DE102007020203A1

DE102007020203A1 - Movement monitoring device for drive system of e.g. machine tool, has security request unit designed such that requests are implemented by measuring device over output interface in operating mode

Info

Publication number: DE102007020203A1
Application number: DE200710020203
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Ing. Strasser
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2007-04-28
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2008-10-30

Abstract

The device (40) has a digital output interface (41) for connecting to a position measuring device (20), and a switching unit (43) for switching the output interface to two operating modes. The output interface is switched to an input interface (42) in one of the modes, and is switched to a security request unit (50) in the other mode. The security request unit is designed in such a manner that security related requests are implemented by the measuring device over the output interface in the latter mode. A switching line (51) is switched depending on the result of the requests. An independent claim is also included for a method for monitoring a drive system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung eines Antriebssystems nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Antriebssystems nach Anspruch 8. Weiter betrifft die Erfindung ein Antriebssystem nach Anspruch 13. Mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung, bzw. einem erfindungsgemäßen Verfahren wird es ermöglicht, Antriebssysteme so zu verbessern, dass sie für sicherheitsgerichtete Anwendungen anwendbar sind.The The invention relates to a monitoring device for monitoring A drive system according to claim 1, and a method for monitoring a drive system according to claim 8. Furthermore, the invention relates A drive system according to claim 13. With a monitoring device according to the invention, or a method according to the invention it becomes makes it possible to improve drive systems so that they are applicable for safety-related applications.

In der Automatisierungstechnik werden häufig Antriebe eingesetzt, deren Motoren von einer numerischen Steuerung (NC) angesteuert werden. Hierzu generiert die Steuerung entsprechend einem abzuarbeitendem Programm Sollwerte, die in entsprechenden Motoransteuermodulen, sog. Umrichtern zu Ansteuersignalen für den Motor umgewandelt werden. Die aus den Ansteuersignalen resultierende Bewegung kann sowohl eine Längsbewegung, beispielsweise das Verfahren eines Werkzeugschlittens in einer Werkzeugmaschine, als auch eine Drehbewegung, beispielsweise eine sich mit einer bestimmten Drehzahl drehende Werkzeugspindel oder die Drehung eines Gelenkes eines Fertigungsroboters, sein.In automation technology often uses drives whose motors are controlled by a numerical control (NC). For this generates the control according to a program to be processed Setpoints that are in corresponding Motoransteuermodulen, so-called. Inverters be converted to drive signals for the motor. The from the drive signals resulting movement can both a Longitudinal movement, for example, the method of a tool carriage in a machine tool, as well as a rotary motion, for example a rotating with a certain speed tool spindle or the rotation of a hinge of a manufacturing robot.

Um das Ausmaß der Bewegung, bzw. die Motordrehzahl messen zu können, werden Positionsmessgeräte eingesetzt, im Falle einer Längsbewegung etwa lineare Positionsmessgeräte, bei Drehbewegungen entsprechend rotatorische Positionsmessgeräte, sog. Drehgeber, die direkt oder über eine Übersetzung mit der Motorwelle gekoppelt sind. Die mit Hilfe der Positionsmessgeräte ermittelten Positionsistwerte werden zur Steuerung übertragen, die daraus wiederum neue Sollwerte für die Umrichter ermittelt. Derartige Regelkreise erlauben eine präzise Steuerung des Antriebs.Around measure the extent of the movement, or the engine speed position sensors are used, in the case of a longitudinal movement about linear position measuring devices, rotational movements corresponding rotary position measuring devices, so-called rotary encoder, directly or through a translation are coupled to the motor shaft. The with the help of the position measuring devices determined actual position values are transferred to the control, which in turn determines new setpoint values for the converters. Such control circuits allow precise control of the Drive.

Die Übertragung der Positionswerte von den Positionsmessgeräten zur Steuerung kann rein analog, häufig in Form von zwei zueinander um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Signalen, oder auch digital, in Form von rechteckförmigen Zählsignalen oder durch Übertragung von komplexen Datenworten über Datenschnittstellen erfolgen. In modernen Positionsmessgeräten werden heute vor allem serielle Datenschnittstellen bevorzugt, da sie nur eine geringe Anzahl von Leitungen für die Datenübertragung erfordern.The transfer the position values from the position measuring devices to the controller can be purely analog, often in the form of two to each other 90 ° out of phase sinusoidal signals, or digital, in the form of rectangular counting signals or by transferring complex data words via Data interfaces are made. In modern position measuring devices Today, especially serial data interfaces are preferred because They only have a small number of lines for data transmission require.

Problematisch hierbei ist, die Sicherheit der Datenübertragung zu gewährleisten, da es für die Steuerung bei einer einfachen Übertragung von Positionsdaten nicht möglich ist, festzustellen, ob es sich um tatsächliche Positionswerte, oder aber fehlerhafte Daten, beispielsweise verursacht durch ein defektes Datenregister im Positionsmessgerät, handelt. Wird der Fehlerfall nicht bemerkt, werden die Regelkreise zur Ansteuerung des Motors mit falschen Positionsistwerten versorgt, was zu einer Beschädigung der angesteuerten Maschine, z. B. Fräsmaschine, Fertigungsroboter, oder im schlimmsten Fall sogar zu einer Gefahr für Leib und Leben einer Person, die sich im Gefahrenbereich der Maschine aufhält, führen kann.Problematic this is to ensure the security of data transmission, there for the controller in a simple transfer position data is not possible to determine whether these are actual position values or faulty ones Data caused, for example, by a defective data register in the position measuring device, acts. If the error does not noticed, the control circuits to control the engine with wrong Position actual values supplied, resulting in damage the controlled machine, z. B. milling machine, manufacturing robot, or in the worst case even a danger to the body and life of a person who is in the danger zone of the machine, can lead.

Der klassische Ansatz die seriell übertragenen Daten überprüfbar zu machen ist es, parallel zur digitalen Datenübertragung noch die Analogsignale mit zur Steuerung zu übertragen und dort das Bewegungsausmaß der digi talen mit dem der analogen Positionssignale zu vergleichen. Die für die Übertragung der analogen Signale notwendigen Leitungen sind aber, wie bereits erwähnt, unerwünscht. Aus diesem Grund wurden Positionsmessgeräte entwickelt, die in Verbindung mit speziell angepassten Steuerungen eine sichere Datenübertragung über rein serielle Schnittstellen ermöglichen. Das Maß an Sicherheit, das mit derartigen sicherheitsgerichteten Systemen erreicht wird, ist nach IEC61508 (DIN EN 61508) in Sicherheitslevel („Safety Integrity Level", SIL) eingeteilt. In der Automatisierungstechnik wird meist Sicherheitslevel SIL2 gefordert. Nach DIN EN 61508 versteht man unter „sicherheitsgerichtet" die Fähigkeit eines Systems im Falle eines Ausfalls einer Komponente in einem sicheren Zustand zu bleiben, um somit Gefahren für Menschen direkt oder indirekt auszuschließen.Of the classical approach the serially transmitted data verifiable it is to be done, parallel to the digital data transmission nor to transfer the analogue signals to the controller and there the range of movement of the digital with the compare analog position signals. The for the transfer But the analogue signals necessary lines are, as already mentioned, undesirable. Because of this were Position measuring devices developed in conjunction with special adapted control over a secure data transmission over enable purely serial interfaces. The measure Safety achieved with such safety-related systems is in accordance with IEC61508 (DIN EN 61508) in safety level ("Safety Integrity Level ", SIL) in automation technology usually safety level SIL2 is required. Understand according to DIN EN 61508 under "safety-related" the ability of a system in case of failure of a component in one safe state, thus posing dangers to humans directly or indirectly excluded.

In der Praxis besteht nun häufig der Wunsch, moderne, sicherheitsgerichtete Positionsmessgeräte mit rein serieller digitaler Datenübertragung in Verbindung mit bereits vorhandenen, nicht sicherheitsgerichteten Steuerungen einzusetzen, da die Anschaffung von sicherheitsgerichteten Steuerungen mit viel Aufwand für die Fertigungsintegration und hohen Investitionskosten verbunden ist. Dabei soll trotzdem für das Gesamtsystem der geforderte Sicherheitslevel SIL2 erreichbar sein.In In practice, there is often a desire for modern, safety-oriented ones Position measuring devices with purely serial digital data transmission in conjunction with existing, non-safety-related To use controls, as the purchase of safety-related Controllers with a lot of effort for the manufacturing integration and high investment costs. It should anyway the required safety level SIL2 for the entire system be available.

Die DE19937737C2 beschreibt ein modulares Zusatzgerät für eine Antriebssteuerung, dem die analogen Positionssignale eines Resolvers, der die Drehbewegung einer Welle misst, parallel zur Antriebssteuerung zugeführt sind. Stellt das Zusatzgerät fest, dass die Positionssignale fehlerhaft sind, gibt es zwei Abschaltsignale aus. Damit ist eine sicherheitsgerichtete Abschaltung gewährleistet. Werden die Positionssignale jedoch über eine digitale Datenschnittstelle zu einer nicht sicherheitsgerichteten Antriebssteuerung übertragen, ist dieses Prinzip nicht anwendbar, da aus den digitalen Daten nur unzureichend Rückschlüsse auf die fehlerfreie Funktion des Positionsmessgerätes gezogen werden können.The DE19937737C2 describes a modular accessory for a drive control to which the analog position signals of a resolver, which measures the rotational movement of a shaft, are fed in parallel to the drive control. If the attachment detects that the position signals are faulty, it outputs two shutdown signals. This ensures a safety-related shutdown. However, if the position signals are transmitted via a digital data interface to a non-safety-related drive control, this principle is not applicable, since only insufficient conclusions can be drawn from the digital data on the correct functioning of the position measuring device.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine Bewegung eines Antriebssystems sicherheitsgerichtet überwacht wer den kann, wenn die Positionssignale zur Feststellung der Bewegung über eine digitale Datenschnittstelle übertragen werden.It is therefore an object of the invention, a Vor Specify the direction by which a movement of a drive system can be safely monitored if the position signals for determining the movement are transmitted via a digital data interface.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Details der Vorrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by a device according to claim 1. Advantageous details of the device will be apparent from the Claim 1 dependent claims.

Es wird nun eine Überwachungsvorrichtung für ein Antriebssystem vorgeschlagen, die eine digitale Eingangsschnittstelle zum Anschluss einer Antriebssteuerung, eine digitale Ausgangsschnittstelle für den Anschluss eines Positionsmessgeräts, eine Sicherheitsabfrageeinheit, sowie Umschaltmittel, mittels derer die Ausgangsschnittstelle in einer ersten Betriebsart zur Eingangsschnittstelle und in einer zweiten Betriebsart zur Sicherheitsabfrageeinheit schaltbar ist, umfasst. Die Sicherheitsabfrageeinheit ist derart ausgebildet, dass in der zweiten Betriebsart über die Ausgangsschnittstelle sicherheitsgerichtete Abfragen von einem an die Ausgangsschnittstelle angeschlossenen Positionsmessgerät durchführbar sind und entsprechend dem Ergebnis der sicherheitsgerichteten Abfragen wenigstens eine Abschaltleitung schaltbar ist.It will now be a monitoring device for a Propulsion system proposed that a digital input interface for connecting a drive control, a digital output interface for the connection of a position measuring device, a safety interrogation unit, and switching means by which the output interface in a first mode to the input interface and in a second Operating mode for security query unit is switchable includes. The security inquiry unit is designed such that in the second operating mode via the output interface safety-related queries from a position measuring device connected to the output interface are feasible and according to the result of the safety-related Queries at least one shutdown is switchable.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines Antriebssystems anzugeben, mit dem eine Bewegung eines Antriebssystems sicherheitsgerichtet überwacht werden kann, wenn die Positionssignale zur Feststellung der Bewegung über eine digitale Datenschnittstelle übertragen werden.Further It is the object of the invention to provide a method for monitoring of a drive system with which a movement of a drive system safety-related can be monitored when the position signals to detect movement via a digital data interface become.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 8. Vorteilhafte Details der Vorrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 8 abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by a method according to claim 8. Advantageous details of the device will be apparent from the claims 8 dependent claims.

Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines Antriebssystems mit einer Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 vorgeschlagen, wobei an die Ausgangsschnittstelle der Überwachungsvorrichtung ein Positionsmessgerät und an die Eingangsschnittstelle eine Antriebssteuerung angeschlossen ist, die Antriebssteuerung einen Motor ansteuert und das Positionsmessgerät eine durch die Ansteuerung des Motors hervorgerufene Bewegung misst. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Durchführung einer Positionsabfrage der Antriebssteuerung vom Positionsmessgerät,
– Umschaltung der Ausgangsschnittstelle von der Eingangsschnittstelle zur Sicherheitsabfrageeinheit,
– Durchführung einer Sicherheitsabfrage der Sicherheitsabfrageeinheit vom Positionsmessgerät,
– Schalten wenigstens einer Abschaltleitung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Sicherheitsabfrage,
– Umschaltung der Ausgangsschnittstelle von der Sicherheitsabfrageeinheit zur Eingangsschnittstelle.

A method for monitoring a drive system with a monitoring device according to one of Claims 1 to 7 is proposed, wherein a position measuring device is connected to the output interface of the monitoring device and a drive control is connected to the input interface, the drive control activates a motor and the position measuring device actuates the position measuring device Motors motion detected measures. The inventive method comprises the following steps:

Carrying out a position inquiry of the drive control from the position measuring device,
Switching of the output interface from the input interface to the safety interrogation unit,
Carrying out a safety inquiry of the safety interrogation unit from the position measuring device,
Switching at least one switch-off line depending on the result of the safety inquiry,
- Switching the output interface from the safety interrogation unit to the input interface.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigtFurther Advantages and details of the present invention will become apparent from the description below with reference to the figures. It shows

1 ein Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung, 1 a drive system with a monitoring device according to the invention,

2 ein Zeitdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 2 a time chart of a method according to the invention,

3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 a flow diagram of a method according to the invention.

1 zeigt ein Antriebssystem, bestehend aus einem Motor 10, einer Antriebssteuerung 30 und einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 40. Eine aus der Ansteuerung des Motors 10 resultierende Bewegung, in diesem Fall die Drehung einer Welle 11 wird mit einem Positionsmessgerät 20 gemessen. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich beim Positionsmessgerät 20 um einen Drehgeber 20, der drehfest mit der Welle 11 verbunden ist. Der Motor 10 erhält seine Ansteuersignale von der Antriebssteuerung 30 über Ansteuerleitungen 32. Eine digitale Datenschnittstelle 21 des Drehgebers 20 ist mit einer Ausgangsschnittstelle 41 der Über wachungsvorrichtung 40 verbunden, eine digitale Datenschnittstelle 31 der Antriebssteuerung 30 mit einer Eingangsschnittstelle 42 der Überwachungsvorrichtung 40. 1 shows a drive system consisting of a motor 10 , a drive control 30 and a monitoring device according to the invention 40 , One from the control of the engine 10 resulting movement, in this case the rotation of a shaft 11 comes with a position gauge 20 measured. In this embodiment, it is the position measuring device 20 around a rotary encoder 20 , which rotates with the shaft 11 connected is. The motor 10 receives its drive signals from the drive control 30 via control lines 32 , A digital data interface 21 of the rotary encoder 20 is with an output interface 41 the monitoring device over 40 connected, a digital data interface 31 the drive control 30 with an input interface 42 the monitoring device 40 ,

Eine in der Antriebssteuerung 30 enthaltene Verarbeitungseinheit 34 umfasst alle Funktionsblöcke, die in einer numerischen Steuerung zur Ansteuerung von Antrieben notwendig sind, wie z. B. eine Mikroprozessoreinheit, Daten/-Programmspeicher, Schnittstellen, Umrichter zur Erzeugung der Ansteuersignale für den Motor 10 usw. Auf diese Komponenten wird in der nachfolgenden Beschreibung nur soweit eingegangen, wie es für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung notwendig ist.One in the drive control 30 included processing unit 34 includes all function blocks that are necessary in a numerical control to control drives, such. As a microprocessor unit, data / program memory, interfaces, inverter for generating the drive signals for the motor 10 etc. These components will be discussed in the following description only as far as necessary for the explanation of the present invention.

Wie einleitend bereits beschrieben, wird als digitale Datenschnittstelle (digitale Datenschnittstelle 21 des Drehgebers 20, digitale Datenschnittstelle 31 der Antriebssteuerung 30, Ausgangsschnittstelle 41 und Eingangsschnittstelle 42 der Überwachungsvorrichtung 40) mit Vorteil eine serielle Datenschnittstelle eingesetzt, da hier zur Datenübertragung nur wenige Leitungen benötigt werden und trotzdem sehr komplexe Datenübertragungsprotokolle realisierbar sind.As already described in the introduction, it is used as a digital data interface (digital data interface 21 of the rotary encoder 20 , digital data interface 31 the drive control 30 , Output interface 41 and input interface 42 the monitoring device 40 ) used with advantage a serial data interface, since only a few lines are required for data transmission and yet very complex data transmission protocols are feasible.

Der Drehgeber 20 ist so ausgebildet, dass über die digitale Datenschnittstelle 21 sowohl mit einem einfachen Datenübertragungsprotokoll, als auch mit einem erweiterten, sicherheitsgerichteten Datenübertragungsprotokoll Daten mit einem Folgegerät, in diesem Fall der Antriebssteuerung 30, bzw. der Überwachungsvorrichtung 40 ausgetauscht werden können.The encoder 20 is designed so that through the digital data interface 21 Both with a simple data transmission protocol, as well as with an extended, safety-related data transmission protocol data with a follower, in this case the drive control 30 , or the monitoring device 40 can be exchanged.

Die Überwachungsvorrichtung 40 enthält Umschaltmittel, mit denen die Ausgangsschnittstelle 41 wahlweise mit der Eingangsschnittstelle 42 oder mit einer Sicherheitsabfrageeinheit 50 verbindbar ist. Die Umschaltmittel umfassen im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Schnittstellenumschalter 43, eine Umschaltkontrolleinheit 44 und eine Schnittstellenabschlusseinheit 45. Der Schnittstellenumschalter 43 dient dazu, die Umschaltung der Ausgangsschnittstelle 41 zwischen der Eingangsschnittstelle 42 und der Sicherheitsabfrageeinheit 50 vorzunehmen. Die Zeitpunkte, zu denen die Umschaltung erfolgt, werden von der Umschaltkontrolleinheit 44 bestimmt, die zu diesem Zweck entweder, wie dargestellt, mit der Ausgangsschnittstelle 41, oder aber mit der Eingangsschnittstelle 42 verbunden ist und die somit den Datenverkehr überwachen und geeignete Zeitpunkte für die Umschaltung ermitteln kann. Die Umschaltung kann beispielsweise unmittelbar nach der Abfrage eines Positionsdatenwortes von der Antriebssteuerung 30 erfolgen. Die Umschaltkontrolleinheit 44 signalisiert die erfolgte Umschaltung der Sicherheitsabfrageeinheit 50 mittels einer Signalleitung 46.The monitoring device 40 contains switching means with which the output interface 41 optionally with the input interface 42 or with a security query unit 50 is connectable. The switching means comprise an interface switch in the illustrated embodiment 43 , a switching control unit 44 and an interface termination unit 45 , The interface switch 43 serves to switch the output interface 41 between the input interface 42 and the security query unit 50 make. The times at which the switching takes place, by the switching control unit 44 intended for this purpose, either as shown, with the output interface 41 , or with the input interface 42 is connected and thus can monitor the traffic and determine appropriate times for switching. The switching can, for example, immediately after the query of a position data word from the drive control 30 respectively. The switching control unit 44 signals the switchover of the safety interrogation unit 50 by means of a signal line 46 ,

Der Schnittstellenumschalter 43 ist in 1 als mechanischer Schalter dargestellt. Für den Fachmann ist es aber selbstverständlich, dass als Schnittstellenumschalter 43 vorzugsweise elektronische Schalter, z. B. CMOS-Schalter, oder auch Treiberbausteine, die wechselweise aktiv, bzw. inaktiv geschaltet werden, eingesetzt werden.The interface switch 43 is in 1 shown as a mechanical switch. For a person skilled in the art, however, it goes without saying that as an interface switch 43 preferably electronic switches, z. As CMOS switch, or driver modules that are alternately active, or inactive, are used.

In der Praxis sind Antriebssteuerungen 30 häufig so ausgebildet, dass eine Leitungsunterbrechung der Schnittstellenverbindung festgestellt wird und als Folge davon Fehlermeldungen oder sogar die Abschaltung von Antrieben ausgelöst werden. Um das zu verhindern, ist die Schnittstellenabschlusseinheit 45 vorgesehen. Diese stellt in der Zeit, in der die Verbindung von der Eingangsschnittstelle 42 zur Ausgangsschnittstelle 41 unterbrochen ist, für die Leitungen der Eingangsschnittstelle 42 einen Zustand her, der von der Antriebssteuerung 30 von einer angeschlossenen Schnittstellenverbindung erwartet wird. Eine unerwünschte Reaktion der Antriebssteuerung 30 auf die Umschaltung des Schnittstellenumschalters 43 auf die Sicherheitsabfrageeinheit 50 wird so verhindert. Die Schnittstellenabschlusseinheit 45 kann beispielsweise Abschlusswiderstände (Spannungsteiler, Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstände), oder auch aktive Halbleiterbausteine enthalten, die an die Eingangsschnittstelle 42 geschaltet werden können.In practice, there are drive controls 30 often designed so that a line interruption of the interface connection is detected and as a result of error messages or even the shutdown of drives are triggered. To prevent this, the interface termination unit is 45 intended. This represents in the time in which the connection from the input interface 42 to the output interface 41 is interrupted, for the lines of the input interface 42 a state, that of the drive control 30 is expected from a connected interface connection. An undesirable reaction of the drive control 30 on the switching of the interface switch 43 to the security query unit 50 is thus prevented. The interface termination unit 45 For example, it can include terminators (voltage dividers, pull-up or pull-down resistors), or active semiconductor devices connected to the input interface 42 can be switched.

Die Antriebssteuerung 30 ist nun so ausgeführt, dass sie Ober die digitale Datenschnittstelle 31 über das einfache Datenübertragungsprotokoll Positionsdaten vom Drehgeber 20 anfordern kann. Da es nicht, oder nur unzureichend möglich ist, über dieses einfache Datenübertragungsprotokoll sicher heitsgerichtet Daten vom Drehgeber 20 zu übertragen, kann ein Eingangs beschriebener, für die Automatisierungstechnik geforderter Sicherheitslevel nach IEC61508 (DIN EN 61508), z. B. SIL2 nicht erreicht werden. Diese Konstellation – sicherheitsgerichtetes Positionsmessgerät an einer Antriebssteuerung, die die sicherheitsgerichteten Daten nicht ausreichend verarbeiten kann – tritt in der Praxis beispielsweise dann auf, wenn bestehende Systeme modernisiert und auf rein digitale Datenschnittstellen umgestellt werden, zur Aufwandsminimierung aber bestehende Antriebssteuerungen weiter eingesetzt werden sollen.The drive control 30 is now executed so that they are upper the digital data interface 31 via the simple data transfer protocol position data from the encoder 20 can request. Since it is not possible, or insufficiently possible, to use this simple data transmission protocol to securely send data from the encoder 20 can be transmitted, an input described, required for automation technology security level according to IEC61508 (DIN EN 61508), z. B. SIL2 can not be achieved. This constellation - safety-related position measuring device on a drive controller, which can not adequately process the safety-related data - occurs in practice, for example, when existing systems are modernized and converted to purely digital data interfaces, but to minimize the effort existing drive controls should continue to be used.

Die Sicherheitsabfrageeinheit 50 ist nun geeignet ausgebildet, um mit dem sicherheitsgerichteten Datenübertragungsprotokoll sicherheitsgerichtete Daten vom Drehgeber 20 anzufordern und auszuwerten. Stellt die Sicherheitsabfrageeinheit 50 einen Fehlerfall fest, aktiviert sie eine erste Abschaltleitung 51 und/oder eine zweite Abschaltleitung 52. Im Ausführungsbeispiel in 1 schaltet die erste Abschaltleitung 51 einen Trennschalter 60, der die Versorgungsspannung, beispielsweise die drei Phasen L1, L2, L3 des Drehstromnetzes, aus der die Antriebssteuerung 30 die Ansteuersignale für den Motor 10 erzeugt, abschaltet. Die zweite Abschaltleitung 52 signalisiert der Verarbeitungseinheit 34 in der Antriebssteuerung 30, dass ein Fehler aufgetreten ist. Diese kann dann beispielsweise mittels eines zweiten Trennschalters 33 eine Abschaltung der Ansteuerleitungen 32 für die Motoransteuersignale initiieren. Somit ist eine zweikanalige Abschaltung möglich.The security query unit 50 is now suitably designed to transmit safety-related data from the encoder using the safety-related data transmission protocol 20 request and evaluate. Represents the security query unit 50 If an error occurs, it activates a first shutdown line 51 and / or a second shutdown line 52 , In the embodiment in 1 switches the first switch-off line 51 a circuit breaker 60 , the supply voltage, for example, the three phases L1, L2, L3 of the three-phase network, from the drive control 30 the drive signals for the motor 10 generates, shuts off. The second shutdown line 52 signals the processing unit 34 in the drive control 30 that an error has occurred. This can then, for example, by means of a second circuit breaker 33 a shutdown of the control lines 32 for the motor drive signals. Thus, a two-channel shutdown is possible.

In einer erweiterten Ausgestaltung kann die zweite Abschaltleitung 52 beispielsweise auch eine Information, um welche Art von Fehler es sich handelt, zur Verarbeitungseinheit 34 übermitteln. Je nach Art des aufgetretenen Fehlers kann die Verarbeitungseinheit 34 dann verschiedene Aktionen einleiten, wie z. B.:

– reduzieren der maximalen Drehzahl/Vorschubgeschwindigkeit („sicher reduzierte Geschwindigkeit")
– kontrolliertes Anhalten des Motors/des Antriebs, bzw. mehrerer Motoren/Antriebe in einer Werkzeugmaschine („sicherer Halt")
– hartes Abschalten des Motors/der Werkzeugmaschine mittels des zweiten Trennschalters 32, wodurch in Verbindung mit der Betätigung des ersten Trennschalters 60 eine für sicherheitsgerichtete Anlagen geforderte zweikanalige Abschaltung erreicht wird („NOT-AUS”)

In an expanded embodiment, the second shutdown line 52 For example, information about what type of error is to the processing unit 34 to transfer. Depending on the type of error that has occurred, the processing unit 34 then initiate various actions, such. B .:

- reduce the maximum speed / feed rate ("safely reduced speed")
- controlled stopping of the motor / drive or several motors / drives in a machine tool ("safe stop")
- Hard shutdown of the engine / machine tool by means of the second disconnector 32 which, in conjunction with the operation of the first disconnector 60 a two-channel switch-off required for safety-related systems is achieved ("EMERGENCY STOP")

Bei der zweiten Abschaltleitung 52 kann es sich auch um mehrere einzelne Leitungen handeln, deren Signalpegel einen bestimmten Fehler anzeigt. Entsprechende Eingänge sind in Antriebssteuerungen 30 meist standardmäßig vorhanden.At the second shutdown line 52 it can also be several individual lines whose signal level indicates a specific error. Corresponding inputs are in drive controls 30 usually available by default.

2 zeigt ein Zeitdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu einem Zeitpunkt t1 erfolgt in einer ersten Betriebsart eine Positionsabfrage P_R der Antriebssteuerung 30 vom Drehgeber 20. Im laufenden Betrieb der Antriebssteuerung 30 erfolgen Positionsabfragen P_R zyklisch im zeitlichen Abstand einer Reglerzykluszeit T_R. Typische Werte für die Reglerzykluszeit sind 50–250 us. Nach der Übertragungszeitdauer T_T ist die Übertragung der angeforderten Positionsdaten zur Antriebssteuerung 30 beendet. Dies wird von der Umschaltkontrolleinheit 44 erkannt und die Umschaltung der Ausgangsschnittstelle 41 von der Eingangsschnittstelle 42 zur Sicherheitsabfrageeinheit 50 wird zu einem Zeitpunkt t2 initiiert. Die Überwachungsvorrichtung befindet sich nun in einer zweiten Betriebsart. 2 shows a timing diagram of a method according to the invention. At a time t1, a position query P _{R of} the drive control takes place in a first operating mode 30 from the encoder 20 , During operation of the drive control 30 Position inquiries P _{R occur} cyclically at a time interval of a controller cycle time T _R. Typical values for the controller cycle time are 50-250 μs. After the transmission period T _T is the transmission of the requested position data to the drive control 30 completed. This is done by the switching control unit 44 detected and the switching of the output interface 41 from the input interface 42 to the security query unit 50 is initiated at a time t2. The monitoring device is now in a second mode.

Zu einem Zeitpunkt t3 erfolgt nun eine Sicherheitsabfrage P_S mit der sicherheitsgerichtete Daten vom Drehgeber 20 mit Hilfe des sicherheitsgerichteten Protokolls abgefragt werden. Um welche Daten es sich dabei handelt, ist abhängig davon, auf welche Weise der Drehgeber 20 den geforderten Sicherheitslevel, z. B. SIL2 erreicht. So kann es sich beispielsweise um weitere Positionsdaten handeln, die im Drehgeber über einen zweiten, unabhängigen Messkanal gewonnen wurden, oder aber um Daten, die durch gezielte Manipulation der Positionsmesseinheiten im Drehgeber 20 erzeugt wurden („Zwangsdynamisierung").At a time t3, a safety query P _S with the safety-related data from the shaft encoder now takes place 20 be queried using the safety-related protocol. Which data is involved depends on how the encoder is operated 20 the required security level, z. B. reached SIL2. For example, this may be additional position data obtained in the rotary encoder via a second, independent measuring channel or else data obtained by specific manipulation of the position measuring units in the rotary encoder 20 were generated ("forced dynamization").

Je nachdem, wie komplex das einfache Datenübertragungsprotokoll, über dass die Antriebssteuerung 30 Daten vom Drehgeber 20 anfordert, aufgebaut ist, kann es notwendig sein, vor der Sicherheitsabfrage P_S zu einem Zeitpunkt t31 eine Vorbereitungsabfrage P_V zur Ermittlung des Istzustandes der digitalen Datenschnittstelle 21 des Positionsmessgerätes 20 durchzuführen und/oder nach der Sicherheitsabfrage P_S zu einem Zeitpunkt t32 mittels einer Nachbereitungsabfrage P_N den ermittelten Istzustand der digitalen Datenschnittstelle 21 des Drehgebers 20 vor der Sicherheitsabfrage wiederherzustellen. Hierzu zwei Beispiele:Depending on how complex the simple data transfer protocol, over that the drive control 30 Data from the encoder 20 request, is constructed, it may be necessary, before the security query P _S at a time t31 preparatory query P _V for determining the actual state of the digital data interface 21 of the position measuring device 20 perform and / or after the security query P _S at a time t32 by means of a post-processing query P _N the determined actual state of the digital data interface 21 of the rotary encoder 20 restore before the security prompt. Here are two examples:

1. Beispiel: erfordert das einfache Datenübertragungsprotokoll, dass dem Drehgeber 20 bei einer Positionsabfrage P_R bereits mitgeteilt wird, welche Daten beim nächsten Zugriff übertragen werden sollen, so geht diese Information bei der Durchführung der Sicherheitsabfrage P_S verloren. Dieses Vorgehen könnte also dazu führen, dass die Antriebssteuerung 30 beim nächsten Zugriff unerwartete Daten erhält und als Fehler interpretiert. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass mittels einer Vorbereitungsabfrage P_V vom Drehgeber 20 abgefragt wird, welche Daten die Antriebssteuerung 20 bei der nächsten Positionsabfrage P_R erwartet und mittels einer Nachbereitungsabfrage P_N im Anschluss an die Sicherheitsabfrage P_S diese Information dem Drehgeber 20 wieder übermittelt wird. Alternativ dazu könnte die Sicherheitsabfrageeinheit 50 die Kommunikation zwischen Antriebssteuerung 30 und Drehgeber 20 über eine Schnittstellenverbindung 47, die mit der Eingangsschnittstelle 42 verbunden ist, mitverfolgen und auf diese Weise den Istzustand der digitalen Datenschnittstelle 21 des Drehgebers 20 ermitteln. In diesem Fall könnte auf die Vorbereitungsabfrage P_V verzichtet werden.Example 1: requires the simple data transfer protocol that the encoder 20 is already informed in a position query P _R , which data should be transmitted at the next access, this information is lost when performing the security query P _S. This procedure could therefore lead to the drive control 30 Receive unexpected data on the next access and interpret it as an error. This problem can be solved by using a preparatory query P _V from the encoder 20 it queries which data the drive control 20 at the next position query P _R expects and by means of a post-processing query P _N following the security query P _S this information the encoder 20 is transmitted again. Alternatively, the security query unit 50 the communication between drive control 30 and encoders 20 via an interface connection 47 connected to the input interface 42 connected, and thus track the actual state of the digital data interface 21 of the rotary encoder 20 determine. In this case, the preparation query P _{V could be} dispensed with.

2. Beispiel: überträgt der Drehgeber 20 bei einer Positionsabfrage P_R zum Positionswert zusätzlich einen Zählerwert, der bei jeder Positionsabfrage P_R hochgezählt wird (bei gleichem Positionswert kann über den sich ändernden Zählerwert erkannt werden, dass das übertragene Datenwort bei jedem Zugriff neu gebildet wird), kann dieser Zählerwert bei einer Sicherheitsabfrage P_S ebenfalls erhöht werden, woraufhin die Antriebssteuerung 30 wie derum einen Fehler erkennt. Um das zu verhindern kann beispielsweise der Zählerstand mit der Vorbereitungsabfrage P_V ausgelesen und in der Nachbereitungsabfrage P_N wieder auf den alten Wert gesetzt werden.2nd example: the encoder transmits 20 in the case of a position query P _R for the position value, additionally a counter value which is incremented for each position query P _R (if the same position value can be used to detect via the changing counter value that the transmitted data word is formed anew each time an access is made), this counter value can be used for a safety inquiry P _{S are} also increased, whereupon the drive control 30 how, in turn, detects an error. In order to prevent this, for example, the counter reading with the preparation query P _{V can be} read out and set to the old value in the postprocessing query P _N.

Je nachdem, wie komplex die Datenübertragungsprotokolle des Drehgebers 20 ausgebildet sind, können Vorbereitungsabfrage P_V, Sicherheitsabfrage P_S und Nachbereitungsabfrage P_N auch in einer einzigen Abfrage zusammengefasst sein.Depending on how complex the data transmission protocols of the encoder 20 are formed, preparation query P _V , security query P _S and post-processing query P _{N can} also be summarized in a single query.

Schließlich schaltet die Umschaltkontrolleinheit 44 den Schnittstellenumschalter 43 nach Beendigung der Sicherheitsabfrage P_S, bzw. der Nachbereitungsabfrage P_N zu einem Zeitpunkt t4 wieder in die erste Betriebsart um, so dass die Ausgangsschnittstelle 41 wieder mit der Eingangsschnittstelle 42 verbunden ist. Die Beendigung der Sicherheitsabfrage P_S, bzw. Nachbereitungsabfrage P_N kann der Umschaltkontrolleinheit 44 beispielsweise von der Sicherheitsabfrageeinheit 50 über die Signalleitung 46 mitgeteilt werden. Alternativ dazu kann die Umschaltkontrolleinheit 44 den Abschluss der Abfragen auch durch mitverfolgen des Datenverkehrs an der Ausgangsschnittstelle 41 eigenständig erkennen. Der Vorgang wiederholt sich zyklisch im Zeitabstand einer Reglerzykluszeit T_R.Finally, the switching control unit switches 44 the interface switch 43 after completion of the security query P _S , or the post-processing query P _N at a time t4 again in the first mode, so that the output interface 41 again with the input interface 42 connected is. The termination of the security query P _S or post-processing query P _N can the switching control unit 44 for example, from the security query unit 50 over the signal line 46 be communicated. Alternatively, the switching control unit 44 the completion of the queries also by tracking the traffic at the output interface 41 Detect independently. The process repeats cyclically in the time interval of a controller cycle time T _R.

Die Zeitpunkte t2 und t4 müssen so gewählt sein, dass die Sicherheitsabfrage P_S und, wenn nötig, die Vorbereitungsabfrage P_V bzw. die Nachbereitungsabfrage P_N zwischen zwei Positionsabfragen P_R abgeschlossen werden können. Im einfachsten Fall wird der Zeitpunkt t2 daher unmittelbar nach Abschluss der Positionsabfrage P_R gesetzt, der Zeitpunkt t4 unmittelbar nach Abschluss der Sicherheitsabfrage P_S, bzw. der optionalen Nachbereitungsabfrage P_N. Weitere Umschaltkriterien, beispielsweise wenn eine bestimmte Zeit zwischen zwei Abfragen vom Drehgeber 20 abgewartet werden muss, können jedoch eine andere Lage der Zeitpunkte t2 und t4 erfordern.The times t2 and t4 must be selected so that the security query P _S and, if necessary, the preparation query P _V or the Nachberei P _N between two position queries P _R can be completed. In the simplest case, the time t2 is therefore set immediately after completion of the position query P _R , the time t4 immediately after completion of the security query P _S , and the optional post-processing query P _N. Further switching criteria, for example when a certain time between two queries from the encoder 20 however, may require a different location of times t2 and t4.

In 3 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren noch einmal in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt.In 3 an inventive method is shown again in the form of a flow chart.

In einem Schritt 100 überprüft die Umschaltkontrolleinheit 44, ob das Umschaltkriterium, z. B. die Beendigung der Positionsabfrage P_R, erreicht ist. Ist das der Fall, schaltet die Umschaltkontrolleinheit 44 in einem Schritt 110 die Ausgangsschnittstelle 41 von der Eingangsschnittstelle 42 zur Sicherheitsabfrageeinheit 50 um. In Schritt 120 erfolgt, wie oben beschrieben, die optionale Vorbereitungsabfrage P_V, gefolgt von der Sicherheitsabfrage P_S in Schritt 130. In einem Schritt 140 schaltet die Sicherheitsabfrageeinheit 50 in Abhängigkeit vom Resultat der Sicherheitsabfrage P_S die erste Abschaltleitung 51 und/oder die Fehlersignalleitung 52. In einem Schritt 150 wird optional eine Nachbereitungsabfrage P_N durchgeführt. Schließlich erfolgt in einem Schritt 160 das Zurückschalten der Ausgangsschnittstelle 41 zur Eingangsschnittstelle 42 und der Ablauf wiederholt sich, beginnend bei Schritt 100.In one step 100 checks the switching control unit 44 whether the switching criterion, eg. B. the completion of the position query P _R , is reached. If this is the case, the switching control unit switches 44 in one step 110 the output interface 41 from the input interface 42 to the security query unit 50 around. In step 120 as described above, the optional preparation inquiry P _{V is performed} , followed by the security inquiry P _S in step 130 , In one step 140 switches the security query unit 50 depending on the result of the security query P _S, the first shutdown line 51 and / or the error signal line 52 , In one step 150 Optionally, a post-processing query P _{N is} performed. Finally, in one step 160 the switching back of the output interface 41 to the input interface 42 and the process repeats, starting at step 100 ,

Die Überwachungsvorrichtung 40 ist mit Vorteil als eigenständiges Gerät ausgeführt, mit dem ein Antriebssystem auch nachträglich ausgerüstet werden kann, indem sie einfach in eine bestehende Schnittstellenverbindung zwischen der Antriebssteuerung 30 und einem Positionsmessgerät 20 geschaltet wird. So kann ein Antriebssystem sehr einfach für sicherheitsgerichtete Anwendungen erweitert werden.The monitoring device 40 is advantageously designed as a stand-alone device, with a drive system can also be retrofitted by simply in an existing interface connection between the drive control 30 and a position measuring device 20 is switched. This makes it very easy to expand a drive system for safety-related applications.

In weiterer Ausgestaltung kann die Überwachungsvorrichtung 40 auch mehrkanalig ausgeführt sein, um beispielsweise mehrere Achsen einer Werkzeugmaschine überwachen zu können. Da ein einziger Fehler in einer der Achsen in den meisten Fällen eine Abschaltung aller Antriebe erfordert, können dabei die Abschaltleitungen 51, 52 mehrerer Sicherheitsabfrageinheiten 50 im einfachsten Fall mittels einer ODER-Verknüpfung zusammengefasst und an die Antriebssteuerung 30 ausgegeben werden.In a further embodiment, the monitoring device 40 be executed multi-channel, for example, to monitor several axes of a machine tool. Since a single fault in one of the axes in most cases requires a shutdown of all drives, while the Abschaltleitungen 51 . 52 several security query units 50 summarized in the simplest case by means of an OR operation and to the drive control 30 be issued.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen für eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung, bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren wird als Positionsmessgerät 20, das in Verbindung mit der Überwachungsvorrichtung 40 eingesetzt ist, ein Drehgeber 20 zur Ermittlung der Drehbewegung einer Welle 11 eingesetzt. Dies stellt selbstverständlich keine Einschränkung dar, als Positionsmessgerät kann ebenso ein lineares Positionsmessgerät einge setzt sein, etwa zur Messung der Vorschubbewegung eines Werkzeugschlittens. Genauso steht die beschriebene Antriebssteuerung 30 stellvertretend für verschiedenste numerische Steuerungen, etwa zur Steuerung einer Werkzeugmaschine, eines Fertigungsroboters oder einer komplexen Produktionsanlage.In the described embodiments for a monitoring device according to the invention, or a method according to the invention is used as a position measuring device 20 that in conjunction with the monitoring device 40 is used, a rotary encoder 20 for determining the rotational movement of a shaft 11 used. This is of course no restriction, as a position measuring device can also be a linear position measuring device is set, such as for measuring the feed movement of a tool carriage. The same applies to the described drive control 30 Representing a variety of numerical controls, such as for controlling a machine tool, a production robot or a complex production plant.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19937737 C2 [0008]

Claims

Monitoring device ( 40 ) for a drive system comprising a digital input interface ( 42 ) for connecting a drive control ( 30 ), a digital output interface ( 41 ) for the connection of a position measuring device ( 20 ), a security query unit ( 50 ), as well as switching means ( 43 . 44 . 45 ), by means of which the output interface ( 41 ) in a first operating mode to the input interface ( 42 ) and in a second mode to the security interrogation unit ( 50 ), the security interrogation unit ( 50 ) is designed such that in the second operating mode via the output interface ( 41 ) safety-related queries from one to the output interface ( 41 ) connected position measuring device ( 20 ) and, according to the result of the safety-related queries, at least one switch-off line ( 51 . 52 ) is switchable.

Monitoring device according to claim 1, wherein the switching means ( 43 . 44 . 45 ) an interface switch ( 43 ), with which the output interface ( 41 ) optionally with the input interface ( 42 ) or with the security query unit ( 50 ) is connectable and a switching control unit ( 44 ) for determining the switching times (t2, t4) and for switching over the interface switch ( 43 ).

Monitoring device according to one of the preceding claims, wherein the switching means ( 43 . 44 . 45 ) an interface termination unit ( 45 ), which in the second mode of operation to the input interface ( 42 ) is switchable.

Monitoring device according to one of the preceding claims, wherein the safety interrogation unit ( 50 ) in the event of a fault by means of a first shut-off line ( 51 ) a disconnect switch ( 60 ) can be switched off.

Monitoring device according to one of the preceding claims, wherein the safety interrogation unit ( 50 ) in the event of a fault by means of a second shut-off line ( 52 ) the error of the drive control ( 30 ) is communicable.

Monitoring device ( 40 ) according to one of the preceding claims, wherein the monitoring device ( 40 ) is executed as a standalone device.

Monitoring device ( 40 ) according to one of the preceding claims, wherein the monitoring device is multi-channeled.

Method for monitoring a drive system, comprising a monitoring device ( 40 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the output interface ( 41 ) a position measuring device ( 20 ) and to the input interface ( 42 ) a drive control ( 30 ), the drive control ( 30 ) an engine ( 10 ) and the position measuring device ( 20 ) one by the control of the engine ( 10 ) measures movement, with the following steps: - performing a position request (P _R ) of the drive control ( 30 ) from the position measuring device ( 20 ), - switching the output interface ( 41 ) from the input interface ( 42 ) to the security query unit ( 50 ), - carrying out a security inquiry (P _S ) of the security inquiry unit ( 50 ) from the position measuring device ( 20 ), - switching at least one switch-off line ( 51 . 52 ) depending on the result of the safety inquiry (P _S ), - switching of the output interface ( 41 ) from the security interrogation unit ( 50 ) to the input interface ( 42 ).

Method according to claim 8, wherein prior to the security inquiry (P _S ) the actual state of the data interface (P _V ) is determined by means of a preparation query (P _V ). 21 ) of the position measuring device ( 20 ) is queried.

Method according to one of claims 8 and 9, wherein after the security query (P _S ) by means of a post-processing query (P _N ) the actual state of the digital data interface ( 21 ) of the position measuring device ( 20 ) is restored before the security prompt (P _S ).

The method of claim 11, wherein the security query (P _S ) a preparation query (P _N ) for detecting the actual state of the digital data interface ( 21 ) of the position measuring device ( 20 ) before the security inquiry (P _S ) and / or a follow-up query (P _N ) in order after the security inquiry (P _S ) the detected actual state of the digital data interface ( 21 ) of the position measuring device ( 20 ) before the security query (P _S ).

Method according to one of claims 8 to 11, wherein in case of failure, a first shutdown line ( 51 ) for interrupting a circuit breaker ( 60 ) and / or a second shut-off line ( 52 ) for signaling the error to the drive control ( 30 ), is activated.

Drive system comprising a monitoring device ( 40 ) according to one of claims 1 to 7, and a motor ( 10 ), a position measuring device ( 20 ) for measuring one of the engine ( 10 ) caused movement and a drive control ( 30 ), where - the engine ( 10 ) for control via Ansteuerlei tions ( 32 ) with the drive control ( 30 ), - a digital data interface 31 the drive control ( 30 ) with the input interface ( 42 ) of the monitoring device ( 40 ) and - a digital data interface ( 21 ) of the position measuring device ( 20 ) with the output interface ( 42 ) of the monitoring device ( 40 ) connected is.