) unabhängig von der Überwachungseinrichtung (42) der fehlersicheren Steuerung (40) überprüft und gegebenenfalls ein Steuersignal zur Aktivierung eines dritten Abschaltewegs (102) generiert.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gebersignal (38) durch einen ersten und einen zweiten Lage-Istwert (62, 64) gebildet wird, wobei der zweite Lage-Istwert (64) als redundanter Lage-Istwert zum ersten Lage-Istwert fungiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei beide Lage-Istwerte (62, 64) zumindest auf Basis eines Ausgangssignals jeweils eines Zählers (104, 106) aus vom Geber (16) gelieferten Signalen gebildet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, einer der Lage-Istwerte (62, 64) einer Hardware-Amplitudenüberwachung durch einen ersten Amplitudenüberwachungsfunktionsblock (110) und/oder einer Software-Amplitudenüberwachung durch einen zweiten Amplitudenüberwachungsfunktionsblock (112) unterworfen wird, wobei gegebenenfalls entweder die Hardware-Amplitudenüberwachung oder die Software-Amplitudenüberwachung ein Fehlersignal (114, 116) generiert, das in das Gebersignal (38) einfließt.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei einer der Lage-Istwerte (62, 64) eine Grob- und eine Feinlage des Motors (14) abbildet, wobei sich Grob- und eine Feinlage zumindest abschnittsweise überlappen und wobei ein überlappender Bereich in Bezug auf eine Abweichung um nicht mehr als einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert überprüft wird und wobei gegebenenfalls ein drittes Fehlersignal (122) erzeugt wird.
  10. Vorrichtung zur Bewegungsüberwachung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einem Motor (14), genau einem Geber (16) für den oder einen Motor (14), einer Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') für den oder einen Motor (14), einer der Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') zugeordneten fehlersicheren Steuerung (40), wobei ein vom Geber (16) generierbares Gebersignal (38) zumindest durch die fehlersicheren Steuerung (40) verarbeitbar ist, die dazu eine redundant ausgeführte Überwachungseinrichtung (42) aufweist und wobei durch die redundant ausgeführte Überwachungseinrichtung (42) ein erster oder zweiter Abschalteweg (46', 46'') aktivierbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Gebersignal (38) zumindest auch im Bereich der Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') verarbeitbar ist, die dazu eine weitere Überwachungseinrichtung (100) aufweist und wobei durch die weitere Überwachungseinrichtung (100) ein dritter Abschalteweg (102) aktivierbar ist.
  13. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
  14. Computerprogrammprodukt, insbesondere Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren Computerprogramm gemäß Anspruch 13.
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