DE102018114094B3

DE102018114094B3 - Ausgabemodul, Steuersystem und Verfahren für eine industrielle Steuerung

Info

Publication number: DE102018114094B3
Application number: DE102018114094.0A
Authority: DE
Inventors: Jörg Bochterle; Matthias Wagner; Markus Lenz
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2038-06-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ausgabemodul für eine industrielle Steuerung, mit einer Erfassungseinheit (101) zum elektrischen Erfassen von Stromwerten und Spannungswerten einer angeschlossenen Last (103); einer Berechnungseinheit (105) zum Verarbeiten der erfassten Strom- und Spannungswerte; und einem Programmspeicher (107) zum Laden von Applikationen (109-1, ... 109-n), die aus einer Menge von Applikationen (109-1, ... 109-n) ausgewählt werden können; wobei die Applikationen (109-1, ..., 109-n) ausgebildet sind, die Strom- und Spannungswerte auszuwerten, um physikalische Zustände in Zusammenhang mit der Last (103) zu ermitteln, und ein Auswertungsergebnis an eine Steuerungseinheit (111) und/oder an eine übergeordnete Steuerung (113) und/oder einen externen Datenspeicher (133) zu übermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ausgabemodul für eine industrielle Steuerung, ein Steuersystem für eine industrielle Steuerung und ein Verfahren zum Durchführen einer industriellen Steuerung.
Bisher wird für industrielle Steuerungsaufgaben mittels eines Ausgabemoduls eine einmalig auf einen Mikrocontroller gespielte Software verwendet. Der Mikrocontroller und die Software sind speziell auf die jeweilige industrielle Steuerung optimiert. Durch die Abstimmung auf die Anwendung kann die Funktionalität jedoch nicht geändert werden und es wird für jede Funktionalität eine eigene Hardware benötigt.
Die Druckschrift US 2014/0265983 A1 betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Überwachen und Steuern eines Motors, der verwendet wird, einen Teil eines Feldgerätes innerhalb eines Steuersystems zu betätigen.
Die Druckschrift DE 10 2013 212 797 A1 betrifft eine Verbesserung in einer elektronischen Steuervorrichtung, die einen Mikroprozessor enthält, der eine Antriebssteuerung für eine elektrische Lastgruppe gemäß dem Betriebszustand einer Eingangssensorgruppe und dem Inhalt eines Programmspeichers durchführt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die technischen Einsatzmöglichkeiten eines Ausgabemoduls für eine industrielle Steuerung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Ausgabemodul für eine industrielle Steuerung gelöst, mit einer Erfassungseinheit zum elektrischen Erfassen von Stromwerten und/oder Spannungswerten einer angeschlossenen Last, die einen Aktor eines Ventils umfasst; einer Berechnungseinheit zum Verarbeiten der erfassten Strom- und/oder Spannungswerte; und einem Programmspeicher zum Laden von Applikationen, die aus einer Menge von Applikationen ausgewählt werden können. Die Applikationen sind ausgebildet, die Strom- und Spannungswerte auszuwerten, um einen physikalischen Zustand in Zusammenhang mit der Last zu ermitteln, und ein Auswertungsergebnis an eine Steuerungseinheit und/oder an eine übergeordnete Steuerung und/oder einen externen Datenspeicher zu übermitteln. Die Steuerungseinheit ist ausgebildet, an die Last eine pulsweitenmodulierte Spannung anzulegen und einen Effektivwert der angelegten pulsweitenmodulierten Spannung so zu wählen, dass sich ein mechanischer Schaltzustand der Last nicht ändert. Die pulsweitenmodulierte Spannung kann zur Diagnose oder zur Energieversorgung der Last verwendet werden. Das Ausgabemodul kann Bestandteil einer Modulanordnung, insbesondere einer Modulreihenanordnung, wie beispielsweise einer Ventilinsel sein.
Der Benutzer kann mittels des Ausgabemoduls, ohne Veränderungen an der Hardware vornehmen zu müssen, verschiedene Funktionalitäten realisieren und diese speziell auf eine aktuelle Anwendung optimieren, indem eine geeignete Applikation ausgewählt wird. Die übergeordnete Steuerung ist beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die zur Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert wird.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls umfasst das Ausgabemodul die Steuerungseinheit, um die angeschlossene Last zu steuern.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls sind die Applikationen ausgebildet, Steuersignale an die Steuerungseinheit bereitzustellen.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls dienen die Steuersignale dazu, den physikalischen Zustand der Last zu ermitteln, ohne die Last ein- oder abzuschalten.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls ist die Steuerungseinheit ausgebildet, die Last mit elektrischer Betriebsenergie zu versorgen.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls ist die Steuerungseinheit ausgebildet, die Last elektrisch einzuschalten oder abzuschalten.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls ist die Erfassungseinheit ausgebildet, den zeitlichen Verlauf der Stromwerte und Spannungswerte an der Last erfassen. Der zeitliche Verlauf kann beispielsweise durch eine Vielzahl von zeitlich diskreten Stromwerten und Spannungswerten gegeben sein.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls sind die Applikationen ausgebildet, den zeitlichen Verlauf der Strom- und Spannungswerte auszuwerten.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Steuersystem für eine industrielle Steuerung gelöst, mit einem Ausgabemodul nach dem ersten Aspekt; und einer übergeordneten Steuerung zum Steuern des Ausgabemoduls. Dadurch wird zusätzlich der technische Vorteil erreicht, dass das Auswertungsergebnis von einer übergeordneten Schicht verwendet und verarbeitet werden kann. Die übergeordnete Steuerung ist beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die zur Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert wird. Die übergeordnete Steuerung ist ferngelegen zu dem Ausgabemodul angeordnet. Die übergeordnete Steuerung und das Ausgabemodul sind beispielsweise über digitale Datenschnittstellen miteinander verbunden.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Ausgabemoduls umfasst das Steuersystem eine Last.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Steuersystems umfasst die Last den Aktor eines Ventils. Der Aktor kann beispielsweise durch eine Ventilspule oder einen Piezo-Aktor gebildet sein.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Steuersystems ist die Last Teil einer Modulreihenanordnung. Das Ausgabemodul kann dabei als Kopfmodul der Modulreihenanordnung fungieren. Insbesondere kann das Ausgabemodul eine Datenverbindung mit einer übergeordneten Steuerung bereitstellen, so dass eine ein- oder zweiseitige Kommunikation zwischen der übergeordneten Steuerung und mindestens einem weiteren Modul der Modulreihenanordnung ermöglicht wird.
Bei der Modulreihenanordnung kann es sich insbesondere um eine Ventilinsel handeln. Ein einzelnes Modul der Modulreihenanordnung stellt beispielsweise eine Ventilscheibe dar. Eine Ventilscheibe beinhaltet ein oder mehrere Ventile und ist elektrisch und mechanisch, beispielsweise durch das Vorhandensein entsprechender Schnittstellen, daraufhin ausgelegt, zusammen mit anderen Modulen eine Modulreihenanordnung zu bilden.
Gemäß einem dritten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Durchführen einer industriellen Steuerung gelöst, mit den Schritten eines Auswählens einer Applikation aus einer Menge von Applikationen und Laden der Applikation in einen Programmspeicher; eines elektrischen Erfassens von Stromwerten und Spannungswerten einer angeschlossenen Last, die einen Aktor eines Ventils umfasst; eines Verarbeitens der erfassten Strom- und Spannungswerte;, eines Auswertens der Strom- und Spannungswerte durch die ausgewählte Applikation, um physikalische Zustände in Zusammenhang mit der Last zu ermitteln; und eines Übermittelns eines Auswertungsergebnisses an eine Steuerungseinheit und/oder eine übergeordnete Steuerung und/oder einen externen Datenspeicher. An die Last wird eine pulsweitenmodulierte Spannung angelegt und der Effektivwert der angelegten pulsweitenmodulierten Spannung so gewählt, dass sich ein mechanischer Schaltzustand der Last nicht ändert. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Ausgabemodul nach dem ersten Aspekt gelöst.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens stellt die Applikation Steuersignale an die Steuerungseinheit bereit.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Versorgung der Last mit elektrischer Betriebsenergie durch die Steuerungseinheit oder übergeordnete Steuerung gesteuert.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Last durch die Steuerungseinheit oder die übergeordnete Steuerung elektrisch eingeschaltet oder abgeschaltet.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der zeitliche Verlauf der Stromwerte und der Spannungswerte an der Last erfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausgabemoduls für eine industrielle Steuerung;
2 eine weitere schematische Darstellung eines Ausgabemoduls für eine industrielle Steuerung;
3 eine weitere schematische Darstellung eines Ausgabemoduls für eine industrielle Steuerung; und 4 ein Blockdiagramm des Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausgabemoduls 100. Das Ausgabemodul 100 ist ein Teil eines Steuersystems 200 für eine industrielle Steuerung. Das Ausgabemodul umfasst eine Erfassungseinheit 101 zum elektrischen Erfassen von Stromwerten und Spannungswerten einer angeschlossenen Last 103. Der Spannungswert ist der Spannungsabfall über die Last 103. Der Stromwert ist der Strom, der durch die Last 103 fließt. Die Last ist beispielswese ein elektrischer Aktor, der durch das Ausgabemodul 100 bedient oder gesteuert wird. Die Last 103 ist über die Erfassungseinheit 101 mit der Energieversorgung 121 verbunden.
Die Erfassungseinheit 101 kann digitale Werte für den aktuellen Strom- und Spannungswert der Last 103 bereitstellen und über eine Datenverbindung an eine Berechnungseinheit 105 übermitteln. Alternativ kann die Erfassungseinheit 101 analoge Werte für den aktuellen Strom- und Spannungswert der Last 103 bereitstellen und an einen Eingang eines Analog-Digital-Wandlers der Berechnungseinheit 105 übermitteln. Bei einem analogen Wert für den aktuellen Stromwert der Last 103 kann es sich zum Beispiel um eine Spannung handeln, die proportional zum Stromwert der Last 103 ist und an einem Messwiderstand für den Strom abfällt. Die Berechnungseinheit 105 wird beispielsweise durch einen Mikrocontroller gebildet und dient zum Verarbeiten der empfangenen Strom- und Spannungswerte. Des Weiteren ist die Berechnungseinheit 105 in der Lage, unterschiedliche Applikationen 109-1, ... 109-N auszuführen. Die Applikationen 109-1, ... 109-N sind digitale Programme, die von der Berechnungseinheit 105 ausgeführt werden können.
Ein Programmspeicher 107 dient zum Speichern und Laden dieser Applikationen 109-1, ... 109-N. Die tatsächlich verwendete Applikation 109-1 kann aus einer Menge an Applikationen 109-1, ... 109-N ausgewählt werden. Über eine digitale Schnittstelle 115 in ein Datennetz, wie beispielsweise dem Internet, können die Applikationen 109-1, ... 109-N im Programmspeicher 107 um zusätzliche Applikationen 109-1, ... 109-N erweitert werden oder bestehende Applikationen 109-1, ... 109-N können ersetzt werden. Der Programmspeicher 107 ist beispielsweise ein wahlfreier Zugriffsspeicher (Random Access Memory - RAM) oder ein nichtflüchtiger Speicher, wie beispielsweise ein Flash-EEPROM.
Die Applikationen 109-1, ... 109-N sind ausgebildet, die digitalen Strom- und Spannungswerte auszuwerten, um physikalische Zustände in Zusammenhang mit der Last 103 zu ermitteln, und das Auswertungsergebnis an eine Steuerungseinheit 111 oder an eine übergeordnete Steuerung 113 zu übermitteln. Zu diesem Zweck werden die Strom- und Spannungswerte der jeweiligen Applikation 109-n als Eingangsparameter übergeben. Nach der Verarbeitung der Strom- und Spannungswerte gibt die ausgewählte Applikation 109-n das Auswertungsergebnis als Ausgabeparameter aus. Zudem können die Applikationen 109-1, ... 109-N auch aktiv die Steuerungseinheit 111 betätigen, um die physikalischen Zustände erst ableiten zu können.
Die Last 103 ist beispielsweise eine Ventilspule, ein Piezo-Aktor eines Ventils oder eines Ventils von einer Modulreihenanordnung mit mehreren Steuermodulen und Ventilen (Ventilinsel). Die Erfassungseinheit 101 und der Transistor 127 sind jeweils für jede Last 103 vorhanden. Die Ventile können durch elektrische Magnetventile für eine pneumatische Steuerung gebildet sein. Eine Spule 117 des Magnetventils kann optional durch eine Freilaufdiode 119 abgesichert sein. Im Allgemeinen kann die Last 103 jedoch auch durch andere elektrische Vorrichtungen gebildet sein, die durch das Ausgabemodul 100 gesteuert werden sollen. Eine Spannungsversorgung ist über einen Transistor 127 mit der Spule 117 des Ventils 103 verbunden. Der Transistor 127 wird von der Steuerungseinheit 111 geschaltet. Im Allgemeinen können jedoch auch andere Schalteinrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise eine H-Brücke.
Weist der Mikrocontroller der Berechnungseinheit 105 2m Ein- und m Ausgänge auf, so können m Lasten über Transistoren 127 auf Basis einer jeweiligen Strom- und Spannungserfassung bedient werden. Bei bistabilen Ventilen als Last 103, die mit zwei Magnetspulen betrieben werden, wird jede Spule 117 einzeln gesteuert.
Ohne Hardware austauschen zu müssen, können so verschiedenste Funktionalitäten für eine industrielle Steuerung realisiert werden. Durch die Applikationen 109-1, ... 109-N in dem Ausgabemodul 100 können daher unterschiedliche Funktionalitäten realisiert werden, die auf einer Messung von Strom- und Spannungswerten und der Modulation (gezielten An- und Ausschaltung des Transistors) der Spannungsversorgung basieren und über das Anlegen einer Spannung an die Last 103 hinausgehen.
Dabei kann die Steuerungseinheit 111 an den Transistor 127 Steuersignale bereitstellen, die nicht oder zumindest nicht primär dazu dienen, einen Schaltzustand der Last 103 zu verändern, sondern die Messung eines physikalischen Zustands der Last 103 zu begünstigen. Sofern es sich bei der Last 103 um eine Ventilspule handelt, kann der Last 103 im ausgeschalteten Zustand der Ventilspule lediglich eine geringe Energiemenge zur Verfügung gestellt werden, so dass das Ventil zwar ausgeschaltet bleibt, aber dennoch mittels der erfassten Strom- und Spannungswerte an der Last 103 eine physikalische Eigenschaft der Last 103 bestimmt werden kann. In ähnlicher Weise kann im eingeschalteten Zustand der Ventilspule deren Energieversorgung lediglich kurz unterbrochen werden, so dass das Ventil zwar eingeschaltet bleibt, aber dennoch mittels der erfassten Strom- und Spannungswerte an der Last 103 eine physikalische Eigenschaft der Last 103 bestimmt werden kann.
Beispielsweise kann durch die Steuerungseinheit 111, die Last 103 mit einer pulsweitenmodulierten Spannung auf der Basis des Auswertungsergebnisses versorgt werden und eine Stromregelung für die Last 103 erreicht werden. Die Kraft des magnetischen Aktors eines Magnetventils wird beispielsweise durch das von der Spule 117 erzeugte Magnetfeld bestimmt und ist damit nicht von der Spannung an der Spule 117, sondern vom Strom durch die Spule 117 abhängig. Um die Stromänderungen durch eine Temperaturänderung zu verhindern, die eine Änderung des Spulenwiderstands bewirkt, kann eine stromgeregelte Steuerung des Ventils erfolgen. Diese stromgeregelte Steuerung wird durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N mittels einer Pulsweitenmodulation bewirkt.
Des Weiteren kann durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N eine Spulentemperaturüberwachung implementiert werden. Zu diesem Zweck wird der elektrische Spulenwiderstand anhand der Strom- und Spannungswerte bestimmt. Die Temperatur in der Spule 117 kann dann auf Basis des Spulenwiderstands ermittelt werden. Steigt der Spulenwiderstand, so liegt eine wärmere Spule 117 vor als bei niedrigerem Spulenwiderstand. Auf diese Weise können Überhitzungen verhindert werden, die zu Schäden an der Last 103 oder der Spule 117 führen.
Des Weiteren kann durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N eine Kurzschluss-, Kabelbruch- und/oder Windungskurzschlusserkennung implementiert werden. Hierzu wird beispielsweise ein geringer Strom, der durch einen kurzen Strompuls erzeugt wird, durch die Spule 117 ausgenutzt, um zu überprüfen, ob das Ventil elektrisch korrekt kontaktiert ist, ohne das Ventil zu betätigen. Die Last 103 wird kurzzeitig mit der Energieversorgung 121 verbunden. Wird ein Stromsignal gemessen, so kann aus der Gestalt des Stromsignals auf die korrekte elektrische Kontaktierung geschlossen werden ohne das Ventil zu betätigen. Ist dies der Fall, so liegt keine Unterbrechung der elektrischen Schaltung vor.
Des Weiteren kann durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N eine sensorlose Schaltzustandserkennung des Ventils implementiert werden. Basierend auf der Überwachung der Spuleninduktivität mittels der Strom- und Spannungswerte kann die Schaltstellung des Ventils überwacht werden, da sich die Induktivität der Spule 117 je nach Position des Ankers ändert. Die Messung der Induktivität kann beispielsweise über die Messung des Blindwiderstands oder die Auswertung des Stromverlaufs bei sprunghafter Änderung der Versorgungsspannung geschehen.
Des Weiteren kann durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N eine sensorlose Schalterkennung des Ventils implementiert werden. Basierend auf der Überwachung des Stromeinbruchs bei der Bewegung des Ankers kann die Schaltung des Ventils überwacht werden. Dies basiert auf der durch die Bewegung des Ankers induzierte Gegenspannung, die eine Änderung des Stromsignals zur Folge hat. Eine sensorlose Schalterkennung kann zudem über die Auswertung des verketteten Flusses erfolgen, der durch Integration der Strom- und Spannungswerte bestimmt wird, ohne diesen mittels eines zusätzlichen Sensors messen zu müssen. Vorteil dieser Methode ist, dass einerseits die Bewegung eines Ankers erkannt werden kann, andererseits der verkettete Fluss nach Erreichen des Sollstroms je nach Schaltstellung einen anderen Wert erreicht.
Des Weiteren kann durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N eine Haltestromabsenkung implementiert werden. Die Haltestromabsenkung kann mittels einer pulsweitenmodulierten Steuerung realisiert werden. Nach Erkennung des Schaltens des Ventils, beispielsweise durch eine sensorlose Schalterkennung, wird die Haltestromabsenkung aktiviert.
Des Weiteren kann durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N eine Verschleißerkennung (Condition Monitoring) implementiert werden. Die Strom- und Spannungswerte und daraus abgeleitete Werte werden über die Zeit beobachtet. Eine Abweichung dieser Werte von ursprünglichen Werten zeigt eine Veränderung des Aktors und kann als Verschleiß der Last 103 gedeutet werden. Beispielsweise kann der Stromverlauf beim Einschalten der Last 103 ausgewertet werden, um Aussagen über den Verschleißzustand treffen zu können.
Des Weiteren kann durch eine der Applikationen 109-1, ... 109-N eine vorbeugende Wartung implementiert werden. Ähnlich wie bei der Verschleißerkennung werden auch hier Strom- und Spannungswerte und gegebenenfalls weitere Messwerte aufgezeichnet. Beispielsweise über Modellbildung oder Deep-Learning-Algorithmen wird aus den aktuellen Messwerten auf die zukünftige Entwicklung extrapoliert und so ein Ausfall der Last 103 vorhergesagt.
Alle aufgeführten Funktionalitäten beruhen auf der Auswertung von Strom- und Spannungswerten und können mit dem Ausgabemodul 100 softwaremäßig über eine jeweils geeignete Applikationen 109-1, ..., 109-N realisiert werden. Dazu wird eine ausreichende zeitliche und messtechnische Auflösung der Datenerfassung in der Erfassungseinheit 101 und der Berechnungseinheit 105 realisiert. Zudem können alle weiteren Funktionalitäten, die auf der Auswertung von Strom- und Spannungswerten basieren, ebenfalls anhand geeigneter Applikationen 109-1, ..., 109-n realisiert werden.
Der Benutzer kann daher, ohne Veränderungen an der Hardware vornehmen zu müssen, verschiedene Funktionalitäten realisieren und diese speziell auf eine aktuelle Anwendung optimieren. Für das nachträgliche Laden von Applikationen 109-1, ..., 109-N mit neuen Funktionalitäten kann eine Verbindung des Ausgabemoduls 100 mit einem Netzwerk vorgesehen sein. Die Applikationen 109-1, ..., 109-N können im Internet über einen App-Store heruntergeladen werden. Hierbei können Pricing- und Service- und Marketing-Modelle eingesetzt werden.
Mittels des Ausgabemoduls 100 können zusätzlich eine Anbindung an einen Datenspeicher im Internet (Cloud), ein Deep-Learning, eine Flottenüberwachung und weitere Internet-of-Things-Ansätze realisiert werden, ohne zusätzliche Hardware oder Sensorik an der Last 103 anbringen zu müssen.
2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Ausgabemoduls 100 für eine industrielle Steuerung 300. Die Bezugszeichen entsprechen denjenigen aus 1. Die Applikationen 109 übermitteln ein Steuersignal an die Steuerungseinheit 111. Die Berechnungseinheit 105 übermittelt ein Ergebnis an die Steuerungseinheit 111, die wiederum die Ansteuermittel 131 umfasst. Die Steuerungseinheit 111 umfasst beispielsweise eine Leistungselektronik mit Feldeffekttransistoren und kann eine ein- und ausschaltbare pulsweitenmodulierte Spannung zum Steuern der Last erzeugen. Hierdurch kann beispielsweise eine Regelung auf eine Aktorstellung durchgeführt werden, bei der sich die Regelungsschleife innerhalb des Ausgabemoduls 100 befindet.
Daneben ist eine Energieversorgung 121 vorgesehen, die die elektronischen Komponenten mit elektrischer Energie versorgt. Die Energieversorgung 121 kann beispielsweise durch ein Netzteil gebildet sein oder durch eine Batterie.
Die Erfassungseinheit 101, die Berechnungseinheit 105, der Programmspeicher 107, die Steuerungseinheit 111 sind jeweils durch elektrische Schaltungen gebildet, durch die die entsprechenden Funktionen implementiert werden können. Die Steuerungseinheit 111 und die Berechnungseinheit 105 können mittels eines gemeinsamen Mikroprozessors realisiert sein, in dem auch der Programmspeicher 107 oder Teile des Programmspeichers 107 enthalten sein können.
3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Ausgabemoduls 100 für eine industrielle Steuerung 300. In diesem Fall übermittelt die Berechnungseinheit 105 das Ergebnis an die übergeordnete Steuerungseinheit 113, die Bestandteil einer industriellen Steuerung 300 ist. Die industrielle Steuerung 300 ist beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die zur Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert wird.
Die industrielle Steuerung verarbeitet das Ergebnis und übermittelt ein Steuersignal an die Steuerungseinheit 111. Die Steuerungseinheit 111 übermittelt ein Ansteuersignal an ein Ansteuermittel 131. Das Ausgabemodul wird von der übergeordneten Steuerung 113 angesteuert oder befehligt. Durch eine Brückenschaltung (H-Brücke) beim Ansteuermittel 131 kann die Last 103 nicht nur ein- und ausschaltet werden, sondern auch eine Polarität der Spannung an der Last 103 umgedreht werden. Neben dem Programmspeicher 107 umfasst das Ausgabemodul 100 noch einen Referenzdatenspeicher 123, in dem lastspezifische Daten als Referenzdaten gespeichert sind, beispielsweise zur Berechnung der Temperatur oder eines „gut“-Zustands. Referenzdaten definieren den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an der Last 103 und der zu bestimmenden physikalischen Eigenschaft. Die Referenzdaten können über die digitale Schnittstelle von einem externen Speicher abgerufen werden.
Die Applikationen 109-1, ..., 109-N, Referenzdaten und Betriebsdaten können aus einem externen Datenspeicher 133 abgerufen werden, der zusätzlich eine weitere Berechnungseinheit umfassen kann. Der externe Datenspeicher 133 ist beispielsweise ein Cloud-Speicher und drahtgebunden oder über Funk mit der Berechnungseinheit 105 verbunden. Die Berechnungseinheit des externen Datenspeichers 133 kann zusätzliche Berechnungen anhand der erfassten Strom- und/oder Spannungswerte ausführen. Zu diesem Zweck werden diese Werte an den externen Datenspeicher 133 übermittelt. Zudem besteht zwischen dem externen Datenspeicher 133 und der industriellen Steuerung 300 ein weiterer Datenkanal.
4 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens zum Durchführen einer industriellen Steuerung. Das Verfahren umfasst den Schritt S101, bei dem eine Applikation 109-n aus einer Menge von Applikationen 109-1, ... 109-N ausgewählt und die Applikation in den Programmspeicher 107 geladen wird. Weiter umfasst das Verfahren den Schritt S102 eines elektrischen Erfassens von Stromwerten und Spannungswerten der angeschlossenen Last 103 und den Schritt S103 eines Verarbeitens der erfassten Strom- und Spannungswerte durch die Berechnungseinheit 105. In Schritt S104 werden die Strom- und Spannungswerte durch die ausgewählte Applikation ausgewertet, um physikalische Zustände in Zusammenhang mit der Last zu ermitteln. In Schritt S105 wird das Ergebnis der Auswertung an die Steuerungseinheit 111 oder eine übergeordnete Steuerung 113 übermittelt. Die Steuerungseinheit 111 oder eine übergeordnete Steuerung 113 können auf Basis des Ergebnisses der Auswertung eine Steuerung der Last 103 durchführen. Die Applikation 109-n kann auch geladen werden, bevor die Strom- und Spannungswerte der angeschlossenen Last 103 erfasst werden und die Messung der Strom- und Spannungswerte veranlassen, so dass es auf die Reihenfolge der Schritte nicht ankommt.
Mit dem Verfahren und dem Ausgabemodul 100 wird die Hardware für viele unterschiedliche Funktionalitäten der industriellen Steuerung vereinheitlicht. Außerdem wird dem Benutzer die Möglichkeit gegeben, Funktionalitäten entsprechend den aktuellen Anforderungen der industriellen Steuerung als Applikationen 109-1, ... 109-N zu laden. Ändert sich die Anlage oder wird beispielsweise eine zusätzliche Überwachung oder Auswertung gewünscht, so kann ohne Veränderung der Hardware des Ausgabemoduls 100 die betreffende Funktionalität nachgeladen werden. Das Ausgabemodul 100 kann sowohl bei der Steuerung von Ventilen auf einer Ventilinsel als auch für die Ansteuerung einzelner Magnetventile Verwendung finden.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Bezugszeichenliste

100: Ausgabemodul
101: Erfassungseinheit
103: Last
105: Berechnungseinheit
107: Programmspeicher
109-n: Applikation
111: Steuerungseinheit
113: Übergeordnete Steuerung
115: Schnittstelle
117: Spule
119: Freilaufdiode
121: Energieversorgung
123: Referenzdatenspeicher
127: Transistor
131: Ansteuermittel
133: Datenspeicher
200: Steuersystem
300: Industrielle Steuerung

Claims

Ausgabemodul (100) für eine industrielle Steuerung (300), mit: einer Erfassungseinheit (101) zum elektrischen Erfassen von Stromwerten und/oder Spannungswerten einer angeschlossenen Last (103), die einen Aktor eines Ventils umfasst; einer Berechnungseinheit (105) zum Verarbeiten der erfassten Strom- und/oder Spannungswerte; und einem Programmspeicher (107) zum Laden von Applikationen 109-n, die aus einer Menge von Applikationen (109-1, ... 109-N) ausgewählt werden können; wobei die Applikationen (109-1, ... 109-N) ausgebildet sind, die Strom- und Spannungswerte auszuwerten, um einen physikalischen Zustand in Zusammenhang mit der Last (103) zu ermitteln, und ein Auswertungsergebnis an eine Steuerungseinheit (111) und/oder an eine übergeordnete Steuerung (113) und/oder einen externen Datenspeicher (133) zu übermitteln und die Steuerungseinheit (111) ausgebildet ist, an die Last (103) eine pulsweitenmodulierte Spannung anzulegen und einen Effektivwert der angelegten pulsweitenmodulierten Spannung so zu wählen, dass sich ein mechanischer Schaltzustand der Last (103) nicht ändert.
Ausgabemodul (100) nach Anspruch 1, wobei das Ausgabemodul (100) die Steuerungseinheit (111) umfasst, um die angeschlossene Last (103) zu steuern.
Ausgabemodul (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Applikationen (109-1, ... 109-N) ausgebildet sind, Steuersignale an die Steuerungseinheit (111) bereitzustellen.
Ausgabemodul (100) nach Anspruch 3, wobei die Steuersignale dazu dienen, den physikalischen Zustand der Last (103) zu ermitteln, ohne die Last (103) ein- oder abzuschalten.
Ausgabemodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit (111) ausgebildet ist, die Last (103) elektrisch einzuschalten oder abzuschalten.
Ausgabemodul (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinheit (101) ausgebildet ist, den zeitlichen Verlauf der Stromwerte und Spannungswerte an der Last (103) zu erfassen.
Ausgabemodul (100) nach Anspruch 6, wobei die Applikationen (109-1, ... 109-N) ausgebildet sind, den zeitlichen Verlauf der Strom- und Spannungswerte auszuwerten.
Steuersystem (200) für eine industrielle Steuerung (300), mit: einem Ausgabemodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und einer übergeordneten Steuerung (113) zum Steuern des Ausgabemoduls (100).
Steuersystem (200) nach Anspruch 8, wobei das Steuersystem (200) eine Last (103) umfasst.
Steuersystem (200) nach Anspruch 9, wobei die Last (103) Teil einer Modulreihenanordnung ist.
Verfahren zum Durchführen einer industriellen Steuerung, mit den Schritten: Auswählen (S101) einer Applikation (109-1, ... 109-n) aus einer Menge von Applikationen (109-1, ... 109-n) und Laden der Applikation (109-1, ... 109-n) in einen Programmspeicher (107) ; elektrisches Erfassen (S102) von Stromwerten und/oder Spannungswerten einer angeschlossenen Last (103), die einen Aktor eines Ventils umfasst; Verarbeiten (S103) der erfassten Strom- und/oder Spannungswerte; Auswerten (S104) der Strom- und/oder Spannungswerte durch die ausgewählte Applikation (109-n), um physikalische Zustände in Zusammenhang mit der Last (103) zu ermitteln; und Übermitteln (S105) eines Auswertungsergebnisses an eine Steuerungseinheit (111) und/oder eine übergeordnete Steuerung (113) und/oder einen externen Datenspeicher (133). wobei an die Last (103) eine pulsweitenmodulierte Spannung angelegt wird und der Effektivwert der angelegten pulsweitenmodulierten Spannung so gewählt wird, dass sich ein mechanischer Schaltzustand der Last nicht ändert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Applikation (109-1, ... 109-N) Steuersignale an die Steuerungseinheit (111) bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Versorgung der Last (103) mit elektrischer Betriebsenergie durch die Steuerungseinheit (111) oder übergeordnete Steuerung (113) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Last (103) durch die Steuerungseinheit (111) oder die übergeordnete Steuerung (113) elektrisch eingeschaltet oder abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der zeitliche Verlauf der Stromwerte und Spannungswerte an der Last (103) erfasst wird.