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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung einer Fertigungslinie, insbesondere mit dezentral gesteuerten Bearbeitungseinheiten oder Maschinen, zum Beispiel bei der Herstellung von Komponenten für Kraftfahrzeuge mit entsprechenden Maschinen, sowie eine elektronische Schaltungsanordnung und ein Computerprogrammprodukt. Eine solche Fertigungslinie kann in einer Fertigungsanlage aus miteinander verketteten Bearbeitungseinheiten oder Maschinen bestehen; in einem Sonderfall kann die Fertigungslinie jedoch auch nur aus einer Bearbeitungseinheit oder Maschine bestehen.
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Es ist an sich zum Beispiel schon aus der
DE 2 232 715 A als Stand der Technik bekannt, dass Einrichtungen zum Steuern von Arbeitsmaschinen zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage nach einem vorgegebenen Arbeitsprogramm gesteuert werden. In der
DE 697 32 488 T2 ist auch schon beschrieben, dass hierfür ein Prozesssteuerungsnetzwerk vorhanden ist, in dem entsprechende Feldgeräte über einen sogenannten Feldbus gesteuert werden.
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Bei den eingangs erwähnten Fertigungslinien ist der Einsatz von Energie-Einspar-Verfahren und ein umweltfreundlicher, insbesondere ein nur wenig CO2-Emissionen verursachender Betrieb, eine häufige Forderung. In Pausen und sonstigen Unterbrechungen in der Fertigungslinie müssen dabei in der Regel sämtliche Systeme der Fertigungslinie voll betriebsbereit bleiben, um am Ende des Linienstillstandes sofort wieder fertigungsbereit zu sein. Dabei wird in der Regel eine große Energiemenge relativ nutzlos vergeudet.
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Ein einfaches Abschalten der Fertigungslinie ist oft auch keine sinnvolle Lösung, da ein erneutes Hochfahren häufig komplex ist und viele Einzelschritte umfasst, die in der richtigen Reihenfolge mit den richtigen Parametern durchgeführt werden müssen. Im Gegensatz zum laufenden Automatikbetrieb ist dabei der Hochlauf auch nur selten automatisiert.
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Da auch beim Betrieb von Fertigungslinien, insbesondere für die CO2-Emission und allgemein für den Energieverbrauch, die Einhaltung von bestimmten Grenzwerten, in vergleichbarer Weise wie sie heute schon für Kraftfahrzeuge gelten, zu erwarten sind, sollte nach Lösungen für ein sinnvolles Start-Stopp-Verfahren auch hier gesucht werden. Es ist heute keine Technologie vorhanden, die das Ab- und Anschalten einer ganzen Fertigungslinie beispielsweise auf Knopfdruck ermöglicht, da im Detail sowohl die Steuerungstechnik als auch die richtige Architektur der Energieversorgung oder Medienversorgung fehlt.
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Es ist weiterhin bekannt, dass viele Fertigungslinien lediglich über einzelne dezentrale Steuerungen in den Arbeitsstationen verfügen. Die Verkettung der einzelnen Stationen kann dabei über das Werkstück selbst erfolgen, das über Transportsysteme sequenziell von einer Station zur nächsten transportiert wird und beim Eintritt in die jeweilige Station beispielsweise über einen Näherungsschalter die Bearbeitung startet. Diese herkömmliche Art der Verkettung wird im Folgenden als Werkstückfluss-gesteuerte Bearbeitung bezeichnet. Die hohe Verbreitung dieser Art der Verkettung ist zum Beispiel auf die vollständige Kapselung der Steuerungen der Arbeitsstationen und die damit verbundene Komplexitätsreduktion zurückzuführen, was eine Erstellung von entsprechenden Steuerungsprogrammen und eine eventuelle Behebung von Störungen erleichtert. In der Praxis können dabei auch mehrere Stationssteuerungen zusammengefasst sein, wobei die einzelnen Arbeitsstationen dann üblicherweise als getrennte Funktionsblöcke realisiert sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es stellt sich somit die Aufgabe, dass für solche relativ einfach strukturierten Fertigungslinien, die nicht an zentrale leittechnische Anlagen zur Steuerung angekoppelt sind, sondern lediglich über den Werkstückfluss selbst gesteuert werden, auch einfache Start-Stopp-Verfahren realisiert werden.
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Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Steuerung einer Fertigungslinie mit Arbeitsstationen aus, die über ein Transportsystem nacheinander mit zu bearbeitenden Werkstücken versorgt werden. Es sind ferner Steuerungen für die Bearbeitung des Werkstücks in jeder Arbeitsstation vorhanden, die insbesondere das Eintreffen und/oder die Ausgabe des Werkstücks detektieren. Zumindest in einer Arbeitsstation ist ein Ruhezustand vorhanden, in den die Steuerung dann geht, wenn nach der Bearbeitung eines Werkstücks kein nachfolgendes Werkstück vorhanden bzw. bearbeitbar ist. Die Bearbeitungsdauer für ein Werkstück in einer Station entspricht dabei ihrer Taktzeit. Hierbei entspricht die Gesamtheit einer Fertigungslinie der langsamsten Station, sodass man versucht, die einzelnen Stationen in etwa gleich schnell zu machen.
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Die erfindungsgemäße Sleep-Mode-Steuerung zumindest einer der Arbeitsstationen erhält in vorteilhafter Weise ein Verkettungssignal in Form eines Eingangssignals bezüglich der Wartezeit auf das nächste Werkstück von der vorhergehenden Arbeitsstation. Jede Arbeitsstation generiert aus der Wartezeit der vorhergehenden Arbeitsstation und ihrer eigenen Taktzeit die Wartezeit für die nachfolgende Station, d. h. bis zur Übergabe des Werkstücks an die nächste Arbeitsstation prozessiert die Station ein Werkstück, dann nimmt die Wartezeit von der Taktzeit der Station ausgehend auf null ab. Das Ausgangssignal bezüglich des Endes der Bearbeitung des Werkstücks verläuft im störungsfreien Betrieb daher sägezahnförmig von der Taktzeit abwärts gegen null.
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Besonders vorteilhaft ist die Erfindung dadurch, dass die jeweilige Sleep-Mode-Steuerung für den jeweiligen Ruhezustand eine Zustandsmaschine enthält, mit der aus einem Bereich unterschiedliche Sleep-Modi mit unterschiedlichen Zeitkonstanten für den Ruhezustand ausgewählt werden, wobei die entsprechende Zeitkonstante so gewählt wird, dass sie gerade noch kleiner ist als die durch das Signal der vorhergehenden Arbeitsstation angekündigte Wartezeit bis zum Eintreffen des Werkstücks an der aktuellen Arbeitsstation, sodass durch den Sleep-Mode bzw. Ruhezustand keine Verzögerung entsteht.
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Bei einer Kombination mehrerer Fertigungslinien und/oder einer Kombination einer Fertigungslinie mit einem Leitsystem kann das jeweilige Ausgangssignal bezüglich des Endes der Bearbeitung des Werkstücks der letzten Arbeitsstation das Eingangssignal bezüglich des Beginns der Bearbeitung der ersten Arbeitsstation der folgenden Fertigungslinie oder das Ausgangssignal des Leitsystems das Eingangssignal bezüglich des Beginns der Bearbeitung des Werkstücks der ersten Arbeitsstation der Fertigungslinie darstellen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens besteht die mindestens eine Fertigungslinie aus einem Eingangslager und einem Ausgangslager, die über ein Transportsystem für den Transport der zu bearbeitenden Werkstücke zwischen einer Mehrzahl von Arbeitsstationen verbunden sind.
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Besonders vorteilhaft ist eine elektronische Schaltungsanordnung mit elektronischen Schaltmitteln, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass die elektronische Schaltungsanordnung das Signal eines Näherungsschalters für eine Detektion des ankommenden und abzugebenden Werkstücks auswertet und/oder das Eingangssignal bezüglich des Beginns der Bearbeitung der Werkstücks, beispielsweise über eine Feldbus oder eine serielle Verbindung, empfängt und/oder das Ausgangssignals bezüglich der Beendigung der Bearbeitung des Werkstücks erzeugt.
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Im Gegensatz zu den herkömmlichen Steuerungen von Fertigungslinien mit zusätzlichen zentralen Steuerungsteilen und den zusätzlichen Backbones lässt sich mit der Erfindung einfache und kostengünstige Lösung ohne großen Aufwand realisieren und auch eine eventuelle Nachrüstung vorhandener Fertigungslinien ist damit sehr vereinfacht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine aufwändige Vernetzung der Arbeitsstationen entfallen kann. Dies trägt zu einem besonders einfachen Aufbau der Fertigungslinie bei.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung daher durch die lokal realisierbare einfache Struktur, die auch im Störungsfall einfach debuggbar und für Bediener leicht verständlich ist. Die vorgeschlagenen Sleep-Modi sind rein lokal wählbar ohne Nebeneffekte auf Nachbarstationen. Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren leicht zu standardisieren, da nur ein durchgeschleiftes Signal zusätzlich vorhanden ist und somit auch eine volle Kaskadierung innerhalb der Fertigungslinie und über mehrere Fertigungslinien hinweg, auch zu Leitsystemen, möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für Neuanlagen als auch für Nachrüstungen einfach realisierbar und funktioniert darüber hinaus sowohl für Pausenzeiten in der Fertigungslinie als auch bei Teilemangel oder auch bei Störungen irgendwo innerhalb der Fertigungslinie. Bei Fertigungslinien mit stark unterschiedlichen Stationstaktzeiten ist es darüber hinaus auch möglich, dass schnellere Arbeitsstationen sogar im regularen Betrieb in kürzere Sleep-Modi gehen können.
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Die vorstehenden Ausführungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahrens gelten entsprechend jeweils auch für die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, die elektronische Schaltungsanordnung und das Computerprogrammprodukt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Figur der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Fertigungslinie mit an sich bekannten dezentralen Steuerungen im Werkstückfluss über Arbeitsstationen.
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2 ein Ablaufdiagramm jeweils einer Steuerung im Werkstückfluss mit einer Sleep-Mode-Steuerung.
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3 ein schematisches Blockschaltbild einer Fertigungslinie mit dezentralen Steuerungen im Werkstückfluss mit Sleep-Mode-Steuerungen.
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4 ein Verlauf der weitergegebeben Wartezeit bei leerem Eingangslager für die Werkstücke.
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5 ein schematisches Blockschaltbild einer Fertigungslinie mit dezentralen Steuerungen im Werkstückfluss ohne eine Verkettung zu benachbarten Arbeitsstationen oder zu einem zentralen Leitsystem.
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6 ein schematisches Blockschaltbild einer Fertigungslinie mit dezentralen Steuerungen im Werkstückfluss mit einer Verkettung zu benachbarten Arbeitsstationen oder zu einem zentralen Leitsystem.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Fertigungslinie FL mit Arbeitsstationen SA1 bis SAN im Prinzip gezeigt, die von einem Eingangslager EL mit Werkstücken versorgt wird. Ein Transportsystem TS transportiert die zu bearbeitenden Werkstücke von einer Arbeitsstation SA1 bis SAN zur jeweils Nachfolgenden. Trifft ein Werkstück in einer der Arbeitsstationen SA1 bis SAN ein, wird es dort jeweils von einem Näherungsschalter NS detektiert, der jeweils über ein binares Signal TB = „Teil_bereit” über eine jeweils zugeordnete Steuerung CA1 bis CAN die Bearbeitung in der jeweiligen Arbeitsstation SA1 bis SAN startet.
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Die fertig bearbeiteten Werkstücke der Fertigungslinie FL werden in einem Ausgangslager AL abgelegt.
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2 zeigt weiterhin eine Struktur eines Zustandsdiagramms einer erfindungsgemäßen erweiterten Gesamtsteuerung SMCA mit einer konventionellen Ablauf-Steuerung A und mit einer Sleep-Mode-Steuerung SMC für beliebige Arbeitsstationen SA1 bis SAN, wobei die Sleep-Mode-Steuerung SMC eine Erweiterung der konventionellen Steuerung A darstellt. Diese Gesamtsteuerung SMCA enthält wenigstens einen Prozessor mit Programmcode zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Steuerung der Fertigungslinie. In 3 ist eine Realisierung einer Fertigungslinie FL mit solchen erweiterten Steuerungen SMCA1 bis SMCAN in den jeweiligen Arbeitsstationen SA1 bis SAN gezeigt. Die 3 zeigt somit die Verkettung der erweiterten Steuerung SMCA, die gegenüber der klassischen Steuerung A aus der 1 pro Arbeitsstation SA1 bis SAN lediglich eine zusätzliche Sleep_Mode Steuerung SMC1 bis SMCN und das Verkettungssignal TMO = time_to_manufacture_out zur nächsten Arbeitsstation SA1 bis SAN benötigt.
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Gegenüber der eingangs beschriebenen klassischen Stationssteuerung sind gemäß der 2 nur zwei zusätzliche Signale vom Typ Integer notwendig, nämlich das Eingangssignal bezüglich des Beginns der Bearbeitung des Werkstücks TMI = ”time_to_manufacture_in” und das Ausgangssignal bezüglich des Endes der Bearbeitung des Werkstücks TMO = ”time_to_manufacture out” (siehe Block TM). Das Eingangssignal TMI wird jeweils von der vorhergehenden Arbeitsstation SA1 bis SAN-1 bereitgestellt und signalisiert, wie lange es noch dauern wird, bis das nächste Werkstück ankommen wird. Im störungs- und wartefreien Betrieb verläuft das Signal TMO dabei sägezahnförmig von der jeweiligen Taktzeit abwärts auf null. Es gilt dann also für eine beliebige Arbeitsstation (n): TMO(n) = time to_manufacture_out(n) = restliche Bearbeitungszeit der Station (n).
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Dies bedeutet, dass, wenn z. B. eine Arbeitsstation SAN gerade vom Zustand ”ready” nach ”manufacturing” übergeht, dann beträgt der Wert für TMO(n) in diesem Moment gerade die Taktzeit dieser Arbeitsstation. Das Ausgangssignal TMO sendet diese Information an die nächste Arbeitsstation SA2 (vgl. 3), sodass folgende Verkettung gilt: TMO(n – 1) = time to_manufacture out(n – l) = time to manufacture in(n); n = 2, 3, ... N
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Weiterhin enthält jede Sleep-Mode-Steuerung SMC nach der 2 eine Zustandsmaschine, die verschiedene Sleep-Modi von Sleep_O bis Sleep_M enthält. Diese Sleep-Modi realisieren verschiedene energiesparende Zustände mit unterschiedlichen Zeitkonstanten Ts. Dabei steigen die Zeitkonstanten Ts1 bis TsM ebenso wie die eingesparte Energie monoton an, d. h. je höher der Index eines Sleep Modus, desto größer die Energieeinsparung, umso größer aber auch die Zeitkonstante Ts, um ihn zu aktivieren, zu betreiben und wieder zu deaktivieren. Die Zeitkonstante Ts gibt dabei an, welche Zeit mindestens benötigt wird, um diesen Sleep-Modus energetisch wirtschaftlich zu betreiben.
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Die Zustandsmaschine nach der 2 funktioniert nach folgendem Ablauf:
Ist ein Werkstück in einer Arbeitsstation SA1 bis SAN fertig bearbeitet, dann geht die Zustandsmaschine im Block A von ”manufacturing” nach ”ready” zurück. Nun wird der Näherungsschalter NS der jeweiligen Arbeitsstation SA1 bis SAN abgefragt, der mitteilt, ob ein neues Werkstück zur Bearbeitung vorhanden ist. Ist das Signal TB = Teil_bereit = 1, dann geht die Zustandsmaschine nach ”manufacturing” zurück und beginnt mit der Bearbeitung des nächsten Werkstücks.
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Dieser aktive Teil (Block A) der Zustandsmaschine ist im Prinzip auch bei der klassischen Fertigungsstationssteuerung nach der 1 vorhanden. Ist jedoch kein Werkstück zur weiteren Bearbeitung vorhanden, zum Beispiel aufgrund einer Störung oder einer Produktionspause, dann geht hier jedoch die jeweilige Sleep-Mode-Steuerung SMC1 bis SMCN gemäß Block SMC in den Zustand Sleep_0. Dieser ist hier noch nicht mit einem konkreten Energieeinsparmodus verknüpft, sondern dient lediglich der richtigen Ansteuerung des Ausgangssignals TMO = time_to_manufacture_out. Damit wird außerdem sichergestellt, dass auch dann eine Kaskadierung stattfindet, wenn aufgrund einer zu großer Zeitkonstante TS der aktuellen Arbeitsstation SA1 bis SAN diese nicht in einen energiesparenden Zustand gehen kann, wohl aber die anderen Arbeitsstationen.
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Nun wird der Wert für TM = time_to_manufacture nach folgender Gleichung berechnet: TMO(n) = time to_manufacture_out(n) = time_to_manufacture_in(n) + Taktzeit(n)
= TMI(n) + TZ(n) = TMI(n + 1).
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Dies heißt, dass die nächste Arbeitsstation SAN + 1 erst dann wieder ein Werkstück bearbeiten kann, wenn dies in der Zeit TMI(n) = time to_manufacture_in(n) von der vorigen Arbeitsstation SAN-1 an die betrachtee Arbeitsstation SAN geliefert wurde und dann in dieser Arbeitsstation SAN während der Taktzeit TZ bearbeitet wurde. Diese einfache Gleichung stellt also die zuvor erwähnte Kaskadierung dar, die durch die sequenzielle Bearbeitung in der erfindungsgemäßen Fertigungslinie FL erzwungen wird.
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Abhängig vom Wert für TMI(n) = time_to_manufacture_in(n) wird nun der passende Sleep-Mode Sleep_0 bis Sleep_M gemäß Block SMC aus der 2 ausgewählt: Dabei wird genau der Sleep-Mode gewählt, dessen Zeitkonstante Ts noch kleiner ist, als die ermittelte Wartezeit aus dem Wert TMI(n) = time to_manufacture in(n) der jeweils aktuellen Arbeitsstation SA1 bis SAN.
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4 zeigt, wie sich die Ausgangssignale TMO(n) = time_to_manufacture_out verhalten, wenn z. B. das Eingangslager EL nach der 3 leer ist und die das letzte Werkstück die Fertigungslinie FL bereits verlassen hat. Für die Darstellung nach der 4 wurde angenommen, dass die Taktzeiten TZ der einzelnen Arbeitsstationen in etwa gleich sind. Man erkennt hier, dass der Wert für TMO monoton anwächst. Dies hat zur Folge, dass Stationen, die weiter rechts liegen, einen Sleep-Modi mit höheren Zeitkonstanten Ts und damit höheren Energieeinsparungen auswählen können. Als Ergänzung könnte beispielsweise über ein HMI (Human Machine Interface) von der Arbeitsstation SA1 die Pausenzeit manuell vorgegeben werden, sodass z. B. der Betreuer der Fertigungslinie längere geplante Pausenzeiten vorgeben könnte.
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Aus 5 ist zu entnehmen, wie bei einer Fertigungslinie FL ohne eine Verkettung zu Nachbarlinien oder bei einem Leitsystem, mit den Randsignalen TMI = 0 und TMO = N umgegangen wird. Das Eingangssignal TMI (0) wird hier einfach konstant auf 0 Sekunden gelegt und geht damit vom schlechtesten Fall (Worst-Case) aus, dass jederzeit Werkstücke im Eingangslager EL vorhanden sind. Das Ausgangssignal TMO der letzten Arbeitsstation SAN bleibt somit offen und wird also nicht weiter genutzt.
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6 dagegen zeigt, wie die zuvor beschriebenen Randsignale zur Verkettung aufeinanderfolgender Fertigungslinien FL oder mit einem Leitsystem genutzt werden können. So wird das Eingangssignal TMI einfach an das Ausgangssignal TMO der Vorgängerlinie, d. h. der Fertigungslinie, die das Eingangslager EL mit Werkstücken beliefert, angebunden. Ebenso ist das Ausgangssignal TMO mit der nachfolgenden Fertigungslinie verbunden.
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Bei einer Anbindung an ein Leitsystem kann über das Eingangssignal TMI nach der 6 somit elegant über Pausenzeiten informiert werden, sodass z. B. vor einem Wochenende mit Fertigungspausen vom Leitsystem ein Wert für TMI = time_to_manufacture_in von 2 Tagen vorgegeben werden kann und diese Zeit dann dekrementiert werden kann. Durch diese Kaskadierung erfolgt dann pro Arbeitsstation SA1 bis SAN genau der gewünschte Wake-up-Zyklus, da die Sleep-Modi wieder schrittweise verlassen werden. Die Arbeitsstationen SA1 bis SAN sind somit also alle wieder rechtzeitig bereit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2232715 A [0002]
- DE 69732488 T2 [0002]
