-
Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung mit einer Messeinheit zur
Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe und mit
einem an die Messeinheit angeschlossenen digitalen Datenkanal. Die
Messeinheit hat Sensormittel zur Erfassung mindestens zweier analoger
Messsignale für
die zu erfassende physikalische oder chemische Größe, eine an
die Sensormittel angeschlossene Auswerteeinheit zur Auswertung der
analogen Messsignale und zur Ermittlung mindestens eines digitalen
Messsignals, eine an die Sensormittel angeschlossene Überwachungseinheit
zur Ermittlung mindestens eines digitalen Kontrollsignals sowie
eine zwischen die Auswerteeinheit und die Überwachungseinheit einerseits und
den Datenkanal andererseits zwischengeschaltete Kommunikationseinheit
zur Einspeisung des digitalen Messsignals und des digitalen Kontrollsignals in
den Datenkanal.
-
Eine
derartige Messanordnung ist beispielsweise aus der
DE 100 50 392 A1 bekannt.
Bei dieser Messanordnung wird als Betriebsgröße eine Position eines beweglichen
Teils einer Bearbeitungsmaschine erfasst. Die aktuelle Position
des beispielsweise als linear- oder drehbeweglicher Läufer ausgeführten Teils
wird in einer Steuereinheit zur Steuerung der Bearbeitungsmaschine
benötigt.
Neben dem ausgewerteten und aufbereiteten digitalen Messsignal,
das für
die Steuereinheit der Bearbeitungsmaschine bestimmt ist, werden
bei der Messanordnung gemäß der
DE 100 50 392 A1 auch
zwei analoge Messsignale digitalisiert und als momentane Amplitudenwerte über den
Datenkanal übertragen.
Letztere werden in einer ebenfalls an den Datenkanal angeschlossenen
Diagnoseeinheit dazu verwendet, die Funktionsfähigkeit der Messeinheit zu überprüfen. Dies
ist aufwändig.
-
In
der
DE 102 44 583
A1 wird eine weitere Messanordnung mit einer Messeinheit
mit angeschlossenem digitalen Datenkanal beschrieben, wobei diese
Messeinheit Sensormittel zur Erfassung mindestens zweier analoger
Messsignale für
die zu erfassende Größe, eine
an die Sensormittel angeschlossene Auswerteeinheit zur Ermittlung
eines digitalen Messsignals, eine an die Sensormittel angeschlossene Überwachungseinheit
zur Ermittlung eines digitalen Kontrollsignals, und eine zwischen
die Auswerteeinheit und die überwachungseinheit
einerseits und den Datenkanal andererseits zwischengeschaltete Kommunikationseinheit
zur Einspeisung der Signale in den Datenkanal umfasst. Die überwachungseinheit
ist zur Signalpegelüberwachung
ausgelegt.
-
In
der
DE 33 23 281 A1 ist
eine demgegenüber
andere vergleichbare Überwachungseinrichtung
beschrieben, bei der ein Kontrollsignal in Abhängigkeit einer Kombination
zweier Messsignale ermittelt wird.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Messanordnung
der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine Funktionsüberwachung der
Messeinheit mit geringem Aufwand ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Messanordnung ist die Überwachungseinheit
dazu ausgelegt, das mindestens eine digitale Kontrollsignal als
Kombinationssignal aus den beiden analogen Messsignalen zu ermitteln.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Messanordnung findet
also bereits in der Messeinheit eine Vorverarbeitung der insbesondere
zur Funktionsüberprüfung verwendeten
analogen Messsignale statt. Die Messeinheit verfügt zur Ermittlung des digitalen
Messsignals ohnehin über
eine gewisse Auswerte- bzw. Verarbeitungskapazität, die somit insbesondere auch
für die
Ermittlung des Kombinationssignals aus den beiden analogen Messsignalen
verwendet werden kann. Dies ist besonders effizient und erlaubt
eine Reduzierung der ansonsten an anderer Stelle, beispielsweise
in einer an den Datenkanal angeschlossenen Diagnoseeinheit, vorzusehenden
Verarbeitungskapazitäten.
Außerdem
führt die Übertragung des/der
Kombinationssignals/e anstelle der Übertragung der analogen Messsignale
zu einem reduzierten Datenaufkommen auf dem Datenkanal. Die interessierende
Funktionsfähigkeit
der Messeinheit lässt sich
auch anhand des/der Kombinationssignals/e ohne weiteres ermitteln.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messanordnung ergeben sich
aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
-
Günstig ist
eine Variante, bei der die Überwachungseinheit
dazu ausgelegt ist, zwei digitale Kontrollsignale zu ermitteln,
von denen das erste gleich einer Summe der beiden digitalisierten
analogen Messsignale und das zweite gleich einer Differenz der beiden
digitalisierten analogen Messsignale ist. Wenn die Sensormittel
insbesondere als optischer sin/cos-Geber mit zwei paarweise exakt
um 90° phasenversetzten
in etwa sinusförmigen
analogen Ausgangssignalen ausgebildet sind, lassen sich Phasenversatzfehler
zwischen den beiden analogen Ausgangssignalen mittels der Auswertung
der Summe und der Differenz der beiden analogen Ausgangssignale
anstelle einer Auswertung der analogen Ausgangssignale beheben.
Diese Summe und diese Differenz haben stets den gewünschten
90°-Phasenversatz.
-
Weiterhin
kann die Überwachungseinheit vorzugsweise
dazu ausgelegt sein, das digitale Kontrollsignal als Quadratwurzel
der Summe der quadrierten digitalisierten analogen Messsignale zu
ermitteln. Wenn die Sensormittel wiederum insbesondere zwei um 90° phasenversetzte
sinusförmige
analoge Ausgangssignale liefern, kann die Funktionsfähigkeit
anhand des genannten Quadratwurzelausdrucks besonders einfach überprüft werden.
Wegen der Beziehung sin2 x + cos2 x = 1, ist der in der Messeinheit ermittelte
und als Kontrollsignal über
den Datenkanal übertragene
Quadratwurzelausdruck lediglich auf Übereinstimmung mit einem konstanten
Sollwert zu überprüfen, um
eine Aussage über
die Funktionstüchtigkeit
der Messeinheit machen zu können.
-
Gemäß einer
anderen vorteilhaften Variante ist die Überwachungseinheit dazu ausgelegt,
ein erstes digitales Kontrollsignal als Quadratwurzel der Summe
der quadrierten digitalisierten analogen Messsignale und ein zweites
digitales Kontrollsignal als eines der beiden digitalisierten analogen
Messsignale oder als Summe oder Differenz der beiden digitalisierten
analogen Messsignale zu ermitteln. Wie vorstehend beschrieben, ist
der Quadratwurzelausdruck bei um 90° phasenversetzten sinusförmigen analogen
Ausgangssignalen insbesondere konstant. Anhand der beiden über den
Datenkanal übertragenen
Kontrollsignale kann dann sowohl die Übereinstimmung des Quadratwurzelausdrucks
mit einem konstanten Sollwert überprüft als auch
bei Bedarf eine Rekonstruktion der ursächlichen analogen Messsignale
vorgenommen werden.
-
Vorzugsweise
ist außerdem
mindestens eine weitere an den digitalen Datenkanal angeschlossene Einheit
vorgesehen, die zu einem Empfang des digitalen Messsignals und des
digitalen Kontrollsignals und zu einer Konsistenzüberprüfung des
empfangenen digitalen Messsignals und des empfangenen digitalen
Kontrollsignals ausgelegt ist. Anhand dieses Quervergleichs kann
in der betreffenden Einheit eine besonders gründliche Überprüfung der Funktionsfähigkeit
der Messeinheit durchgeführt
werden. Neben der Überprüfung der
Messwerterfassung lässt
sich so auch bestimmen, ob die Auswertung der erfassten analogen
Messsignale in der Messeinheit korrekt erfolgt ist. Es können also
die Sensormittel und die Auswerteeinheit überwacht werden.
-
Günstig ist
außerdem
eine Variante, bei der die Auswerteeinheit zur Ermittlung eines
zweiten ebenfalls auf dem Datenkanal zu übertragenden digitalen Messsignals
ausgelegt ist. Bei dem zweiten digitalen Messsignal kann es sich
beispielsweise um einen groben Messwert handeln, der insbesondere einfacher
und mit geringerem Aufwand als das erste digitale Messsignal ermittelt
wird. Das zweite digitale Messsignal ist z. B. der jeweilige Stand
eines Groblagezählers.
Anhand des zweiten digitalen Messsignals kann die Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
der Messeinheit weiter verfeinert werden. Falls signifikante Abweichungen
zwischen beiden digitalen Messsignalen auftreten sollten, lässt sich
daraus beispielsweise schlussfolgern, dass die verfeinerte Auswertung
für das
erste digitale Messsignal fehlerbehaftet ist.
-
Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die Kommunikationseinheit
dazu ausgelegt, das mindestens eine digitale Messsignal mit einer
höheren
Rate in den Datenkanal einzuspeisen als das mindestens eine digitale
Kontrollsignal und insbesondere einen zu übertragenden Wert des mindestens
einen digitalen Kontrollsignals in mehrere Teildatenpakete aufzuteilen
und jeweils eines der Teildatenpakete zusammen mit einem von mehreren sukzessive
aufeinander folgenden zu übertragenden Werten
des mindestens einen digitalen Messsignals in den Datenkanal einzuspeisen.
Dadurch wird für
die Übertragung
des digitalen Kontrollsignals eine geringere Übertragungskapazität auf dem
Datenkanal benötigt.
-
Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung.
-
Die
einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung 1 mit einer an einen digitalen Datenkanal 2 angeschlossenen
Messeinheit 3 und mit redundanter Messdatenübertragung über den
Datenkanal 2. Die Messanordnung 1 dient zur Erfassung
einer Position eines beweglichen Teils 4 einer nicht näher dargestellten
Maschine. Bei der Maschine kann es sich insbesondere um eine Bearbeitungsmaschine,
wie z. B. um eine Werkzeugmaschine oder um einen weitgehend beliebig
ausgestalteten Fertigungsroboter, handeln. Es kann sich aber auch
nur um einen Teil einer übergeordneten
Einheit, wie z. B. um deren elektrischen Antrieb, handeln. Grundsätzlich kann
anstelle der Position des beweglichen Teils 4 auch eine
andere physikalische oder chemische Betriebsgröße der Maschine erfasst werden.
Das Teil 4 ist wie durch den Doppelpfeil in der Figur angedeutet
linear beweglich. Jede andere Bewegungsart, wie z. B. eine Rotationsbewegung,
ist aber grundsätzlich
ebenfalls möglich.
-
Die
Messanordnung 1 umfasst neben der Messeinheit 3 und
dem bidirektionalen digitalen Datenkanal 2 als weitere
Komponente eine Steuereinheit 5 und ggf. eine Diagnoseeinheit 6,
die ebenso wie die Messeinheit 3 an den Datenkanal 2 angeschlossen
sind. Die Messeinheit 3, die Steuereinheit 5 und
ggf. auch die Diagnoseeinheit 6 können über den Datenkanal 2 miteinander
kommunizieren. Der Datenkanal 2 ist beispielsweise als
Datenbus ausgeführt.
Er kann außerdem
leitungsgebunden oder drahtlos ausgestaltet sein. Die Diagnoseeinheit 6 kann
als gesonderte Einheit an den Datenkanal 2 angeschlossen
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann auch eine Diagnoseuntereinheit 7 als Teil der Steuereinheit 5 vorgesehen
sein.
-
Beide
Varianten sind in der Figur in gestrichelter Linienführung eingetragen.
-
Die
Messeinheit 3 enthält
als Sensormittel eine Abtasteinheit 8, die im Ausführungsbeispiel
als mindestens zweikanaliger optischer sin/cos-Geber ausgeführt ist.
Alternativ sind aber auch magnetische, kapazitive oder induktive
Abtasteinheiten möglich.
Die Abtasteinheit 8 umfasst zwei optische Abtastköpfe 9 und 10,
die eine an dem beweglichen Teil 4 der Bearbeitungsmaschine
angebrachte Spur 11 abtasten. Die Spur 11 ist
in Gestalt einer periodischen Messteilung ausgestaltet. Optional
können auch
weitere Spuren vorgesehen sein, die ebenfalls in Gestalt periodischer
Messteilungen, allerdings mit anderen Messteilungen als die Spur 11,
ausgestaltet sind. Es kann auch eine Spur mit einem nicht-periodischen
Strichcode (= Pseudo-Random-Strichcode) vorgesehen sein. Auch den
weiteren Spuren ist dann jeweils mindestens ein gesonderter Abtastkopf
zugeordnet.
-
Die
Ausgänge
der optischen Abtastköpfe 9 und 10 sind
an eine Auswerteeinheit 12 sowie an eine Überwachungseinheit 13 angeschlossen,
die ihrerseits jeweils mit einer als Sende-/Empfangsmodul ausgeführten Kommunikationseinheit 14 in
Verbindung stehen. Die Kommunikationseinheit 14 ist die Kommunikationsschnittstelle
zum Anschluss der Messeinheit 3 an den Datenkanal 2.
-
Im
Folgenden werden die Funktionsweise und besondere Vorteile der Messanordnung 1 näher beschrieben.
-
Die
beiden Abtastköpfe 9 und 10 erzeugen optische
Abtastsignale, die in Richtung der Spur 11 ausgesendet
werden. Nach einer Reflektion an oder Durchleuchtung der Spur 11 werden
die Abtastsignale von den Abtastköpfe 9 und 10 detektiert
und in analoge Messsignale A1 bzw. A2 umgewandelt. Gemäß der üblichen
Funktionsweise der als optischer sin/cos-Geber ausgeführten Abtasteinheit 8 handelt es
sich bei den analogen Messsignalen A1 und A2 um jeweils sinusförmige Signale,
die gegeneinander um 90° phasenversetzt
sind.
-
Die
analogen Messsignale A1 und A2 werden der Auswerteeinheit 12 zugeführt, die
eine Digitalisierung vornimmt und außerdem ein genaues digitales
Messsignal M1 ermittelt, das eine Messinformation über die
aktuelle Position der Spur 11 und damit des beweglichen
Teils 4 der Bearbeitungsmaschine enthält. Das digitale Messsignal
M1 wird über
die Kommunikationseinheit 14 in den Datenkanal 2 eingespeist
und dort zu der Steuereinheit 3 übertragen.
-
Daneben
erzeugt die Auswerteeinheit 12 optional ein zweites digitales
Messsignal M2, das gegenüber
dem ersten Messsignal M1 eine ungenauere Positionsinformation bezüglich der
Spur 11 umfasst. Es enthält eine Angabe über die
Groblage der Spur 11 und ist mit geringerem Auswerteaufwand
ermittelt als das erste Messsignal M1. Auch das optionale zweite
Messsignal M2 mit der Groblageninformation wird über den Datenkanal 2 übertragen.
-
Vorzugsweise
gibt das zweite Messsignal M2 in diesem Fall an, um wie viele Perioden
ihrer Messteilung sich die Spur 11 relativ zur Abtasteinheit 8 bewegt
hat, wobei diese Angabe aus der Auswertung der Nulldurchgänge der
beiden um 90° phasenversetzten
insbesondere sinusförmigen
analogen Messsignale A1 und A2 ermittelt wird. Dementsprechend hat
das zweite Messsignal M2 eine Auflösung von bis zu einem Viertel
der Messteilungsperiode (= Groblagenzähler). Dagegen gibt das erste
Messsignal M1 vorzugsweise lediglich die Position innerhalb einer
solchen Messteilungsperiode allerdings mit einer deutlich höheren Auflösung an.
-
Die
analogen Messsignale A1 und A2 werden außerdem auch als Testsignale
in die Überwachungseinheit 13 eingespeist.
Dort erfolgt eine Digitalisierung der jeweiligen Momentanwerte beider analogen
Messsignale A1 und A2. Ggf. kann dabei auch auf die in der Auswerteeinheit 12 durchgeführte Digitalisie rung
zurückgegriffen
werden. Die nachfolgende Weiterverarbeitung unterscheidet sich allerdings
von der zur Ermittlung der digitalen Messsignale M1 und M2. Aus
den digitalisierten Momentanwerten der analogen Messsignale A1 und
A2 werden Kontrollsignale K1, K2, K3 und/oder K4 erzeugt, die ebenfalls über die
Kommunikationseinheit 14 in den Datenkanal 2 eingespeist
werden.
-
Da
sowohl die Messsignale M1 und M2 einerseits als auch die Kontrollsignale
K1 bis K4 andererseits über
den Datenkanal 2 übertragen
werden und die jeweiligen Signale zumindest teilweise identische
Informationen enthalten, liegt im Umfang der identischen Informationen
eine redundante Datenübertragung
vor.
-
Die
Kontrollsignale K1 bis K4 werden im Wesentlichen anhand einer Kombination
der analogen Messsignale A1 und A2 ermittelt. Es handelt sich also um
Kombinationssignale. Sie dienen zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit
der Messeinheit 3. Diese Überprüfung erfolgt insbesondere in
einer an den Datenkanal 2 angeschlossenen weiteren Einheit,
wie der Diagnoseeinheit 6, der Diagnoseuntereinheit 7 und/oder
der Steuereinheit 5. Stellt sich bei dieser anhand der
Kontrollsignale K1 bis K4 durchgeführten Überprüfung heraus, dass ein Fehler
oder eine Unregelmäßigkeit
in der Messeinheit 3 aufgetreten ist, wird zumindest eine
Fehlermeldung generiert und bei Bedarf die für den erkannten Fehlerfall
jeweils vorgesehene Folgemaßnahme
eingeleitet.
-
Je
nach Ausgestaltung werden nicht alle Kontrollsignale K1 bis K4 erzeugt
und über
den Datenkanal 2 übertragen.
Es gibt verschiedene Varianten.
-
Bei
einer ersten Variante werden die Kontrollsignale K1 und K2 gemäß K1 = A1 + A2 (1) K2 = A1 – A2 (2)ermittelt
und in den Datenkanal 2 eingespeist. Die so ermittelten
Kontrollsignale K1 und K2 haben stets einen Phasenversatz von 90°, so dass
die Fehlerüberprüfung der
Messeinheit 3 besser erfolgen kann.
-
Bei
einer zweiten Variante wird nur das Kontrollsignal K3 K3 = (A12 + A22)½ (3)ermittelt
und in den Datenkanal 2 eingespeist. Aufgrund der Beziehung
sin2 x + cos2 x
= 1 ist das so ermittelte Kontrollsignal K3 im fehlerfreien Fall
stets konstant. Zur Überprüfung der
Funktionstüchtigkeit der
Messeinheit 3 ist also das übertragene Kontrollsignale
K3 in der jeweils maßgeblichen
Einheit 5, 6 oder 7 lediglich auf Konstanz
zu überprüfen. Dies
ist mit sehr geringem Aufwand möglich.
-
Bei
einer dritten Variante werden die Kontrollsignale K3 und K4 in den
Datenkanal 2 eingespeist, wobei das Kontrollsignal K4 gleich
einem der beiden analogen Messsignale A1 und A2 oder einem der beiden
Kontrollsignale K1 und K2 ist. Anhand der Kontrollsignale K3 und
K4 kann neben der Konstanzprüfung
des Ausdrucks (A12 + A22)½,
falls erforderlich, in der jeweils maßgeblichen Einheit 5, 6 oder 7 auch
eine Rekonstruktion der analogen Messsignale A1 und A2 erfolgen,
womit eine eingehendere Auswertung möglich ist.
-
Zur Überprüfung der
Funktionstüchtigkeit
der Messeinheit 3 in der jeweils maßgeblichen Einheit 5, 6 oder 7 kann
außer
den Kontrollsignalen K1 bis K4 auch zumindest eines der digitalen
Messsignale M1 und M2 herangezogen werden. So lässt sich eine Konsistenzüberprüfung durchführen. Die Überprüfung der
Messeinheit 3 wird dadurch verbessert. Es lässt sich
insbesondere auch die korrekte Arbeitsweise der Auswerteeinheit 12 überprüfen.
-
Bei
den beschriebenen drei Varianten kann jeweils mit jeder Übertragung
eines Wertes eines oder beider der digitalen Messsignale M1 und
M2 auch ein kompletter Satz an aktuellen Werten der jeweils maßgeblichen
Kontrollsignale K1 bis K4 mit über
den Datenkanal 2 übertragen
werden. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Ebenso kann die Übertragung
der Werte der jeweils maßgeblichen Kontrollsignale
K1 bis K4 aber auch seltener erfolgen, beispielsweise bei nur jeder
n-ten Übertragung eines
Wertes eines oder beider der digitalen Messsignale M1 und M2, oder
auf n Übertragungen
von Werten eines oder beider der digitalen Messsignale M1 und M2
aufgeteilt werden. Mit dem Parameter n ist hierbei eine natürliche Zahl
bezeichnet. Damit brauchen die Kontrollsignale K1 bis K4 auch nur
seltener ermittelt zu werden. Dies spart Berechnungskapazität in der
Messeinheit 3 ein. Gleiches gilt für die Übertragungskapazität auf dem
Datenkanal 2.
-
Die Übermittlung
der Kontrollsignale K1 bis K4 ist besonders effizient, da die für die Überprüfung der
Funktionstüchtigkeit
der Messeinheit 3 jeweils zuständigen Einheit 5, 6 oder 7 entlastet
wird. Außerdem
lässt sich
so das Datenaufkommen auf dem Datenkanal 2 reduzieren.
Insgesamt stehen also für
die eigentlichen Mess- und Steuerungsaufgaben bei gleicher Sicherheit
mehr Ressourcen zur Verfügung.
-
Die
Messanordnung 1 zeichnet sich durch eine sehr hohe Zuverlässigkeit
aus. Dies wird insbesondere durch die auf dem Datenkanal 2 übermittelten
Kontrollsignale K1 bis K4 erreicht. So können in der Messeinheit 3 auftretende
Fehler sicher und schnell erkannt werden. Auch bei besonders sicherheitsrelevanten
Anwendungen ist es somit nicht erforderlich, eine redundante Messwerterfassung
mit zwei parallel betriebenen Messeinheiten 3 vorzusehen.