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Die Erfindung betrifft eine Hauptprozessoreinheit für ein speicherprogrammierbares Steuerungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der technischen Fachwelt ist von der Firma Siemens AG ein elektronisches speicherprogrammierbares Steuerungssystem mit dem Namen SIMATIC bekannt, zu dem im elektronischen Nachschlagewerk Wikipedia unter der URL: http://de.wikipedia.org/wiki/SIMATIC eine kurze Beschreibung veröffentlicht ist.
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Ein solches elektronisches speicherprogrammierbares Steuerungssystem besteht aus einer Hauptprozessoreinheit mit zusätzlich wenigstens einer einzigen Peripherieeinheit und einem die Hauptprozessoreinheit und die wenigstens eine einzige Peripherieeinheit für einen datentechnischen Kommunikationsaustausch untereinander und ein Steuern der wenigstens einen einzigen Peripherieeinheit durch die Hauptprozessoreinheit miteinander verbindenden Bussystem. Die wenigstens eine einzige Peripherieeinheit ist über das Bussystem an eine interne Stromversorgung angeschlossen. Die Hauptprozessoreinheit weist eine Speicherprogrammierung und ein Ablaufsystem für ein prozessorgesteuertes Ablaufen dieser Speicherprogrammierung auf.
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Die Peripherieeinheiten sind als sogenannte Aktoren oder Sensoren ausgebildet.
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Sensoren nehmen Messgrößen auf und teilen diese der Hauptprozessoreinheit in datentechnischer Verarbeitungsweise über das angeschlossene Bussystem mit.
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Aktoren sind Stellglieder, die in Abhängigkeit von den von der Hauptprozessoreinheit datentechnisch gelieferten Informationen zugeordnete Stellmittel entsprechend stellen.
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Die den Aktoren datentechnisch gelieferten Informationen werden von der Hauptprozessoreinheit wiederum in Abhängigkeit von den von den Sensoren datentechnisch gelieferten Informationen erzeugt.
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Die Aktoren und Sensoren weisen häufig einen hohen Stromverbrauch auf. Vielfach müssen Aktoren und Sensoren zu einem aktuellen Zeitpunkt nicht aktiv sein. Derzeit ist aber entweder nur ein komplettes Abschalten sämtlicher Aktoren oder Sensoren einer Station über ein Abschalten der über das Bussystem zur Verfügung gestellten Stromversorgung möglich. Alternativ werden die Sensoren oder Aktoren an der Stromversorgung des Bussystems angeschaltet gelassen. Ein hoher Stromverbrauch ist dann die Folge.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ausgehend von einem speicherprogrammierbaren Steuerungssystem der eingangs genannten Art, technische Mittel anzugeben, die dazu beitragen, den Energieverbrauch des speicherprogrammierbaren Steuerungssystems zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hauptprozessoreinheit des speicherprogrammierbaren Steuerungssystems, die das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal aufweist.
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Danach weist die Hauptprozessoreinheit eine solcher Art realisierte Schnittstelle zum Bussystem und über das Bussystem zu den Peripherieeinheiten auf, dass der Hauptprozessoreinheit aus der Speicherprogrammierung heraus über das Bussystem für jede Peripherieeinheit ein Ereignis gesteuertes selektives oder gemeinsames Ein- oder Ausschalten zumindest der über das Bussystem der jeweiligen Peripherieeinheit zur Verfügung gestellten Stromversorgung ermöglicht ist.
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Damit ist jetzt ein definiertes Zu- oder Abschalten von den einzelnen Peripherieeinheiten zugrunde liegenden Teilprozessen in einer von einem Anwender hinterlegten Reihenfolge möglich. Zur Verfügung stehende Resourcen sind damit optimal nutzbar, ohne dabei einen zugrunde liegenden Gesamtprozess zu beeinträchtigen. Weiter kann auf zu erwartende Lastspitzen innerhalb eines Gesamtprozesses adäquat durch Abschneiden dieser Lastspitzen reagiert werden. Durch eine vorausschauende Laststeuerung kann auf diese Weise ein Gesamtprozess länger am Arbeiten gehalten werden, wodurch sich die Gesamteffektivität des Gesamtprozesses erhöht. Gleichzeitig wird der Energieverbrauch des Gesamtprozesses minimiert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Danach weist die Hauptprozessoreinheit eine solcher Art realisierte Schnittstelle zum Bussystem (BS) und über das Bussystem (BS) zu den Peripherieeinheiten auf, dass der Hauptprozessoreinheit aus der Speicherprogrammierung heraus über das Bussystem für jede Peripherieeinheit ein Ereignis gesteuertes selektives oder gemeinschaftliches Ein- oder Ausschalten einer einer Peripherieeinheit zusätzlich zugeordneten externen Stromversorgung ermöglicht ist.
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Damit sind besonders effektive Laststeuerungen möglich, weil auch Prozesse mit hohem Energieverbrauch selektiv aus der Speicherprogrammierung heraus ein- oder ausgeschaltet werden können.
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Ist die Schnittstelle in einer solchen Art realisiert, dass das Ein- oder Ausschalten von Stromversorgungen von Peripherieeinheiten entweder direkt durch die Hauptprozessoreinheit oder indirekt durch eine Kommunikationsübertragung von der Hauptprozessoreinheit an eine Peripherieeinheit mit der Folge des Ein- oder Ausschaltens der Stromversorgung durch die Peripherieeinheit gesteuert ist, können damit wahlweise zentrale oder dezentrale speicherprogrammierbare Steuerungssysteme aufgebaut werden mit der erfindungsgemäßen Laststeuerung.
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Mit der erfindungsgemäßen Hauptprozessoreinheit lassen sich sowohl zentrale als auch dezentrale speicherprogrammierbare Steuerungssysteme realisieren. Dazu ist die Schnittstelle der erfindungsgemäßen Hauptprozessoreinheit mit dem Bussystem verbunden, wobei das Bussystem mit den Peripherieeinheiten verbunden ist, die der Hauptprozessoreinheit entweder zentral oder dezentral zugeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Hauptprozessoreinheit lässt sich problemlos mit zum Beispiel einem Feldbus als Bussystem kombinieren, um auf diese Weise ein dezentrales speicherprogrammierbares Steuerungssystem zum realisieren.
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Dabei lassen sich auch Bussysteme verwenden, die bereits bekannt sind. Der Profibus oder der Bus Profinet sind Beispiele solcher Bustypen.
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Mit der erfindungsgemäßen Hauptprozessoreinheit können verbundene Peripherieeinheiten selektiv oder gemeinschaftlich abgeschaltet werden. Durch die Möglichkeit der selektiven Abschaltung von Peripherieeinheiten können beispielsweise aktuell inaktive Prozesse abgeschaltet werden, ohne deren Kommunikationsteil mit abzuschalten. Die Kommunikation kann aufrechterhalten werden, um dadurch feststellen zu können, ob ein Wiederanschalten eines abgeschalteten Prozesses geboten ist. Dabei ist es unerheblich, ob die betreffenden Peripherieeinheiten zentral, beispielsweise im sogenannten Rack der Hauptprozessoreinheit, oder dezentral über einen Feldbus an die Schnittstelle der Hauptprozessoreinheit angeschlossen sind.
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Vorausgesetzt ist, dass in den Peripherieeinheiten und auf dem Bussystem entsprechende Vorkehrungen getroffen sind, damit die erfindungsgemäße Hauptprozessoreinheit die gewünschten Funktionen anwählen kann.
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In den Peripherieeinheiten sind Schalter zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, die Peripherieeinheit von einer betreffenden Stromversorgung zu trennen. Dabei kann es sich nur um die Stromversorgung handeln, die über das Bussystem zur Verfügung gestellt wird. Es kann sich aber auch um eine Stromversorgung handeln, die von extern der Peripherieeinheit zur Verfügung gestellt wird.
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Die Schalter können elektronisch oder konventionell, beispielsweise in Form eines Relais, ausgeführt sein.
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Das Bussystem muss eine oder mehrere Leitungen zur Verfügung stellen, die es erlauben, der Hauptprozessoreinheit einen Befehl an die betreffende Peripherieeinheit zu senden, damit zum Beispiel diese den Schalter öffnet und sich so von der Stromversorgung trennt.
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Die Befehle können dabei über ein Kommunikationsprotokoll kommen. In diesem Fall wäre eine einzige Leitung ausreichend. Insbesondere für ein selektives Abschalten von Peripherieeinheiten kann es aber sinnvoll sein, jeder Peripherieeinheit eine eigene Leitung zuzuordnen.
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In der Hauptprozessoreinheit muss es eine Anwenderschnittstelle geben, auf die der Anwender über die Speicherprogrammierung zugreifen kann und die es ihm erlaubt, komplett oder selektiv ausgewählte Peripherieeinheiten abzuschalten. Diese Anwenderschnittstelle ist nachfolgend näher beschrieben. Wichtig dabei ist, dass die Hauptprozessoreinheit selbst stets aktiv bleibt, um alle notwendigen Kommunikationsverbindungen aufrechtzuerhalten. Es wird somit das speicherprogrammierte Anwenderprogramm stets weiter bearbeitet, damit es einerseits möglich ist, die Peripherie, beispielsweise über ein spezielles Kommando, wieder zu aktivieren, und damit es andererseits möglich ist, nach erfolgter Aktivierung der Peripherie die Programmbearbeitung ohne weitere Verzögerung wieder aufzunehmen.
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Soweit allgemein von einer Peripherie gesprochen wird, sind damit gegebenenfalls einzelne ausgewählte oder alle von einer Hauptprozessoreinheit gesteuerte Peripherieeinheiten gemeint.
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Soweit die vorgenannten Aktionen automatisch gesteuert durch den Ablauf der Speicherprogrammierung und nicht manuell durch einen externen Anwender erfolgen, kann die ablaufende Speicherprogrammierung quasi auch als ein Anwender des speicherprogrammierbaren Steuerungssystem angesehen werden, so dass die für den externen Anwender bestehenden Notwendigkeiten gleichzeitig auch für die ablaufende Speicherprogrammierung gelten.
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Die Anwenderschnittstelle soll unabhängig davon sein, ob die Peripherie zentral oder dezentral gesteckt ist. Der Anwender muss die Möglichkeit haben, Ereignis gesteuert die Peripherieeinheiten abzuschalten. Er kann dabei wählen, ob er entweder alle Peripherieeinheiten einer Station abschaltet oder aber selektiv nur ausgewählte Peripheriebaugruppen.
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In fördertechnischen Anwendungen beispielsweise ist zwingend erforderlich, dass für Eingaben vorgesehene Peripherieeinheiten auch im Ruhezustand weiterhin eingelesen werden kann. Nur so ist es möglich, manuelle Eingriffe durch das Bedienpersonal, wie zum Beispiel das Einfügen oder Entfernen einzelner Gehänge bei Elektrohängebahnen, zu erkennen. Die für Ausgaben vorgesehenen Peripherieeinheiten hingegen können problemlos abgeschaltet werden.
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Des Weiteren muss der Anwender die Möglichkeit haben, die Peripherie zu einem späteren Zeitpunkt auch wieder zu aktivieren. Ebenso muss er über eventuell auftretende Fehler informiert werden.
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Beispielsweise kann die Realisierung der Anwenderschnittstelle in Form einer System Funktion (SFC: Sequential Function Chart) innerhalb des speicherprogrammierbaren Steuerungssystems erfolgen.
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Beispiel 1 – Allgemeines Abschalten
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In diesem Beispiel können alle in einer Station unabhängig davon, ob die einzelnen Peripherieeinheiten zentral oder dezentral gesteckte sind, auf einmal aktiviert oder deaktiviert werden.
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Wird dem BOOLSCHEN Eingangsparameter „Activate” eine logische Null übergeben, so werden alle Peripherieeinheiten in den sogenannten Sleep Mode versetzt, das heißt, sie melden sich vom Bussystem ab und benötigen keine Energie mehr. Beim Schreiben einer logischen Eins auf diesen Parameter werden sie wieder aktiviert. Eventuell auftretende Fehler werden dem Anwender über den Ausgangsparameter RET_VAL zur Verfügung gestellt. In dem vorliegenden Beispiel ist der Parameter als BYTE definiert.
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Beispiel 2 – Selektives Abschalten
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Beim selektiven Abschalten einzelner Peripherieeinheiten werden zusätzliche Informationen wie zum Beispiel eine Rack-Nummer und eine Steckplatz-Nummer, auch Slot-Nummer genannt, benötigt.
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Eine SFC könnte dann beispielsweise wie folgt aussehen:
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Alternativ kann die Adressierung auch über eine verwendete Diagnoseadresse oder direkt über die logische Adresse der Peripherieeinheit erfolgen.
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Durch die Möglichkeit der selektiven Abschaltung von Peripherieeinheiten kann bezüglich eines vorliegenden Gesamtsystems Energie eingespart werden. Es kann zum Beispiel in relativ kurzen Betriebspausen bezüglich einer betreffenden Peripherieeinheit die Peripherieeinheit ausgeschaltet werden. Dies kann beispielsweise automatisch erfolgen, und zwar gesteuert zum Beispiel von einem übergeordneten Leitsystem. Dabei kann die Peripherieeinheit in einen sogenannten Standby Modus versetzt werden, aus dem sie schnell wieder in Betrieb gebracht werden kann.
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Je nach Peripherieeinheit kann die Energieeinsparung beispielsweise zwischen 4 und 6 Watt liegen. Pro Peripherieeinheit kann die Energieeinsparung verhältnismäßig gering sein. Innerhalb eines gesamten Steuerungssystems kommen aber üblicherweise mehrere hundert oder gar mehrere tausend Peripherieeinheiten zum Einsatz, so dass sich die gesamte Energieeinsparung zu einem erheblichen Wert aufsummiert. Da durch die automatische Ab- und Zuschaltung auch kleine Betriebspausen zur Energieeinsparung genutzt werden können, ist die Energieeinsparung pro Jahr recht erheblich.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes speicherprogrammierbares Steuerungssystem SPS in einer prinzipiellen Darstellung zu sehen.
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Das speicherprogrammierbare Steuerungssystem SPS umfasst eine Hauptprozessoreinheit CPU, der eine Schnittstelle in Form eines Interface-Moduls IM zugeordnet ist, mit dem die Hauptprozessoreinheit CPU mit technischen Mitteln für eine datentechnische Kommunikation verbunden ist.
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Die Hauptprozessoreinheit CPU und das zugeordnete Interface-Modul IM sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel über ein Bussystem BS miteinander verbunden, so dass im vorliegenden Fall das Bussystem BS als die technischen Mittel für die besagte datentechnische Arbeitsweise untereinander anzusehen ist.
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Möglich ist aber auch, dass das Interface-Modul IM gleich in der Hauptprozessoreinheit CPU integriert ist. In diesem Fall besteht intern in der Hauptprozessoreinheit CPU ein dem Bussystem BS entsprechendes Bussystem zwischen der Hauptprozessoreinheit CPU und dem Interface-Modul IM.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das speicherprogrammierbare Steuerungssystem eine einzige Peripherieeinheit IO. Es ist aber klar, dass beliebig viele weitere solcher Peripherieeinheiten IO vorgesehen sein können.
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Die Peripherieeinheit IO ist ebenfalls mit dem Bussystem BS für eine datentechnische Arbeitsweise verbunden.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Peripherieeinheit IO zentral zur Hauptprozessoreinheit CPU und dem Interface-Modul IM auf dem Bussystem BS gesteckt. Es ist aber klar, dass die Peripherieeinheit IO auch dezentral auf dem Bussystem BS gesteckt sein kann. In diesem Fall ist die Ausführung des Bussystems BS der existierenden Situation entsprechend angepasst.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Peripherieeinheit IO einmal mit einer über das Bussystem BS zur Verfügung gestellten Stromversorgung Uint und einmal mit einer zusätzlich extern zur Verfügung gestellten Stromversorgung Uext verbunden. Dabei können die jeweiligen Stromversorgungen Uint, Uext unabhängig voneinander jeweils separat ein- oder ausgeschaltet werden.
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Zum Ein- oder Ausschalten einer betreffenden Stromversorgung Uint, Uext ist die Peripherieeinheit IO mit einer oder mehreren Steuerungsleitungen E/A verbunden, über die die Peripherieeinheit IO von der Hauptprozessoreinheit CPU und das Interface-Modul IM in datentechnischer Weise die Information bekommt, welche Stromversorgung ein- oder auszuschalten ist. Das Ein- oder Ausschalten einer betreffenden Stromversorgung wird im vorliegenden Fall dann von der Peripherieeinheit IO selbst bewerkstelligt. Denkbar wäre aber auch, dass jeweilig konkrete Leitungen vorgesehen sind, über die die Hauptprozessoreinheit CPU selbst über das Interface-Modul IM eine betreffende Stromversorgung direkt ein- oder ausschaltet.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die Peripherieeinheit IO mit Hilfe der extern zur Verfügung gestellten Stromversorgung Uext beispielsweise einen Leistungszweig eines Prozesses, während mit der über das Bussystem BS zur Verfügung gestellten Stromversorgung Uint beispielsweise die Kommunikationsverbindung zur Hauptprozessoreinheit CPU gehalten wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://de.wikipedia.org/wiki/SIMATIC [0002]
