DE102013100465A1

DE102013100465A1 - Mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage

Info

Publication number: DE102013100465A1
Application number: DE102013100465.2A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Werfeli
Original assignee: Netstal Maschinen AG; Maschinenfabrik und Giesserei Netstal AG
Current assignee: Netstal Maschinen AG
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-07-17
Also published as: WO2014111417A1

Abstract

Eine mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage (70) setzt mindestens einen I/O-Controller (50) für eine Sensor/Aktor-Einheit (50) eines Werkzeuges (72) einer Produktionszelle (70) der Spritzgiessmaschine (71) ein, um in einer koordinierten Weise Kunststoffteile herzustellen. Dabei ist I/O-Controller (50) mit einem Echtzeit-Prozessor (40) über eine Echtzeit-Ethernet-Verbindung (41) verbunden. Es ist nun ein Simulationsrechner vorgesehen, der über mindestens eine Echtzeit-Ethernet-Schnittstelle (101) verfügt, die mit der Echtzeit-Ethernet-Verbindung (41) des besagten mindestens einen Echtzeit-Prozessors (40) an Stelle des zugehörigen I/O-Controllers (50) verbindbar ist, wobei der Simulationsrechner (100) ausgestaltet ist, um die Physik des besagten I/O-Controllers (50) des Elementes der Spritzgiessanlage (70, 71, 72, 73, 74) zu simulieren, indem in Echtzeit die Output-Signale der Steuerung verarbeitet und über die Simulationsmodelle (160, 171, 172, 173, 174) die Input-Signale zur Steuerung in einer Weise geliefert werden, welche das Verhalten der Physik des besagten Elementes in Echtzeit simuliert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtungen für Spritzgiessanlagen bekannt. Diese richten sich auf den Einsatz einer Spritzgiessmaschine der Anlage, mit Werkzeugen gewünschte Teile zu produzieren. Neben mindestens einem solchen Werkzeug ist es bei komplexen Werkzeugen auch notwendig, einen oder mehrere Hilfsantriebe mit einzubeziehen. Meistens sind zusätzlich Handlinggeräte und weitere Peripheriegeräte beteiligt. Es kommt so üblicherweise eine beachtliche Produktionszelle zusammen, bei der die Maschine oft eine taktgebende Aufgabe wahrnimmt.
Die Prozesse und die Werkzeuge werden immer komplexer und der Aufwand für die Inbetriebnahme und somit die Standzeit der Anlage steigen, ebenso das Risiko, beim Einfahren Produktionsmittel zu beschädigen und so weitere Standzeiten zu verursachen. Die Belastung der Einrichter wächst.
Bei der bekannten Vorgehensweise wird der Produktionsprozess auf der Produktionszelle schrittweise parametrisiert, konfiguriert und validiert. Es werden Überwachungen durch die Sensoren und Verriegelungen der Aktoren konfiguriert und ohne Werkzeug in Betrieb genommen, um das Risiko eines Schadens zu mindern. Es müssen Provisorien erstellt werden, um ohne Werkzeug zum Beispiel die Kernzugverriegelung zu validieren. Dies benötigt viel Zeit.
Aus der WO 2010/022495 ist als Hilfestellung für die Auswahl der Komponenten einer solchen Produktionszelle ein virtuelles Modell einer Spritzgiessmaschine vorgesehen, für welche ein Einrichter verschiedene benötigte Komponenten auswählen und virtuell einsetzen kann. Eine direkte Hilfe beim realen Aufbau einer Produktionszelle mit den ausgewählten Teilen wird nicht gegeben.
Aus der WO 2009/105797 ist ein Verfahren zur benutzerseitig durch einen Grafikeditor unterstützten Erstellung, Änderung, Überwachung und/oder Optimierung des Gesamtmaschinenablaufes einer programmgesteuerten Maschine oder Anlage bekannt. Dabei sollen an einem Grafikeditor die Maschinenabläufe synchronisiert programmiert werden, um die programmgesteuerte Maschine vorzukonfigurieren.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie diese Situation auf der Maschinenseite verbessert werden kann, um dem Einrichter einen schnelleren und sicheren Aufbau eine Produktionszelle zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird für eine Steuerung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Eine mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage setzt mindestens einen I/O-Controller für eine Sensor/Aktor-Einheit eines Werkzeuges einer Produktionszelle der Spritzgiessmaschine ein, um in einer koordinierten Weise Kunststoffteile herzustellen. Dabei ist I/O-Controller mit einem Echtzeit-Prozessor über eine Echtzeit-Ethernet-Verbindung verbunden. Es ist nun ein Simulationsrechner vorgesehen, der über mindestens eine Echtzeit-Ethernet-Schnittstelle verfügt, die mit der Echtzeit-Ethernet-Verbindung des besagten mindestens einen Echtzeit-Prozessors an Stelle des zugehörigen I/O-Controllers verbindbar ist, wobei der Simulationsrechner ausgestaltet ist, um die Physik des besagten I/O-Controllers des Elementes der Spritzgiessanlage zu simulieren, indem in Echtzeit die Output-Signale der Steuerung verarbeitet und über die Simulationsmodelle die Input-Signale zur Steuerung in einer Weise geliefert werden, welche das Verhalten der Physik des besagten Elementes in Echtzeit simuliert.
Die Erfindung basiert auf der Einsicht, dass eine Betriebsart der Maschine angeboten wird, in der sich die Maschine und ihre Komponenten nicht bewegen. Dabei werden die reelle Maschine und ihr Umfeld durch eine Simulation der Maschinenphysik ersetzt und die Maschinensteuerung mit der Simulation verhält sich gleich wie die Maschinensteuerung mit der reellen Maschine mit ihrem Umfeld. Mit anderen Worten, die Simulation soll eine Funktion der realen Maschinensteuerung sein.
Vorteilhafterweise ist die Steuerung und die Maschinensimulation in einem Büro ohne Produktionszelle lauffähig, sodass die Konfiguration und die Parametrierung des Produktionsprozesses losgelöst von der Maschine in der Arbeitsvorbereitung vorgenommen werden kann. Dazu sind eine entsprechende Laufzeit-Umgebung, die Maschinendaten und die Simulationsmodelle der beteiligten Komponenten notwendig.
Dabei enthält die Simulationsumgebung die Physik der Maschine oder der Produktionszelle, die eine Maschine enthält, in einzelnen Simulationsmodellen, die auf der erweiterten Steuerung ablaufen. Die Simulationsumgebung verarbeitet in Echtzeit die Output-Signale der Steuerung und liefert über die Simulationsmodelle die Input- Signale zur Steuerung in einer Weise, welche das Verhalten der Physik in Echtzeit simuliert.
Vorzugsweise ist ferner eine Auswahlstruktur realisiert, welche es erlaubt, Funktionen auszuwählen, ob sie real, mit vorzugsweise Bewegungen oder nur in der Simulation, ohne entsprechende Bewegungen und bei Aktivierung der Simulation aller Funktionen erlaubt einen Prozess simuliert ablaufen zu lassen und ihn so zu überprüfen.
Damit ist es möglich, die Simulation der Maschine oder der Produktionszelle, die eine Maschine enthält, losgelöst von der physischen Anwesenheit der beschriebenen Systeme an einem beliebigen Ort auf einem geeigneten Rechnersystem zu betreiben. Damit können Rezepte und Prozesse erarbeitet und gestestet werden, indem die entsprechenden Daten der Systeme der Simulation bekannt gemacht werden, was vorzugsweise über eine Datenübertragung geschieht.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten einer bekannten Steuerung;
2 ein Schaltbild der Steuerung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung; und
3 ein Schaltbild der Steuerung gemäss einem zweiten erweitertem Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten einer bekannten Steuerung. Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Industrie-PC bezeichnet, welcher mit einer Bedienerkonsole 20 über eine computergestützte Benutzerschnittstelle 21 als Memsch-Maschine-Schnittstelle (HMI) verbunden ist. Die Spritzgiessmaschine kann weiter über angebundene Komponenten 30 für ein Produktionsleitsystem (MES) und die Überwachung und Steuerung der technischen Prozesse in einer Leitebene (SCADA) verbunden. Diese Verbindung des Industrie-PC 10 mit der Leitsystem-Komponente 30 kann durch eine Ethernetverbindung 31 basierend auf TCP/IP realisiert sein.
Der Industrie-PC 10 der Spritzgiessmaschine kommuniziert des Weiteren über ein Echtzeit-Ethernet 41 mit Echtzeitrechnern 40, die ihrerseits eine Vielzahl von I/O-Controllern 50 bedienen, die mit Sensoren und Aktoren verbunden sind, die in der schematischen Darstellung der 1 pauschal mit dem Bezugszeichen 60 versehen sind. Die Aktoren / Aktuatoren bilden die Stellglieder im Regelkreis der nachfolgend beschriebenen Einheiten der schematisch dargestellten Produktionszelle 70. Für die Realisierung der Echt-Zeit-Ethernet 41 Verbindungen und den Schnittstellen der Echtzeitrechner 40 sind aus dem Stand der Technik verschiedene Feldbussysteme mit benötigten Buszyklen von weniger als 1 Millisekunde bis hinab zu 100 Mikrosekunden bekannt, wie Ethernet/IP als offener Industriestandard, für das Komponenten insbesondere durch Mitglieder der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) zu beziehen sind.
Dabei sind die Verbindungen zwischen I/O-Controllern 50 und Sensor/Aktor-Einheiten 60 mit einer Vielzahl von hier jeweils fünf Verbindungsleitungen 51 dargestellt. Sowohl diese Anzahl als auch die Anzahl und Ausgestaltung der I/O Controller 50 ist beispielhaft gewählt. Die technische Umsetzung der Spritzgiessmaschine ist mit dem alle Baugruppen verbindenden Bezugszeichen 70 für die Maschine insgesamt bezeichnet, welche die Sensor-Aktor-Baugruppen 60 umfasst, die der Kunststoff-Spritzgiessmaschine 71, den Werkzeugen 72, den Handlings-Einheiten 73 und allfälligen Peripheriegeräten 74 zugeordnet sind. Dabei ist zu notieren, dass üblicherweise eben zusätzlich zur Maschine 71 selber auch ein Informationsaustausch mit Werkzeug-, Handling- und weiteren Peripheriegeräten 72, 73 und 74 stattfindet oder dass diese direkt gesteuert werden. Peripheriegeräte können ihrerseits eigene Bedienkonsolen haben (hier nicht dargestellt).
Wie eingangs erwähnt ist bei der bekannten Vorgehensweise der Einstellung der Steuerung des Produktionsprozesses auf der Produktionszelle 70 diese schrittweise parametrisiert, konfiguriert und validiert.
Die 2 zeigt nun ein Schaltbild der Steuerung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, aufbauend bei der Steuerung nach 1. Mit anderen Worten, es wird bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung von der vorgestellten Produktionszelle 70 und der Steuerung durch den Industrie-PC 10 ausgegangen und die neuen Steuerungselemente schematisch dargestellt. Gleiche Merkmale sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Natürlich sind die nachfolgend erläuterten Steuerungselemente auch bei anderen Ausgestaltungen einer mikroprozessor-gesteuerten Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage mit mindestens einem Bedieninterface 22 und mindestens einem Prozessor für mindestens einen I/O-Controller 50 und einen Sensor/Aktor-Einheit 60 eines Werkzeuges 72 einer Produktionszelle 70 der Spritzgiessmaschine 71 einsetzbar.
Die Simulations-Umgebung 100 geht von einer Anbindung durch die Echtzeit-Ethernet Verbindungen 41 aus; setzt also an den I/O-Controllern 50 der 1 an. Die Echtzeitrechner 40 der bekannten Steuerung nach 1 werden über ihre einzelnen dedizierten Echtzeit-Ethernet Verbindungen 41 an entsprechende Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen 101, 102, 103 und 104 der Simulationsumgebung 100 verbunden. Dabei wird Echtzeit-Ethernet auch kürzer als RT-Ethernet bezeichnet.
Damit bietet die Simulationsumgebung 100 für jeden Echtzeit-Ethernet-Slave der Steuerung eine simulierte Slave-Funktion an, die sich in idealer Weise wie die reale Slave-Funktion inkl. der Mechanik dahinter verhält. Die Regler in der Simulationssteuerung sehen daher simulierte Sensor- und Aktor-Einheiten 160 mit simulierten I/O-Controllern vor, die sich wie in der Realität verhalten.
Die Simulations-Umgebung 100 in 2 besteht aus einem oder mehreren Rechnern mit Echtzeitbetriebssystemen 140 oder Rechnern mit Betriebssystemen ohne Echtzeitfähigkeit 110, die über Ethernet 31 oder Echtzeit-Ethernet-Verbindungen 41 verbunden sind.
Die Bezugszeichen 171, 172, 173, 174 bezeichnen eine simulierte Kunststoff- Spritzgiessmaschine, ein simuliertes Werkzeug, eine simulierte Handlings-Einheit und ein simuliertes Peripheriegerät, die als reine Software zu verstehen sind, welche, je nach Echtzeitanforderungen und Rechenleistungsbedarf, auf den genannten Rechnern 110 und 140 abgearbeitet wird. Übergeordnet ist die Simulationsverwaltung 200, die vorzugsweise eine Fernsteuerung über eine Ethernet-Leitung 31 beinhaltet. Damit lässt sich dies Steuerung auch Remote von einem Büro aus betreiben, da weder die Maschine selber noch die I/O-Controller körperlich vorhanden sein müssen.
Die Elemente der Simulationssoftware an sich sind dem Fachmann geläufig, beispielsweise aus WO 2010/022495 und WO 2009/105797. Wesentlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Anschluss der Simulationsumgebung 100 an die reale Steuerung über die dort vorliegenden Echtzeit-Ethernet-Verbindungen 41 an den Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen 101, 102, 103, 104.
Die 3 zeigt ein Schaltbild der Steuerung gemäß einem zweiten erweiterten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Dabei sind die Einheiten 20 und 21 der 1 mit dem Industrie-PC 10 in einem Bedienrechner 22 zusammengefasst worden. Das Ausführungsbeispiel der 3 umfasst sowohl die bekannte tatsächliche Maschine 70 aus 1 als auch die weiteren Elemente Simulationsumgebung 100 aus 2. Zusätzlich ist schematisch eine Umschaltungssteuerung 300 dargestellt, die über eine Vielzahl von Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen 301, 302, 303, 304 verfügt. Die Bezugszeichen 301, 302, 303 und 304 sind für die Schnittstellen so gewählt, dass sie sowohl für die Verbindungen der Echtzeit-Ethernetverbindungen 41 der Steuerungseinrichtung von den Echtzeitprozessoren 40 zu entweder den I/O-Controllern 50 entsprechend 1 oder den Schnittstellen 101 bis 104 der simulierten Sensor/Aktoren-Einheiten 160 der Simulationsumgebung entsprechen.
Mit anderen Worten, die Umschaltungssteuerung 300 gestattet es und gibt dem Benutzer die Möglichkeit, an der Umschaltungssteuerung 300 für jedes durch die Steuerung über einen Echtzeitrechner 40 tatsächlich gesteuerte Aktor/Sensor-Element 60 zwischen den zwei Betriebsarten hin- und herzuschalten, also entweder dieses Element der Maschine mit der Simulationsumgebung 100 zu simulieren oder mit diesem Element über den zugehörigen I/O-Controller 50 auf der realen Maschine zu arbeiten. Da für jede Bewegungsachse die Betriebsart gewählt werden kann, ist auch ein Mischbetrieb möglich.
Wenn zum Beispiel ein Werkzeug noch fehlt, können die Überwachungen und Verriegelungen der Kernzüge mittels der Simulation gefahren werden. Es ist dann nicht mehr notwendig, an der Produktionsanlage provisorische Hydraulikzylinder mit Überwachungsendschalter vorzusehen.
Ist das Werkzeug montiert, können die Hilfssteuerungen überprüft werden, indem sich die Schliesseinheit nur simuliert bewegt, die Hilfssteuerungen sich aber tatsächlich bewegen.
Es sind in der 3 mehr I/O-Controller 50 dargestellt als die vier Verbindungen zu den Echtzeitprozessoren 40. Grundsätzlich könnten Sensoren/Aktoren 60 vorgesehen, die nicht simuliert werden, obwohl die Möglichkeit der vollständigen Simulation ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist.
Die Umschaltungseinheit 300 ist in der 3 als gesonderte Baugruppe dargestellt. Sie kann natürlich über eine einfache Ethernetverbindung mit anderen Steuereinrichtungen wie dem Industrie-PC 10 und dessen Konsole 20 oder mit der Simulationsverwaltung 200 verbunden sein, damit die Umschaltung ein nachgeschalteter untergeordneter Auswahlprozess ist.
Bezugszeichenliste

10: Industrie-PC
20: Bedienerkonsole
21: Benutzerschnittstelle
22: Bedienrechner
30: Leitsystem-Komponenten
31: Ethernet-Verbindung
40: Echtzeitrechner
41: Echtzeit-Ethernet
50: I/O-Controllern
51: Verbindungsleitung
60: Sensor/Aktor
70: Produktionszelle
71: Kunststoff-Spritzgiessmaschine
72: Werkzeug
73: Handlings-Einheit
74: Peripheriegerät
100: Simulationsumgebung
101: Echtzeit-(RT)-Ethernet-Schnittstelle
102: RT-Ethernet-Schnittstelle
103: RT-Ethernet-Schnittstelle
104: RT-Ethernet-Schnittstelle
110: Rechner ohne Echtzeitbe-triebssystem
140: Rechner mit Echtzeitbe-triebssystem
160: Simulierte Sensor/Aktor-Einheit
171: simulierte Kunststoff-Spritzgiessmaschine
172: simuliertes Werkzeug
173: simulierte Handlings-Einheit
174: simuliertes Peripheriegerät
200: Simulationsverwaltung
300: Umschaltungssteuerung
301: Echtzeit(RT)-Ethernet-Schnittstelle
302: RT-Ethernet-Schnittstelle
303: RT-Ethernet-Schnittstelle
304: RT-Ethernet-Schnittstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/022495 [0005]
WO 2009/105797 [0006]
WO 2010022495 [0029]
WO 2009105797 [0029]

Claims

Mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage (70; 71, 72, 73, 74) mit mindestens einem Bedieninterface (20, 21), mindestens einem Prozessor (10, 40) und mindestens einem I/O-Controller (50) für eine Sensor/Aktor-Einheit (60) eines Werkzeuges (72) einer Produktionszelle (70) der Spritzgiessmaschine (71), um in einer koordinierten Weise Kunststoffteile herzustellen, wobei der mindestens eine I/O-Controller (50) mit mindestens einem Echtzeit-Prozessor (40) der Prozessoren (10, 40) der Steuerungseinrichtung über eine Echtzeit-Ethernet-Verbindung (41) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Simulationsrechner (100) vorgesehen ist, der über mindestens eine Echtzeit-Ethernet-Schnittstelle (101, 102, 103, 104) verfügt, die mit der Echtzeit-Ethernet-Verbindung (41) des besagten mindestens einen Echtzeit-Prozessors (40) an Stelle des zugehörigen I/O-Controllers (50) verbindbar ist, wobei der Simulationsrechner (100) ausgestaltet ist, um die Physik des besagten I/O-Controllers (50) des Elementes der Spritzgiessanlage (70, 71, 72, 73, 74) zu simulieren, indem in Echtzeit die Output-Signale der Steuerung verarbeitet und über die Simulationsmodelle (160, 171, 172, 173, 174) die Input-Signale zur Steuerung in einer Weise geliefert werden, welche das Verhalten der Physik des besagten Elementes in Echtzeit simuliert.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinrichtung (300) vorgesehen ist, mit der jeweils einzelne Echtzeit-Ethernet-Verbindungen (41) von Echtzeit-Prozessoren (40) von vorbestimmbaren I/O-Controllern (50) wahlweise entweder mit den zugehörigen I/O-Controllern (50) oder mit den zugehörigen Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen (101, 102, 103, 104) des Simulationsrechners (100) verbindbar sind.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der I/O-Controller (60) eine Sensor/Aktor-Einheit (50) eines Werkzeuges (72) ist und dass der Simulationsrechner (100) eine zugehörige Werkzeugsimulation (172) umfasst.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Simulationsverwaltung (200) vorgesehen ist, mit der sowohl der Simulationsrechner (100) als auch die Umschalteinrichtung (300) steuerbar ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationsverwaltung (200), der Simulationsrechner (100) und die Umschalteinrichtung (300) über eine Datenkommunikationsverbindung, insbesondere eine Ethernetverbindung, verbunden sind.