DE102018208788A1 - Übertragungsverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Erfassung und Übertragung zumindest einer zeitlich veränderlichen, charakteristischen Größe (2,3,4,5,6) eines mechatronischen Systems (1), mit zumindest einer Maschinensteuerung (7) und zumindest einer damit verbundenen, mechatronischen Komponente (8,9,10,11,34), zwischen der Maschinensteuerung (7) und zumindest einem Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) eines Netzwerkes (17), wobei die Maschinensteuerung (7) die charakteristische Größe (2,3,4,5,6) des mechatronischen Systems (1) mit einem zugehörigen, aktuellen Zeitwert (18) erfasst und an den Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) überträgt. Um die Datenqualität zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Maschinensteuerung (7) aus der charakteristischen Größe (2,3,4,5,6) und dem zugehörigen Zeitwert (18) einen konsistenten Datensatz (19) generiert, den Datensatz (19) zur Laufzeit, insbesondere zyklisch und/oder fortlaufend, aktualisiert und bereitstellt und den Datensatz (19) unter Verwendung eines vorbestimmten Datenaustauschstandards mit jeweils einem Übertragungs-Identifikator (20) des Datenaustauschstandards an den Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) überträgt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung jeweils computerimplementierte, konsistente Zustandsdaten und/oder Prozessdaten bzw. jeweils eine entsprechende Datenstruktur nach Anspruch 16. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen maschinenlesbaren Datenträger nach Anspruch 18, eine Maschinensteuerung nach Anspruch 19, ein Computerprogrammprodukt für eine Rechnereinrichtung nach Anspruch 20 sowie einen Funktionsbaustein oder mehrere Funktionsbausteine einer speicherprogrammierbaren Maschinensteuerung nach Anspruch 21.
• Ein oben genanntes Verfahren ist aus der DE 102014203428A1 bekannt. In der genannten Druckschrift wird eine zeitlich veränderliche, charakteristische Größe eines mechatronischen Systems erfasst. Es handelt sich dabei beispielsweise um einen über eine CNC erfassten Positionswert, der von einer Werkzeugmaschine stammt. In dieser Druckschrift ist die Steuerung (CNC) der Server, und ein Industrie-PC, beispielsweise einer Leitebene, stellt den Client dar, an den die Positionsdaten übertragen werden. Die Positionswerte können gemäß diesem Stand der Technik neben der Position auch weitere Daten, wie zum Beispiel Zeitstempel, enthalten, sie werden also mit einem zugehörigen, aktuellen Zeitwert erfasst und an einen Netzwerkteilnehmer, dort Client genannt, übertragen.
• Die genannte Druckschrift sieht jeweils Takte zur Erfassung, Zwischenspeicherung und Übertragung vor. Dabei werden diese 3 unterschiedlichen Takte berücksichtigt und die Daten zweifach zwischengespeichert, bevor sie übertragen werden können. Dieses Vorgehen weist eine erhebliche Komplexität auf; trotzdem kann es vorkommen, dass keine durchgängige Aktualität, Vollständigkeit und Zusammenhang der übertragenen Daten/Zeitstempel gleichzeitig gegeben sind.
• Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, die Datenqualität der aus einer Maschinensteuerung übertragenen Daten bei einem hohen Maß an Interoperabilität zu erhöhen. Außerdem ermöglicht es die Erfindung, auf einfache Weise sehr systemtreue Daten, eine hohe Datenverfügbarkeit sowie eine universelle Einsetzbarkeit zu gewährleisten.
• Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, computerimplementierte Daten bzw. computerimplementierte Datenstrukturen nach Anspruch 16, einen maschinenlesbaren Datenträger nach Anspruch 18, eine Maschinensteuerung nach Anspruch 19, ein Computerprogrammprodukt für eine Rechnereinrichtung nach Anspruch 20 sowie durch einen Funktionsbaustein oder mehrere Funktionsbausteine einer speicherprogrammierbaren Maschinensteuerung nach Anspruch 21.
• Die Erfindung hat erkannt, dass ein in einer Maschinensteuerung erzeugter, konsistenter Datensatz aus der charakteristischen Größe mit ihrem zugehörigen Zeitwert kontinuierlich aktualisiert und bereitgestellt werden kann, wobei durch die Zusammenfassung und Übertragung der entsprechenden, konsistenten Daten, eine hohe Datenqualität gewährleistet wird. Die Erfindung erreicht dies durch zusätzliche Verwendung von allgemein verfügbaren Mechanismen eines standardisierten Datenaustauschformats, der asynchron arbeitende Übertragung unterstützt. Da der Netzwerkteilnehmer, an den eine solche Übertragung adressiert ist, dazu eingerichtet ist, erfindungsgemäße Übertragungen gemäß dem oben beschriebenen Datenaustausch zu empfangen, ist eine hohe Universalität und Interoperabilität der Erfindung gewährleistet. Durch diese Maßnahmen erreicht es die Erfindung, systemtreue Daten des mechatronischen Systems universell auszulesen, zur Verfügung zu stellen und zu übertragen. Die Verwendung eines Datenaustauschstandards, der asynchron arbeitende Übertragung unterstützt, gewährleistet, dass auch nicht echtzeitfähige, nicht deterministische, insbesondere asynchrone Kommunikation verwendet werden kann, um konsistente Daten bereitzustellen und zu übertragen. Allerdings ist die Erfindung dadurch nicht auf eine asynchrone Übertragung eingeschränkt, sondern unterstützt diese. Es kann auch synchrone Übertragung erfolgen, insbesondere in Echtzeit. Beide Einheiten, Maschinensteuerung und Netzwerkteilnehmer, unterstützen den Datenaustauschstandard und verstehen diesen, d.h. können Daten in diesem Standard verarbeiten, und zwar im erforderlichen Umfang.
• Erfindungsgemäß generiert die Maschinensteuerung zunächst aus der charakteristischen Größe und ihrem zugehörigen Zeitwert einen konsistenten Datensatz. Die charakteristische Größe ist vorzugsweise eine auf das mechatronische System bezogene und/oder in dem mechatronischen System erzeugte, gemessene oder auf andere Weise ermittelte, zeitlich veränderliche Größe. Bei der Größe kann es sich um einen Zahlenwert, generell um einen im mechatronischen System ermittelten Wert, ein Datum (im Sinne von Computerdaten, nicht unbedingt im Sinne eines kalendarischen Datums), oder eine Information oder sonstige das mechatronische System betreffende Angabe handeln. Insbesondere kommen für erfindungsgemäß relevante, charakteristische Größen elektrische, physikalische, mechanische, hydraulische, pneumatische, kinematische, informationstechnische und sonstige oder aus solchen Größen zusammengefasste, kombinierte oder aus solchen oder ähnlichen Größen abgeleitete, zum Beispiel rechnerisch ermittelte, Größen in Betracht. Da es sich um zeitlich veränderliche Größen handelt, ist es für eine verlässliche Aussage über das mechatronische System wesentlich, dass diese Größen konsistent erfasst, konsistent zusammengefasst und konsistent übertragen bzw. empfangen sowie konsistent weiterverarbeitet werden. Die charakteristische Größe kann beispielsweise ein Sensorwert, wie z.B. eine Temperatur, ein Geberwert, wie z.B. der Drehwinkel oder die Winkelgeschwindigkeit eines Rotors eines Elektromotors bzw. Servomotors, eine Achsposition einer (Linear- oder Rotations-) Achse oder ein Parameter oder ein anderer aktueller Wert sein, beispielsweise eine Zwischenkreisspannung oder ein Strom- oder Spannungsmesswert eines Elektromotors. Besonders vorteilhaft ist es, wenn konsistente Bahndaten einer Bearbeitungsmaschine, z.B. zur Überwachung, Simulation oder Animation ihres Betriebs, erfindungsgemäß bereitgestellt und übertragen werden.
• Der Zeitwert kann typischerweise einem Zeitstempel entsprechen, wie dieser bei Steuerungen oder Rechnereinrichtungen als beispielsweise aktueller Wert einer Systemzeit bzw. Systemclock vorgesehen ist. Der Zeitwert kann eine entsprechend abgestimmte Auflösung bzw. Genauigkeit aufweisen, so dass in Bezug auf eine typische, charakteristische Größe des mechatronischen Systems eine relevante, zeitliche Konsistenz erzielt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Auflösung bzw. Genauigkeit des Zeitwertes auf eine entsprechende Zeitkonstante abgestimmt ist, mit der sich die betreffende Größe zeitlich ändert. Es kann sich bei dem Zeitwert um einen absoluten Zeitwert, um einen System-Zeitwert, der vorzugsweise systemweit synchronisiert ist, um einen lokalen oder einen Komponenten-Zeitwert, aber auch um einen relativen Zeitwert handeln, der lediglich einen relativen Zeitbezug des mechatronischen Systems oder zwischen einzelnen Komponenten des mechatronischen Systems herstellt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Auflösung bzw. Genauigkeit des Zeitwertes, mit der dieser erfasst und übertragen wird, so hoch gewählt ist, dass für alle oder für ausgewählte Anwendungen oder Komponenten des mechatronischen Systems relevante, zeitliche Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden können.
• Ein konsistenter Datensatz wird aus der charakteristischen Größe und dem dazugehörigen Zeitwert insbesondere dadurch generiert, dass der Zusammenhang zwischen der charakteristischen Größe und dem dazugehörigen Zeitwert in dem Datensatz, insbesondere in der Struktur des Datensatzes, abgebildet ist. Die Konsistenz wird etwa dadurch gewährleistet, dass eine eindeutige, vollständige, permanente, deterministische und/oder sichere Zuordnung von Größe und zugehörigem Zeitwert bzw. zugehörigen Zeitwerten erfolgt. Die Erzeugung eines konsistenten Datensatzes kann - alternativ oder zusätzlich - bedeuten, dass die charakteristische Größe und/oder der zugehörige Zeitwert auch tatsächlich vorhanden und nicht leer (NULL) sind und/oder eine korrekte oder plausible Dimension, einen korrekten oder plausiblen Wert und/oder einen realen, von dem mechatronischen System stammenden Wert - und insbesondere nicht etwa einen beispielsweise automatisch generierten Vorschlagswert (DEFAULT) - enthalten. Da die erfindungsgemäß verwendete Maschinensteuerung mit dem mechatronischen System kommuniziert bzw. ein Teil des mechatronischen Systems ist, kann durch die Applikation immer erreicht werden, dass die Maschinensteuerung auch über entsprechende Angaben, Daten, Informationen oder Verbindungen zu den Komponenten des mechatronischen Systems verfügt, um diese Konsistenzinformationen zur Verfügung zu stellen.
• Der Datensatz wird erfindungsgemäß von der Maschinensteuerung zur Laufzeit der Maschinensteuerung aktualisiert und bereitgestellt. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass zyklisch und/oder fortlaufend mit beispielsweise einem Zyklustakt oder Synchronisationstakt der Maschinensteuerung die Größe mit dem Zeitwert aktualisiert, zu dem konsistenten Datensatz zusammengefasst und laufend zur Übertragung bereitgestellt bzw. bereitgehalten wird. Dadurch wird die Erfindung insbesondere weitgehend unabhängig von der Architektur und Charakteristik der zur Übertragung verwendeten Kommunikationsprotokolle. Durch die ständige, aktuelle Verfügbarkeit des konsistenten Datensatzes kann dieser jederzeit zur Übertragung abgerufen werden, wobei es etwa auf den Zyklustakt des jeweils verwendeten Übertragungsprotokolls nicht ankommt.
• Sowohl die erfindungsgemäße Maschinensteuerung als auch der Netzwerkteilnehmer, an den der konsistente Datensatz übertragen wird, können konform zu einem Datenaustauschstandard betrieben werden. Solch ein erfindungsgemäßer Datenaustauschstandard kann ein industrielles Kommunikationsprotokoll, beispielsweise ein Maschine-zu-Maschine-Kommunikationsprotokoll, wie OPC-UA sein. Dabei steht OPC-UA für Open Platform Communication - Unified Architecture. Mittels der OPC-UA wird eine Vernetzung verschiedenster Komponentenhersteller herstellerunabhängig ermöglicht. OPC-UA erweitert OPC um wesentliche Eigenschaften, wie beispielsweise die Übertragung von Semantikinformationen und die erweiterten Möglichkeiten zum Aufrufen von Methoden, und ermöglicht einen standardisierten und herstellerübergreifenden Datenaustausch zwischen verschiedenen Komponenten, und zwar unabhängig von Programmiersprache und Betriebssystem. OPC-UA verbindet über ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll und über standardisierte Schnittstellen sowie Funktionalitäten die Geräte verschiedener Ebenen der Automatisierungspyramide. Vor allem kann OPC-UA dem Austausch von Daten aus der Feldebene mit darüber liegenden Ebenen der Automatisierungspyramide dienen. So können über OPC-UA beispielsweise Daten aus einem Echtzeit-Bereich der Feldebene, in welchem die Feldgeräte über einen echtzeitfähigen Feldbus kommunizieren, zu einer Managementebene oder einer Steuerungsebene der Fabrikautomation übertragen werden, in der Planung, Ablaufsteuerung und Logistik bearbeitet werden. Beispielsweise ermöglicht die OPC-UA-Technologie eine einheitliche Vernetzung von Maschinensteuerungen, wie etwa von CNC-Steuerungen, Bewegungssteuerungen (Motion) für z.B. Verpackungsmaschinen oder Logiksteuerungen wie z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), mit den darüber liegenden Steuerungs- und Managementebenen. Wenn hierin Maschinensteuerung oder CNC genannt wird, ist dies stets als austauschbar mit allen vorgenannten Steuerungen anzusehen und umgekehrt.
• Die Ausführungen hierin zu OPC-UA gelten auch für andere Datenaustauschstandards, die für die Erfindung verwendet werden können. Hierin wird allerdings beispielhaft im Wesentlichen auf OPC-UA Bezug genommen, wobei OPC-UA in diesem Sinne austauschbar mit funktionsgleichen oder mit ähnlichen Datenaustauschstandards oder auch mit Kommunikationsprotokollen und -standards sein soll.
• OPC-UA unterstützt auch asynchron arbeitende Übertragung. Damit unterstützen auch die Maschinensteuerung und der Netzwerkteilnehmer entsprechend asynchrone Übertragungen und sind dazu eingerichtet, Übertragungen gemäß dem erfindungsgemäßen Datenaustauschstandard - OPC-UA - zu empfangen. Daher wird der Datensatz erfindungsgemäß unter Verwendung des vorbestimmten Datenaustauschstandards an den Netzwerkteilnehmer übertragen; dazu wird auf einen Übertragungs-Identifikator des Datenaustauschstandards zurückgegriffen. Durch die Verwendung des standardkonformen Übertragungs-Identifikators wird eine Übertragung mit standardkonformen Mitteln ermöglicht und hinsichtlich ihres Inhaltes und/oder ihres Ursprungs/Absenders und/oder hinsichtlich ihres Empfängers geleitet und/oder abgesichert. Ein solcher Übertragungs-Identifikator kann eine Identifikationsnummer (beispielsweise eine IP-Adresse) des Absenders bzw. des Empfängers aufweisen sowie einen Verbindungs-Identifikator (Verbindungs-Handle). Durch den Übertragungs-Identifikator wird der Datensatz und/oder dessen Quelle und/oder dessen Adressat und/oder dessen Inhalt bzw. dessen Bedeutung standardkonform verfügbar gemacht und ist damit im Netzwerkteilnehmer standardkonform verarbeitbar. Die Erfindung hat erkannt, dass die Verwendung eines solchen Übertragungs-Identifikators für die Übertragung von konsistenten Datensätzen eine bezüglich des zugrundeliegenden mechatronischen Systems sehr systemtreue Handhabung und Abbildung von Daten des mechatronischen Systems gewährleistet.
• Der Übertragungs-Identifikator identifiziert beispielsweise den Absender (etwa die Maschinensteuerung bzw. den Maschinenmaster); es kann sich dabei aber - alternativ oder zusätzlich - auch um einen Identifikator einer logischen Einheit z.B. innerhalb der Maschinensteuerung, etwa im Sinne eines sogenannten Writers (des Moduls, das die Daten einschreibt bzw. liefert), handeln. Es wird ermöglicht, insbesondere zyklusgesteuert, taktgesteuert oder ereignisgesteuert, konsistente Datensätze bzw. Datenpakete einer Maschinensteuerung, auch einer Maschinensteuerung der Feldebene, an einen Server zu übertragen, insbesondere als Push-Nachrichten, also als für den Netzwerkteilnehmer bestimmte Nachrichten, ohne dass diese explizit vom Netzwerkteilnehmer angefordert wurden (entkoppelte Kommunikation).
• Insbesondere wird durch die Erfindung ein Datenaustauschstandard, der asynchron arbeitende Übertragung unterstützt, um einen standardkonformen Austausch von konsistenten Daten erweitert. Dazu wird steuerungsseitig auf global vorhandene Eigenschaften und Funktionalitäten von Maschinensteuerungen zurückgegriffen, die in einem mechatronischen System praktisch immer verfügbar sind; andererseits werden standardkonforme, universelle und insbesondere abgesicherte Übertragungsmechanismen gezielt eingesetzt. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn Daten aus einem Echtzeitbereich der Feldebene als konsistentes Datenpaket erfasst, zusammengefasst und in eine Nicht-Echtzeit-Ebene oberhalb der Feldebene in der Automatisierungspyramide übertragen werden müssen.
• Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die den Gegenstand der Erfindung nicht einschränken, sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Eine besonders systemtreue Abbildung wird durch die konsistenten Datensätze erreicht, wenn der Zeitwert einen - absoluten oder relativen - Zeitpunkt eines Datenzugriffs auf die zugehörige, charakteristische Größe aufweist. Der Zeitpunkt kann dabei in der Maschinensteuerung erfasst werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die entsprechende, charakteristische Größe nach ihrer Messung bzw. Erfassung einen geringen Zeitverzug bis zur Ankunft in der Maschinensteuerung und/oder ihrer konsistenten Bereitstellung aufweist. Ein solcher Zeitverzug kann - je nach Anwendung - zwischen 1-10 ms betragen und als konsistent angesehen werden. Diese Zeitkonstanten sind anwendbar bei Applikationen, die lediglich geringe bis mittlere Anforderungen an die Synchronisation stellen. Beispielsweise kommen dafür Verpackungsmaschinen, Abfüllanlagen oder Pressen in Betracht. Bei Anwendungen mit sehr kurzer Zeitkonstante und/oder hoher, zeitlicher Anforderungen und Dynamik kann ein solcher Zeitverzug auch lediglich zwischen 10-1000 µs betragen. Dies ist beispielsweise der Fall bei Bewegungsbahnen an Werkzeugmaschinen, wie diese beispielsweise von einer CNC-Steuerung gesteuert werden.
• Der Datenzugriff kann auch in der entsprechenden, mechatronischen Komponente mit einem Zeitstempel dieser mechatronischen Komponente versehen werden. Dann kann der aktuelle Zustandswert der Größe mit dem zugehörigen Zeitwert gemeinsam erfasst und an die Maschinensteuerung zur Bereitstellung bereits als Paket übergeben werden. Das hat den Vorteil, dass eine besonders zeitnahe, aktuelle Zuordnung und damit ein hohes Maß an Isochronität des erfassten Zeitwertes mit seinem charakteristischen Messwert bzw. mit seiner charakteristischen Größe erreichbar ist. Der Datenzugriff kann die aktuelle Messung bzw. den Messvorgang des entsprechenden Datums umfassen; je nach Anwendung kann der Datenzugriff auch die Übertragung bzw. der Empfang der charakteristischen Größe durch die Maschinensteuerung sein.
• Um die systemtreuen, konsistenten Datensätze effizient und/oder vollständig bzw. universell gültig auswerten zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Datensatz für jede enthaltene Größe eine charakteristische Auswerteangabe enthält, die insbesondere einen Konsistenzidentifikator und/oder eine Strukturangabe und/oder eine Datensatz-Strukturangabe und/oder einen Inhaltsbezeichner der betreffenden Größe umfasst. Dabei kann je Datensatz lediglich eine charakteristische Auswerteangabe vorgesehen sein, die für jede enthaltene Größe eine gültige Angabe enthält bzw. die lediglich eine für alle enthaltenen Größen des Datensatzes gültige Auswerteangabe aufweist. Alternativ kann der Datensatz bzw. kann die Datensatz-Struktur eine charakteristische Auswerteangabe für jede einzelne enthaltene Größe vorsehen. Dann ist beispielsweise bei enthaltenen, konsistenten Messwerten zu jedem Messwert eine individuelle Auswerteangabe enthalten, die beispielsweise eine Bedeutungsinformation der betreffenden Messgröße enthält.
• Insbesondere kann der erfindungsgemäß verwendete Datenaustauschstandard eine solche Auswerteinformation im Sinne einer Bedeutung oder Semantikinformation der betreffenden, konsistenten Datensätze unterstützen. Bei OPC-UA ist die Übertragung von Semantikinformationen standardmäßig unterstützt. Dies kann die Erfindung gezielt dazu verwenden, Bedeutungen von konsistent erfassten, aktualisierten und zwischen Maschinensteuerung und Netzwerkteilnehmer ausgetauschten Größen zu übermitteln. Dadurch wird die Weiterverarbeitung und finale Verwendung bzw. Auswertung von konsistent gehaltenen Datensätzen universell, herstellerunabhängig, interoperabel und standardkonform ermöglicht.
• Eine solche Auswerteangabe kann einen Konsistenzidentifikator umfassen, der Informationen zur Konsistenz der übertragenen Datensätze enthält; dies können Angaben sein, die die Konsistenz der Daten an sich betreffen (beispielsweise einen Bezeichner, der den übermittelten Datensatz als konsistenten Datensatz identifiziert), oder Angaben, die das Ausmaß oder den Umfang der einzelnen Aspekte der Konsistenz der Daten betreffen (beispielsweise einen Wert oder eine Angabe, der/die die Vollständigkeit, den Zusammenhang der Größen mit ihren entsprechenden Zeitwerten, die Richtigkeit der übermittelten Größen, die Validität der Größen, ihre Dimension, ein Konsistenz- oder Konfidenzintervall ihres Wertebereichs und/oder Ähnliches betrifft).
• Erfindungsgemäß kann als Auswerteangabe auch eine Strukturangabe und/oder eine Datensatz-Strukturangabe enthalten sein, die die Inhalte und die Anordnung der charakteristischen Größen und deren Zeitwerten innerhalb des übermittelten Datensatzes konkretisiert. Schließlich kann auch ein Inhaltsbezeichner der betreffenden Größe vorgesehen sein, der beispielsweise die Art der Größe, deren Dimension, Wertebereich, Variablen- bzw. Datentyp oder andere charakteristische, insbesondere informationstechnische Eigenschaften der Größe, umfasst.
• Wenn ein Datensatz einzeln übertragen wird, reduziert dies tendenziell die Dauer und die Komplexität des Übertragungsprozesses. Dann wird beispielsweise der aktualisierte, bereitgestellte Datensatz, der für die Datenübertragung zur Verfügung steht, als einzelner, konsistenter Datensatz an den Netzwerkteilnehmer übertragen. Dadurch kann fallweise erreicht werden, dass die Übertragungszeit insbesondere kürzer ist als eine Bereitstellungszeit eines konsistenten Datensatzes. Durch dieses Verhältnis von Übertragungszeit zu Bereitstellungszeit kann bereits erreicht werden, dass keine oder nur wenige Stati, Momentanwerte oder Abtastwerte der zu übertragenden Größen verloren gehen.
• Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass mehrere Größen mit ihren jeweils zugehörigen Zeitwerten und/oder mehrere Datensätze in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert und die zwischengespeicherten Daten/Datensätze gemeinsam, insbesondere in einem zusammenhängenden Übertragungsverbund und/oder Übertragungszyklus, aus dem Zwischenspeicher ausgelesen und übertragen werden. Dadurch ist ein hohes Maß an Aktualität und Vollständigkeit der übermittelten, konsistenten Datensätze erreichbar. Insbesondere wenn eine Übertragungszeit eine Bereitstellungszeit eines konsistenten Datensatzes übersteigen kann, wird durch die vorgeschlagene Ausgestaltung erreicht, dass möglichst wenige Datensätze bis keine Datensätze verloren gehen. Dadurch ermöglicht es die Erfindung, auch eine Übertragung mit relativ großer Zeitdauer eines Übertragungszyklus für die konsistente Bereitstellung von Maschinendaten zu verwenden. Auch Übertragungsprotokolle mit asynchronen oder nicht-echtzeitfähigen Mechanismen werden dadurch gezielt befähigt, konsistente Maschinendaten aktuell und mit möglichst hoher Abdeckung bzw. Vollständigkeit zur Verfügung zu stellen.
• Bei dem Zwischenspeicher handelt es sich vorzugsweise um einen Ringspeicher, der zyklisch befüllt und geleert wird. Der Zwischenspeicher kann auch nach dem FIFO-Prinzip (first-in-firstout) oder nach dem LIFO-Prinzip (last in first out) betrieben werden. Er kann vorzugsweise in der Maschinensteuerung integriert sein, sodass zwischen der Erfassung und der Übertragung der charakteristischen Größe in den Zwischenspeicher nur eine möglichst kurze Zeitspanne liegt.
• In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass nach der Übertragung der Zwischenspeicher - vorzugsweise vollständig - geleert wird. Dadurch kann ein Zwischenspeicher mit relativ geringer Speicherkapazität bereits ausreichen. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine verfügbare, auch reservierte, Größe des Zwischenspeichers anhand einer, insbesondere prädiktiven, Größenbestimmung der Datensätze und/oder anhand der Übertragungszeit und/oder der Übertragungszyklen und/oder des Übertragungsprotokolls dimensioniert ist. Eine typische Größe eines solchen Zwischenspeichers entspricht 2-10.000 Datensätzen, insbesondere 10-100 Datensätzen bei relativ kurzer Übertragungszeit und relativ schnellen Abfolge der Übertragungszyklen sowie 100-10.000 Datensätzen bei relativ langer Übertragungszeit und relativ langsamer Abfolge der Übertragungszyklen.
• Ein hohes Maß an Flexibilität bei der erfindungsgemäßen Verwendung der konsistent aufbereitet bereitgestellten Datensätze wird dadurch erreicht, dass zumindest ein Datensatz, insbesondere jeder Datensatz, weiter insbesondere gemeinsam mit seinem Übertragungs-Identifikator, in einem bezüglich der Maschinensteuerung statischen und/oder nicht temporären und/oder globalen Speicherbereich bereitgestellt und/oder zur Übertragung abgelegt ist. Dadurch ist informationstechnisch ein jederzeitiger Zugriff - beispielsweise unabhängig von der gerade in der Maschinensteuerung ablaufenden Funktion oder Prozedur - auf die konsistenten Datensätze möglich. Des Weiteren kann dadurch auch eine Modularisierung aller oder einiger ausgewählter Funktionalitäten erfolgen. So können die Funktionen der konsistenten Aufbereitung und Bereitstellung der Datensätze zur Übertragung einerseits und der Übertragung unter Verwendung des vorbestimmten Datenaustauschstandards mit jeweils einem Übertragungs-Identifikator andererseits jeweils als Module ausgebildet sein, die individuell verwendbar und bedarfsgemäß aufrufbar sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein etwa in Software verkörpertes Bereitstellungsmodul wie eine Komponente oder ein Baustein verwendet werden kann, an dessen Eingang die konsistent aufzubereitenden Daten und an dessen Ausgang die konsistent zusammengestellten Datensätze - insbesondere quasi permanent - anliegen und so dauerhaft und quasi kontinuierlich verfügbar sind. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.
• Die Erfindung weist bezüglich der Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit eine hohe Toleranz auf und ermöglicht es, die Konsistenz der übertragenen Datensätze auch dann funktionssicher zu erreichen, wenn eine Übertragungszeit eine Bereitstellungszeit übersteigen kann. Die Übertragungszeit entspricht dabei der Zeitdauer, die die Übertragung eines konsistenten Datensatzes oder mehrerer, gemeinsam - beispielsweise in einem Übertragungszyklus - übertragener, konsistenter Datensätze in Anspruch nimmt. Diese Zeitdauer kann von der Größe eines konsistenten Datensatzes oder der mehreren konsistenten Datensätze abhängen sowie von der verwendeten Kommunikationstechnologie, vom Kommunikationsprotokoll und insbesondere davon, ob eine asynchrone oder synchrone Übertragung stattfindet. Die Bereitstellungszeit entspricht der Zeitdauer, die die Erstellung eines oder mehrerer, konsistenter Datensätze aus der charakteristischen Größe und dem zugehörigen Zeitwert und die Aktualisierung und die Bereitstellung des Datensatzes/der Datensätze zur Laufzeit in Anspruch nimmt. Die Erfindung ermöglicht es, dass bei Überschreiten einer Bereitstellungszeit durch eine Übertragungszeit im konkreten Fall entweder der jeweils erfindungsgemäß zur Verfügung stehende bzw. bereitgestellte, aktuelle Datensatz gemäß Anspruch 4 übertragen wird. Dadurch ist gewährleistet, dass immer ein aktueller, konsistenter Datensatz übertragen werden kann. Alternativ kann eine konsistente Sequenz von unmittelbar aufeinanderfolgenden, konsistenten Datensätzen bei Andauern der Übertragungszeit gemäß Anspruch 5 oder 6 gepuffert und dann als Sequenz gemeinsam aus dem Puffer übertragen werden.
• Die Erfindung stellt selbst dann eine sichere, konsistente Übertragung von konsistenten Datensätzen zur Verfügung, wenn die Übertragung über ein asynchron arbeitendes Netzwerksegment und/oder asynchrones Netzwerkprotokoll erfolgt; dabei bedeutet asynchron insbesondere nicht in Echtzeit arbeitend und/oder nicht deterministisch und/oder asynchron zu dem Bearbeitungstakt der Maschinensteuerung. Davon kann sogar eine azyklische Übertragung umfasst sein. Dies wird dadurch erreicht, dass permanent ein konsistenter, aktueller Datensatz (an einem Ausgang) der Maschinensteuerung zur Verfügung steht bzw. „anliegt“.
• Die Erfindung wird weitgehend modularisierbar und dadurch flexibel verwendbar, dass ein individuell aufrufbares Bereitstellungsmodul der Maschinensteuerung aus der Größe und dem zugehörigen Zeitwert einen konsistenten Datensatz generiert und den Datensatz zur Laufzeit, insbesondere zyklisch und/oder fortlaufend, aktualisiert und bereitstellt. Solch ein Bereitstellungsmodul kann eine Hardwarekomponente einer Maschinensteuerung sein. Bevorzugt ist es, wenn das individuell aufrufbare Bereitstellungsmodul ein Software-Modul, beispielsweise eine Funktion, eine Prozedur oder ein Funktionsbaustein (siehe Ansprüche 20 und 21) ist. Ein solches Bereitstellungsmodul kann jederzeit aufgerufen bzw. angesprochen und damit in Funktion gesetzt werden. Dadurch wird die Funktionalität des Bereitstellungsmoduls jederzeit - auch unabhängig von der Übertragungsfunktion - verfügbar gemacht.
• Das im vorherigen Absatz Gesagte gilt sinngemäß auch dann, wenn ein individuell aufrufbares Übertragungsmodul der Maschinensteuerung vorgesehen ist, welches den Datensatz an den Netzwerkteilnehmer überträgt und welches insbesondere durch das Bereitstellungsmodul aufgerufen wird.
• Für die Modularisierung nach einem der Ansprüche 10 oder 11 kann die jeweilige Funktion als Funktionsbaustein einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) implementiert sein. Auch hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.
• Um die konsistenten Daten im Sinne einer besseren Nutzbarkeit oder Auswertbarkeit aufzubereiten und/oder die zu übertragende Datenmenge zu verkleinern bis zu minimieren, wird vorgeschlagen, dass Daten, insbesondere die Größe und/oder der Zeitwert und/oder der Datensatz, vor der Übertragung gefiltert werden/wird. Die Daten werden beispielsweise vor der konsistenten Bereitstellung, während der konsistenten Bereitstellung oder nach der Bereitstellung gefiltert. Sie können auch - insbesondere im Übertragungsmodul - als bereits zur Übertragung fertig gestellte Datensätze gefiltert werden. Dabei können Filterkriterien darin bestehen, dass lediglich gegenüber der vorherigen, abgetasteten Größe geänderte Größen oder um ein bestimmtes Maß geänderte Größen (beispielsweise im Sinne einer Mindestdifferenz) ausgefiltert werden.
• Die Datenkonsistenz über die gesamte Bearbeitungskette ist dadurch gewahrt, dass der Netzwerkteilnehmer aus dem empfangenen Datensatz die Größe mit ihrem zugehörigen Zeitwert und der Auswerteangabe konsistent extrahiert und teilnehmerintern bereitstellt. Die Extraktion und teilnehmerinterne Bereitstellung erfolgt vorzugsweise mit einer mit dem verwendeten Datenaustauschstandard konformen Methode, die auch in der Maschinensteuerung festgelegt oder durch einen standardkonformen Methodenaufruf durch die Maschinensteuerung in dem Netzwerkteilnehmer definiert und aufgerufen werden kann.
• Durch den Datenaustauschstandard können verschiedene Übertragungsarchitekturen bereitgestellt werden, die die Erfindung anwendungsspezifisch nutzt. Beispielsweise kann für die Übertragung eine Publish/Subscribe-Architektur des Datenaustauschstandards verwendet werden. Charakteristisch für eine solche Publish/Subscribe-Architektur ist es, dass der Publisher den oder die Subscriber nicht individuell adressiert und somit nicht unbedingt „kennt“.
• Erfindungsgemäß können konsistente Daten mit allen Vorzügen einer Publish/Subscribe-Architektur bereitgestellt werden (beispielsweise konsistente Daten gleichzeitig für eine Mehrzahl von Beziehern und/oder zyklisch zu verteilen), wenn der Netzwerkteilnehmer als mit dem Datenaustauschstandard konformer Bezieher konfiguriert ist und die Maschinensteuerung die Übertragung in Form von mit dem Datenaustauschstandard konformen Nachrichten vornimmt, die jeweils für eine flexible Anzahl von Beziehern vorgesehen sind, wobei der Netzwerkteilnehmer nach Maßgabe des Übertragungs-Identifikators seine zu beziehende Nachricht selektiv erhält oder auswählt und/oder den ihn interessierenden Datensatz anhand des Übertragungs-Identifikators aus einer Nachricht selektiv entnimmt.
• In der genannten Publish/Subscribe-Architektur nimmt die Maschinensteuerung (Publisher) die Übertragung in Form von mit dem Datenaustauschstandard konformen Nachrichten vor. Dabei werden die Daten mit Methoden oder Funktionalitäten, die in dem Datenaustauschstandard standardisiert sind, gekennzeichnet und übertragen. Solche Nachrichten sind jeweils für eine flexible Anzahl von Beziehern vorgesehen.
• Der Bezieher kann nach Maßgabe des Übertragungs-Identifikators seine zu beziehende Nachricht selektiv erhalten (z.B. bei Verwendung einer Publish/Subscribe-Architektur mit Unicast-Adressierung, siehe unten). Alternativ oder zusätzlich kann der Bezieher den ihn interessierenden Datensatz anhand des Übertragungs-Identifikators selektiv aus einer so identifizierten oder empfangenen Nachricht extrahieren (z.B. bei Verwendung einer Publish/Subscribe-Architektur mit Multicast-Adressierung, siehe unten).
• Bei der Unicast-Adressierung werden in einem Header (Bestandteil eines erfindungsgemäßen Übertragungs-Identifikators) einer Netzwerknachricht Absenderinformationen, wie etwa eine Publisher-ID, z.B. die Identifikation der absendenden Maschinensteuerung, eingeschrieben; außerdem kann der Übertragungs-Identifikator bei einer Unicast-Adressierung Informationen (z.B. IP-Adresse) des Empfängers bzw. Adressaten tragen, anhand derer die jeweilige Netzwerknachricht mit den konsistenten Daten zum jeweils vorgesehenen Adressaten geroutet wird. Vorzugsweise enthält eine solche Netzwerknachricht konsistente Daten nur für den vorgesehenen Adressaten, so dass für jeden Adressaten im Netzwerk eine eigene Unicast-Netzwerknachricht generiert, übertragen und entsprechend geroutet wird.
• Demgegenüber trägt eine erfindungsgemäße Netzwerknachricht bei der Multicast-Adressierung - ggf. neben den o.g. Absenderinformationen - konsistente Daten für mehrere Empfänger, so dass jede Netzwerknachricht an mehrere Netzwerkteilnehmer geroutet wird und anhand des Übertragungs-Identifikators der Netzwerkteilnehmer aus der Netzwerknachricht seine ihn betreffenden, konsistenten Daten extrahiert.
• Diese genannte Publish/Subscribe-Architektur basiert vorzugsweise auf einem UDP-Protokoll (User Datagram Protocol); durch die Verwendung dieses schlanken Netzwerkprotokolls, das keine individuellen bzw. etablierten und identifizierten Verbindungen zwischen Client (Maschinensteuerung) und Server (Netzwerkteilnehmer) benötigt und zur Transportschicht der Internet-Protokollfamilie gehört, ist es der Maschinensteuerung als Publisher ermöglicht, ihre konsistenten Datensätze als Nachrichten-Datagramme in IP-basierten Netzwerken zu versenden. Optional kann als zusätzliche, das Konsistenzniveau verbessernde Funktionalität des verwendeten Netzwerkprotokolls eine Integritätsprüfung - beispielsweise das Mitsenden einer Prüfsumme, deren Prüfinhalt auch die konsistenten Daten umfasst - zur Erkennung fehlerhafter und/oder nicht konsistenter Datensätze erfolgen.
• Alternativ sind der Netzwerkteilnehmer als Server und die Maschinensteuerung als Client einer individuellen, zwischen Netzwerkteilnehmer und Maschinensteuerung etablierten Server/Client-Kommunikationsverbindung konfiguriert und der Übertragungs-Identifikator umfasst einen Verbindungshandle des Datenaustauschstandards. Eine hierzu vorteilhaft nutzbare Übertragungsarchitektur, die von dem Datenaustauschstandard unterstützt wird, ist TCP (Transmission Control Protocol), vorzugsweise TCP/IP (IP=Internet Protocol). Es handelt sich dabei um ein universelles Transportprotokoll der Internet-Protokollfamilie, wobei die Identifikation der teilnehmenden Rechner über IP-Adressen erfolgt. In diesem Sinne wird der Maschinensteuerung und dem Netzwerkteilnehmer jeweils eine IP-Adresse zugeordnet, um die Verbindung zwischen diesen zur Übertragung von konsistenten Datensätzen herzustellen. Maschinensteuerung und Netzwerkteilnehmer stehen bei dieser Übertragungsarchitektur in ständigem (auch virtuellen) Kontakt miteinander und tauschen Kontrollmeldungen betreffend die Übertragung von Nachrichten aus. Insbesondere wird eine durch dieses Protokoll zur Verfügung gestellte Fehlerbehandlung und Flusssteuerung vorteilhaft durch die Erfindung genutzt, um eine fehlerfreie Übertragung von konsistenten Datensätzen zu gewährleisten.
• Im Falle dieser Client/Server-Architektur unter dem OPC-UA-Standard sind hierfür vor allem folgende Funktionsbausteine für die Verwendung mit der Erfindung vorgesehen (im Folgenden unter Bezugnahme auf den Standard PLCopen OPC-UA Client for IEC61131-3, Official Release Version 1.1, 2016, aufgeführt, der hierin hinsichtlich der Erfassung, Erzeugung, Bereitstellung, und Übertragung von konsistenten Daten/Datensätzen, die sich auf ein mechatronisches System beziehen, durch Bezugnahme vollständig integriert wird): Kapitel 5.1 bis 5.10 jeweils einschließlich, Kapitel 5.18: UA_ReadList und Kapitel 5.19: UA_WriteList; diese Punkte jeweils insbesondere bezogen auf Kommunikation zwischen einem Netzwerkteilnehmer als Server, der von der Maschinensteuerung (Client) zur Verfügung gestellte und übertragene, konsistente Datensätze erhält.
• Die eingangs genannten Aufgaben werden auch dadurch, zumindest teilweise, gelöst, dass die Erfindung computerimplementierte, konsistente Zustandsdaten und/oder Prozessdaten oder eine computerimplementierte, konsistente Zustandsdatenstruktur und/oder Prozessdatenstruktur eines mechatronischen Systems, insbesondere eines industriellen Automatisierungssystems, bereitstellt, welche von einer Maschinensteuerung des mechatronischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 15 bereitgestellt und an einen Netzwerkteilnehmer übertragen und dort empfangen und/oder ausgewertet worden sind. Solche Daten/Datenstrukturen bieten eine sehr systemtreue Repräsentation von Zuständen oder Prozessen des mechatronischen Systems. Auf diese Weise lässt sich mittels der erfindungsgemäßen Methode eine Momentaufnahme (Schnappschuss) von ausgewählten Systemgrößen oder eine Sequenz von solchen Momentaufnahmen als systemtreue Zeitentwicklung für weiter unten genannte Zwecke gewinnen.
• Informationstechnisch sind die Daten besonders effizient zu verarbeiten und zu analysieren, wenn ein zumindest zweidimensionales Datenfeld vorgesehen ist, mit einer Zeitdimension und einer Größenwerte-Dimension, welche als zusammengefasster Datensatz von der Maschinensteuerung übertragen worden sind, wobei die Zeitdimension konsistente Zeitwerte enthält und die Größenwerte-Dimension für das mechatronische System charakteristische, konsistente Größenwerte umfasst, die den Zeitwerten des Datenfeldes konsistent zugeordnet sind. Die Zeitwerte sind jeweils für sich genommen konsistent und/oder bezogen auf die jeweils zugeordneten Zustandsgrößen angeordnet. Diese Daten/Datenstruktur sind/ist bereits in der Maschinensteuerung angelegt oder durch den Netzwerkteilnehmer anhand des Übertragungs-Identifikators bei der Extraktion konstruiert oder rekonstruiert.
• Jede Verkörperung der Erfindung kann bei Inbetriebnahme, Reparatur, Wartung, Lebensdauer- oder Fehlerprognose, Zustandsbewertung, vorbeugender Wartung, Analyse, Simulation oder Animation eines mechatronischen Systems und/oder zumindest einer seiner Komponenten verwendet werden. Hierzu wird insbesondere ein maschinenlesbarer Datenträger und ein insbesondere transportabler, autonomer Datenträger oder integrierter Datenträger einer Rechnereinrichtung, mit darauf abgelegten Daten oder mit einer darauf abgelegten Datenstruktur nach Anspruch 16 oder 17 vorgeschlagen.
• Des Weiteren ist eine Maschinensteuerung umfasst, insbesondere eine speicherprogrammierbare Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen und die insbesondere in ein mechatronisches System integriert und/oder entsprechend konfiguriert und/oder programmiert ist. Hierzu ist vorteilhafterweise ein Computerprogrammprodukt für eine Rechnereinrichtung beansprucht, insbesondere für eine Maschinensteuerung, und weiter insbesondere ein Netzwerkteilnehmer, welcher bei Ausführung auf einer Rechnereinrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausführt.
• Eine modulare Anwendung für eine Vielzahl von Automatisierungsaufgaben wird ermöglicht, wenn ein Funktionsbaustein oder mehrere Funktionsbausteine einer speicherprogrammierbaren Maschinensteuerung dazu eingerichtet ist/sind, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen. Ein solcher Funktionsbaustein ist bevorzugt als Modul eingerichtet, ein Verfahren nach Anspruch 10 umzusetzen. Komplementär kann vorgesehen sein, dass ein Funktionsbaustein dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 11 umzusetzen. Solche Funktionsbausteine sind in einer SPS standardmäßig dazu vorgesehen, modular Funktionalitäten bereitzustellen, die global verfügbar sind und auf entsprechend spezifisch dedizierte und insbesondere reservierte Ressourcen, wie Speicherbereiche, der SPS exklusiv zuzugreifen. Solche Funktionsbausteine können herstellerseitig oder standardmäßig in einer Library oder einem Programmpaket zusammengefasst verfügbar gemacht werden.
• Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen grob schematisch erläutert. In den Zeichnungen sind gleiche oder funktionsgleiche Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen, sofern nichts anderes in der Beschreibung angegeben ist. Die in einer Figur gezeigten, technischen Ausgestaltungsmerkmale sind auf jede ausgeführte Variante der Erfindung anwendbar, und zwar auch unabhängig von anderen, in dieser Figur etwa ausgeführten Merkmalen, sofern sich aus der Beschreibung dieser Figur bzw. dieses Ausgestaltungsmerkmales nichts anderes ergibt. Es zeigen:
• 1 eine schematische Übersicht eines mechatronischen Systems, welches dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, und welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in eine Netzwerkinfrastruktur eingebettet ist,
• 2 ein erfindungsgemäßes Bereitstellungsmodul/ein erfindungsgemäßer Funktionsbaustein, der die Bereitstellung übernimmt,
• 3 ein erfindungsgemäßes Übertragungsmodul/ein erfindungsgemäßer Übertragungs-Funktionsbaustein,
• 4 die Zusammenschaltung und Kopplung der zwei Funktionsbausteine aus 2 und 3,
• 5 einen erfindungsgemäßen Datensatz mit Übertragungs-Identifikator in tabellarischer, zweidimensionaler Darstellung,
• 6 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 1 zeigt ein mechatronisches System 1, welches als industrielles Automatisierungssystem ausgebildet ist. Es besteht aus einer Maschinensteuerung 7, die über einen Feldbus 38 mit Antriebsreglern 8,9 kommuniziert, die jeweils über eine Drei-Phasen-Leitung einen Elektromotor 10,11 regeln und mit der erforderlichen Antriebsleistung versorgen. Die Kommunikation der Maschinensteuerung 7 mit den angeschlossenen Antriebsreglern 8,9 erfolgt dabei vorzugsweise synchron, d. h. im Wesentlichen in deterministischer Echtzeit, so dass die beiden Antriebs-/Motor-Systeme 8,10,9,11 synchronisiert betrieben werden können. Dazu hat die Maschinensteuerung 7 einerseits eine integrierte CNC 37 (Computer Numeric control), die vorgegebene Bewegungsbahnen oder Bewegungsprofile mittels eines Interpolators in Echtzeit in Sollwertsignale für die angeschlossenen Antriebe 8,9 umwandelt. Des Weiteren hat die Maschinensteuerung 7 eine integrierte SPS 36 (speicherprogrammierbare Steuerung), die komplementär zu der Bahnsteuerung der CNC 37 eine Logiksteuerung und/oder Prozesssteuerung der durchgeführten Automatisierungsprozesse erlaubt.
• Wenn der Elektromotor 10 als Servomotor ausgebildet ist, hat er einen Drehgeber, der die Drehstellung 2 des Rotors des Elektromotors 10 in hoher Auflösung misst und über einen Drehwinkel-/Spannungs-Wandler 34 in eine Rückführspannung wandelt, die die aktuelle Winkelstellung des Rotors repräsentiert und an den Antriebsregler 8 rückgeführt wird. Von dort kann die aktuelle Drehstellung 2 des Rotors auch über den Feldbus 38 an die Maschinensteuerung 7 kommuniziert werden.
• Insgesamt besteht das mechatronische System 1 also aus den Komponenten 8,9,10,11,34. Dies sind lediglich beispielhafte Komponenten eines exemplarischen, mechatronischen Systems. Übliche, industrielle Automatisierungssysteme können eine erheblich höhere Komplexität aufweisen, wobei eine Maschinensteuerung 7 oftmals mehrere und etwa bis zu 250 Achsen in Echtzeit steuern kann. Außerdem hat ein erfindungsgemäßes, mechatronisches System 1 in der Regel auch eine Mehrzahl bis eine Vielzahl von Maschinensteuerungen 7, und nicht nur lediglich eine, wie hier grob schematisch gezeigt.
• Die oben genannte Drehstellung 2 ist eine charakteristische Größe 2 des mechatronischen Systems 1. Diese Größe 2 ist lediglich beispielhaft herausgegriffen und kann durch eine Vielzahl anderer, wie beispielsweise weiter oben genannter, Größen ausgetauscht werden. Des Weiteren hat das mechatronische System 7 noch eine Clock 18 (beispielsweise einen Zeitgeber), die hier als mit der Maschinensteuerung 7 kommunizierende, separate Clock 18 angegeben ist. Schließlich ist noch als beispielhafter Bestandteil des mechatronischen Systems 1 ein Drahtlosüberträger 39 vorgesehen, der ein drahtloses Netzwerk (z.B. ein WLAN) aufspannt und eine drahtlose Kommunikation bzw. Übertragung der erfindungsgemäßen Daten beispielsweise zwischen der Maschinensteuerung 7 und einer oder mehrerer der Komponenten 8,9 des mechatronischen Systems erlaubt. Es kann sich bei dem Drahtlosüberträger etwa auch um ein lokales Subnetz unter dem 5G-Mobilfunkstandard handeln, mittels dessen innerhalb des mechatronischen Systems 1 erfindungsgemäß kommuniziert wird, insbesondere auch in Echtzeit, oder innerhalb des gesamten Netzwerkes 17 und/oder im gesamten Mobilnetz weltweit. Der Drahtlosüberträger 39 kann auch dazu vorgesehen sein, eine Kommunikation mit Netzwerkteilnehmern 12,13,14,15,16 eines Netzwerkes 17, in das auch die Maschinensteuerung 7 eingebunden ist, zu gewährleisten. Das Netzwerk 17 kann beispielsweise unterschiedliche Ebenen der Automatisierungspyramide, etwa Managementebene, Logistikebene und Feldebene, miteinander verbinden.
• Erfindungsgemäß wird die charakteristische Größe 2 des mechatronischen Systems 1 mit einem zugehörigen, aktuellen Zeitwert 18 erfasst und an zumindest einen der Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 übertragen. Die genannten Netzwerkteilnehmer 12,13, 14,15,16 sind über ein asynchrones Netzwerksegment 22 mit der Maschinensteuerung 7 kommunizierend verbunden. Über das asynchrone Netzwerksegment 22 ist zunächst ein Industrie-PC 12 verbunden, der beispielsweise zur Visualisierung, Modellierung, Simulation oder Animation oder auch zur Überwachung des mechatronischen Systems 1 verwendet werden kann. Dazu ist auf dem Industrie-PC eine laufende Extraktionsinstanz 41 gezeigt, die die Extraktion von erfindungsgemäß übertragenen Datensätzen übernimmt und die die extrahierten Daten auf einer SSD/Festplatte 44 des Industrie-PCs 12 ablegt, sowie ein Simulationsprogramm 42, das die Daten mit einem Speichersystem 43 des Industrie-PCs 12 austauscht. Simulationsprogramm 42 und Extraktionsinstanz 41 tauschen miteinander Daten aus. Des Weiteren ist über das asynchrone Netzwerksegment 22 ein Netzwerksegment 13 mit Office-PCs angeschlossen. Dieses Netzwerksegment 13 kann beispielsweise im Sinne einer EDGE-Computing-Infrastruktur (EDGE-Computing-System 46) verwendet werden, um erfindungsgemäß übertragene Daten außerhalb des mechatronischen Systems 1, jedoch immer noch lokal zu bearbeiten bzw. zu analysieren.
• Ein Notebook 14 kann ebenfalls über das asynchrone Netzwerksegment 22 zur Diagnose, Wartung oder Steuerung und Überprüfung des mechatronischen Systems 1 angeschlossen sein; das gleiche gilt sinngemäß für ein gezeigtes Tablet 15 und für einen weiteren, Standalone-Office-PC 16, der - wie auch das Netzwerksegment 13 mit den Office-PCs - über einen Drahtlosüberträger 40 - beispielsweise ein WLAN - asynchron mit dem mechatronischen System 1 kommunizieren kann. An alle diese genannten Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 kann die Erfindung die charakteristische Größe 2 übertragen, und zwar als konsistenten Datensatz 19.
• Dazu generiert die Maschinensteuerung 7 zunächst aus der charakteristischen Größe und dem aus der Clock 18 stammenden, zugehörigen Zeitwert einen konsistenten Datensatz 19 (näher gezeigt in 5, hierauf wird weiter unten noch im Einzelnen eingegangen). Der konsistente Datensatz 19 wird dann ebenfalls in der Maschinensteuerung 7, insbesondere zyklisch oder fortlaufend, aktualisiert, aktuell gehalten und zur Übertragung bereitgestellt. Erfindungsgemäß erfolgt die Bereitstellung in einem dafür vorgesehenen Bereitstellungsmodul (bei einer SPS entspricht das Bereitstellungsmodul einem Bereitstellungs-Funktionsbaustein 23), welches in 2 und 4 im Einzelnen dargestellt ist und weiter unten näher erläutert wird.
• Für den Datenaustausch des konsistenten Datensatzes 19 zwischen der Maschinensteuerung 7 und einem Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 wird erfindungsgemäß ein vorbestimmter Datenaustauschstandard verwendet. Die Maschinensteuerung 7 unterstützt einen Datenaustausch gemäß diesem Datenaustauschstandard. Mittels des Datenaustauschstandards kann auch über den Feldbus 38 in die Feldebene kommuniziert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auch der Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 dazu eingerichtet ist, Übertragungen von der Maschinensteuerung 7, welche konform mit dem Datenaustauschstandard erfolgen, zu empfangen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel unterstützt der Datenaustauschstandard asynchron arbeitende Übertragung in das asynchrone Netzwerksegment 22. Der gemäß obigen Ausführungen zur Laufzeit aktualisierte und bereitgestellte Datensatz 19 wird dann unter Verwendung des genannten Datenaustauschstandards an den Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 übertragen; dazu wird ein standardkonformer Übertragungs-Identifikator 20 (siehe 5) verwendet, sodass auch in einer komplexen Netzwerkstruktur, bestehend aus einer Vielzahl von Netzwerkteilnehmern und aus beispielsweise synchron arbeitender Übertragung über einen Feldbus 38 in der Feldebene sowie aus asynchron arbeitender Übertragung in einer Logistik- oder Managementebene, eine sichere, universell verwendbare und interoperable Verfügbarkeit von konsistenten Daten gewährleistet werden kann.
• Der Zeitwert 18, der im gezeigten Ausführungsbeispiel aus der Clock 18 an die Maschinensteuerung 7 übertragen wird, kann einen absoluten oder relativen Zeitpunkt des Datenzugriffs auf die zugehörige, charakteristische Größe 2 aufweisen. Dann wird die Drehstellung 2, die über den Antriebsregler 8 mittels des Feldbusses 38 an die Maschinensteuerung 7 in deterministischer Echtzeit übermittelt wird, mit einem bezüglich des tatsächlichen Zeitpunktes des erfassten Zustandes zeitnahen Zeitstempel aus der Clock 18 der Maschinensteuerung 7 versehen.
• In der gezeigten Ausprägung hat die Maschinensteuerung 7 einen integrierten Zwischenspeicher 21, in dem eine charakteristische Größe 2 und/oder ein konsistenter Datensatz 19 gepuffert, d. h. insbesondere zwischengespeichert werden. Hierbei ist eine bevorzugte Ausgestaltung, dass mehrere, sequenziell aufeinanderfolgende Größen 2 mit ihren jeweils zugehörigen Zeitwerten 18 und/oder mehrere Datensätze 19 in dem Zwischenspeicher 21 zwischengespeichert werden. Sobald ein Übertragungszyklus der Maschinensteuerung 7 in das asynchrone Netzwerksegment 22 beginnt, werden die zwischengespeicherten Daten/Datensätze 19 gemeinsam in einem zusammenhängenden Übertragungsverbund aus dem Zwischenspeicher 21 ausgelesen und dann in das asynchrone Netzwerksegment 22 und letztendlich an den Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 übertragen. Nach der Übertragung wird der Zwischenspeicher 21 geleert, so dass er für die Zwischenspeicherung von neu generierten Datensequenzen zur Verfügung steht. Da in dem Ausführungsbeispiel die Übertragung der konsistenten Datensätze 19 in ein asynchrones Netzwerksegment 22 erfolgt, ist die Übertragung der Datensätze 19 nicht unbedingt mit der Bereitstellung der Datensätze 19 synchron. So kann eine Übertragungszeit eine Bereitstellungszeit übersteigen. Dann würde in zeitlicher Abfolge gesehen eine Anzahl von Momentanzuständen der zu übertragenden Größe 2 verloren gehen. Dies wird durch die erfindungsgemäße Zwischenspeicherung vermieden, sodass eine zusammenhängende Sequenz von konsistenten Datensätzen 19 sichergestellt werden kann.
• Nachdem der konsistente Datensatz 19 in dem entsprechenden Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 empfangen wurde, wird aus diesem Datensatz die charakteristische Größe 2 mit ihrem zugehörigen Zeitwert 18 (und mit einer optionalen Auswerteangabe, siehe hierzu 4) konsistent extrahiert und teilnehmerintern bereitgestellt. Dies umfasst auch eine Weitergabe der extrahierten, konsistenten Daten innerhalb des asynchronen Netzwerksegments 22, beispielsweise in eine Cloud 45, in der eine Speicherung, Verteilung, Analyse oder Weiterverarbeitung der konsistenten Daten erfolgen kann.
• Erfindungsgemäß sind unter dem Datenaustauschstandard zwei verschiedene Architekturen der Übertragung von konsistenten Daten vorgesehen. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf den Netzwerkteilnehmer 12 die Publish-/Subscribe-Kommunikationsarchitektur besch rieben:
• Der Netzwerkteilnehmer 12 ist dabei als mit dem Datenaustauschstandard konformer Bezieher (Subscriber) durch seinen spezifischen Übertragungs-Identifikator 20 adressiert. Die Maschinensteuerung 7 überträgt als Publisher die konsistenten Datensätze für eine Vielzahl von Netzwerkteilnehmern 12,13,14,15,16, wobei die Maschinensteuerung 7 die einzelnen Empfänger (Subscriber) der spezifischen Information nicht kennt. Sie überträgt die konformen Nachrichten vorzugsweise zyklisch. Aus den zyklischen Übertragungen identifiziert der Netzwerkteilnehmer 12 als Bezieher einer spezifischen Information seine zu beziehende Nachricht selektiv, sodass er aus dem Datenstrom der veröffentlichten, konsistenten Datensätze 19 der Maschinensteuerung 7 lediglich die ihn interessierenden Informationen erhält. Hierzu wird (in den Figuren nicht gezeigt) vorzugsweise das UDP-Protokoll verwendet.
• Die konsistent übertragenen, empfangenen und extrahierten Datensätze 19 sind dafür vorgesehen, dass sie auf einem maschinenlesbaren Datenträger 31,32,33, insbesondere auf einem transportablen, autonomen Datenträger, wie beispielsweise einer DVD 31 oder einem USB-Stick 32, aber auch auf einem integrierten Datenträger 33 (SSD/Festplatte) einer Rechnereinrichtung 12,13,14,15,16,7 abgelegt sind und dadurch transportiert und zwischen verschiedenen Infrastrukturen bzw. verschiedenen Netzwerken, die insbesondere keine Netzwerkverbindung zu der Maschinensteuerung 7 haben, ausgetauscht werden können. Diese maschinenlesbaren Datenträger 31,32,33 stellen die Daten insbesondere zur Verwendung bei Inbetriebnahme, Reparatur, Wartung, Lebensdauer- oder Fehlerprognose, Zustandsbewertung, vorbeugenden Wartung, Analyse, Simulation oder Animation eines mechatronischen Systems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung bereit. Hierzu können die konsistenten Datensätze 19 selbstverständlich auch ohne solche maschinenlesbaren Datenträger 31,32,33 an den vorgesehenen Ort der Verwendung - zum Beispiel über das Internet als übersendete Datei - übertragen werden oder innerhalb einer lokalen Netzwerkinfrastruktur - wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 - übertragen und in einer Rechnereinrichtung 12 der lokalen Infrastruktur verarbeitet werden.
• Insgesamt ist die Maschinensteuerung 7 dazu eingerichtet, das oben genannte Verfahren auszuführen. Dazu hat die Maschinensteuerung 7 sowohl eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 36 als auch eine Bewegungssteuerung, insbesondere eine CNC (Computer Numeric control) 37, die vorzugsweise in die Maschinensteuerung 7 integriert sind. Zusätzlich hat die Maschinensteuerung 7 einen integrierten Industrie-PC 35 (oder einen Embedded-PC). Auf diesem Industrie-PC 35 können auch zumindest Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens ablaufen. Beispielsweise kann der Industrie-PC 35 eine integrierte SPS aufweisen, die entsprechende Funktionsbausteine 23,24 hat.
• Bezugnehmend auf die 2,3 und 4 wird im Folgenden eine Kombination zweier Funktionsbausteine 23,24 einer speicherprogrammierbaren Steuerung 36 beschrieben, die eine modulare Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen können. Jeder der Funktionsbausteine 23,24 hat Eingänge 54 und Ausgänge 55. Der Funktionsbaustein 23 der 2 ist ein erfindungsgemäßer Bereitstellungs-Funktionsbaustein. Er hat einen Execute-Eingang 47, durch den der Funktionsbaustein 23 aufgerufen bzw. in Funktion gesetzt wird. An der Eingangsseite des Funktionsbausteins 23 liegen Datensätze 48,49 an (erster Datensatz 48 bis n-ter Datensatz 49, so dass insgesamt n Datensätze an n Eingängen anliegen können); dies sind die erfindungsgemäß konsistent bereitzustellenden, charakteristischen Größen 2,3,4,5,6 (siehe 1 und 5), die zum Aufruf des Funktionsbausteins 23 bereits anliegen, sodass sie von dem Funktionsbaustein 23 mit ihrem jeweils zugehörigen Zeitwert 18 (der ebenfalls an einem der Eingänge 54 anliegen kann) zu einem konsistenten Datensatz 19 zusammengefasst und zur Laufzeit zyklisch fortlaufend aktualisiert werden können. Zusätzlich hat der Funktionsbaustein 23 noch einen Eingang Config 65, an dem Konfigurationsdaten anliegen, beispielsweise in Bezug auf Filterung der Daten im Funktionsbaustein 23 etwa Filterkriterien oder -flags (z.B. ob gefiltert wird oder nicht).
• Nachdem dies erfolgt ist, werden Ausgänge 55 des Funktionsbausteins 23 - je nach dem Status der zugrundeliegenden Datenverarbeitung - geschaltet. Hierzu dienen die Ausgänge Done 50, Busy 51, Error 52. Wenn die Datenverarbeitung insgesamt erfolgreich war (Done gleich TRUE), liegen an den Ausgang 53 permanent die konsistenten Daten an und können zur Übertragung dort abgegriffen werden. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass der Ausgang Busy 51 angibt, dass die Datenverarbeitung in dem Funktionsbaustein 23 aktuell nicht abgeschlossen ist und andauert und der Ausgang Error 52 einen Fehler in der Datenverarbeitung indiziert.
• Der Funktionsbaustein 24 in 3 ist prinzipiell so aufgebaut wie oben beschrieben, so dass das oben Gesagte für die 3 entsprechend anwendbar ist. Abweichend davon hat der Funktionsbaustein 24 die Aufgabe, als individuell aufrufbares Übertragungsmodul die konsistenten Daten, insbesondere den konsistenten Datensatz 19 an den Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 zu übertragen. Der Übertragungs-Funktionsbaustein 24 wird vorzugsweise durch den Bereitstellungs-Funktionsbaustein 23 aufgerufen. An seinem Eingang 53 liegen die von dem Funktionsbaustein 23 bereitgestellten, aktuellen, konsistenten Daten vorzugsweise permanent an. Sie werden für die Übertragung aufbereitet und dann an dem Ausgang 26 als mit dem Datenaustauschstandard konforme Netzwerknachricht 26 ausgegeben bzw. liegen dort zur Übertragung mittels des Datenaustauschstandards an. Zusätzlich hat der Funktionsbaustein 24 noch einen Eingang Config 65, an dem Konfigurationsdaten anliegen, beispielsweise Angaben zum Übertragungs-Identifikator 20 (so zum Beispiel bei einer Publish/Subscribe-Architektur eine Publisher ID (Identifikation) und/oder eine Writer ID (Identifikation)).
• Schließlich zeigt 4, dass die beiden, modularen Funktionsbausteine 23,24 mittels der Kopplung 26 (dies kann eine informationstechnische Kopplung, insbesondere ein Aufruf eines übereinstimmenden, statischen Speicherinhalts mit den konsistenten Daten) die konsistenten Daten austauschen; durch die Kopplung 56 werden die konsistent bereitgestellten Daten aus dem Funktionsbaustein 23 in den Funktionsbaustein 24 übernommen und dort - wie oben beschrieben - erfindungsgemäß übertragen.
• 5 zeigt eine einfache, schematische Darstellung einer informationstechnischen Implementierung von übertragenen, konsistenten Datensätzen 19. Gezeigt ist ein zweidimensionales Datenfeld 28 mit mehreren, konsistenten Datensätzen 19, zusammen mit darüber angeordneter Zeile mit Auswerteangabe 25, einer Enumerator-Zeile 63 sowie einer darüber liegenden Schicht mit dem Übertragungs-Identifikator 20. Dieser ist in der gezeigten Ausgestaltung wie ein Header mit den für die Übertragung relevanten Informationen, wie zum Beispiel einem Verbindungshandle 27, dargestellt. Es handelt sich bei der gezeigten Konfiguration um einen erfindungsgemäß bereitgestellten und übertragenen Datensatz 19. Der Datensatz 19 besteht aus einer Größenwerte-Dimension 30; in Richtung der gezeigten Größenwerte-Dimension 30 sind in aufeinanderfolgenden Spalten jeweils konsistente Größenwerte angegeben, so dass die Spalte, die mit #1 bezeichnet ist, Temperaturwerte aufweist, wobei die entsprechende Spalte mit dem Temperatur-Bezeichner 58, beispielsweise zur Analyse oder Weiterverarbeitung, bezeichnet ist. Dadurch werden generell die in der entsprechenden Spalte angeordneten Größenwerte als Temperaturwerte, und insbesondere als konsistente Temperaturwerte identifiziert. In der äußerst linken Spalte mit dem Enumerator #0 sind unter dem Zeit-Bezeichner 57 die entsprechenden Zeitwerte 18 enthalten. Weitere Spalten sind die Spalte Enumerator #2 mit Linearposition 4 und dem Linearpositions-Bezeichner 59, Enumerator #3 mit Drehstellung 2 und dem Drehstellungs-Bezeichner 60, Enumerator #4 mit Öldurchfluss 5 und dem Öldurchfluss-Bezeichner 61 sowie äußerst rechts Enumerator #5 mit Spannungswert 6 und dem Spannungs-Bezeichner 62.
• Der Datensatz 19 weist ebenfalls eine Zeitwerte-Dimension 29 auf; in Richtung der gezeigten Zeitwerte-Dimension 29 sind in aufeinanderfolgenden Zeilen jeweils konsistente Zeitwerte, die von oben nach unten gesehen eine zeitliche Abfolge bilden können, angegeben. Zu jedem Zeitwert 18 sind rechts davon in Richtung der Größenwerte-Dimension 30 dem jeweiligen Zeitwert konsistent zugeordnete Größenwerte 2,3,4,5,6 dargestellt, so dass sich in dieser Struktur die konsistente Zuordnung der Größenwerte zu den zugehörigen Zeitwerten 18 widerspiegelt.
• Oberhalb des konsistenten Datensatzes 19 ist noch der Übertragungs-Identifikator 20 eingezeichnet, der insbesondere den Verbindungshandle 27 aufweist. Der Verbindungshandle 27 dient dazu, die Kommunikation des konsistenten Datenpaketes zwischen Maschinensteuerung 7 und Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 zu leiten. Er kann beispielsweise (hier nicht gezeigt) eine IP-Adresse aufweisen sowie einen entsprechend adressierten Port des Ziel-Netzwerkteilnehmers 12,13,14,15,16. Die Erfindung stellt sicher, dass die Konsistenz des gezeigten Datenfeldes 28 sowohl in Richtung der Zeitdimension 29 als auch in Richtung der Größenwerte-Dimension 30 jederzeit gegeben ist. Der durch Schraffuren hervorgehobene Linearpositionswert 64, der hier beispielhaft herausgegriffen ist, entspricht daher einem sicher aus der entsprechenden Messeinrichtung des entsprechenden mechatronischen Systems stammenden, korrekten Messwert in der richtigen Dimension, der außerdem nicht leer und kein Default-Wert ist und der hinsichtlich seiner zeitlichen Abfolge in Richtung der Zeitdimension 29 richtig angeordnet ist und in Richtung der Größenwerte-Dimension 30 in der richtigen Zeile (Enumerator #2) positioniert und dem korrekten Zeitwert 18 (12:34:56,91) zugeordnet ist, der insbesondere auch der „echten“ Zeit der Erfassung des entsprechenden Linearpositions-Wertes 4 entspricht (nach Maßgabe des relevanten Echtzeit-Niveaus).
• Der Enumerator 63 kann eine informationstechnische Hilfsvariable sein, die zur Verarbeitung des zweidimensionalen Datenfeldes 28 verwendet wird. Es kann sich aber auch um einen Identifikator, beispielsweise einen Konsistenz-Identifikator, eine Strukturangabe, eine Datensatz-Strukturangabe oder eine Konsistenzangabe im Sinne der Anordnung und Abfolge der nacheinander im Datenfeld 28 angeordneten Größenwerte 2,3,4,5,6 bzw. Zeitwerte 18 handeln. Dann wird dieser Identifikator erfindungsgemäß bereitgestellt, aktualisiert, und mit übertragen. Mit übertragen wird die Auswerteangabe 25, die in Richtung der Größenwerte-Dimension 30 die Bezeichner 57,58,59,60,61,62 als Auswerteinformation enthält, die eine konsistente Auswertung der Feldinhalte des zweidimensionalen Datenfeldes 28 gewährleistet. Zusätzlich enthält die Auswerteangabe 25 noch in jedem Wertebereich eine - insbesondere semantische - Bedeutungsinformation der in der jeweiligen Zeile enthaltenen Werte 2,3,4,5,6; 18. Dabei kann es sich um eine verkürzte, idealerweise eine universelle Auswerteangabe handeln, die im Sinne einer Semantikinformation insbesondere durch OPC-UA unterstützt wird. Hier sind beispielhaft lediglich verkürzte, englischsprachige Variablenbezeichner wie 57 TIME, 58 TEMP, 59 XL, 60 ROT, 61 OIL, 62 VOLT als Platzhalter für die tatsächlich verwendete, semantischen Bedeutungsinformation angegeben. Auf solche, die Bedeutung der entsprechenden Werteklasse bezeichnenden Auswerteangaben in Form von Semantikinformationen wird insbesondere bei der Extraktion und bei der späteren Analyse der entsprechenden, konsistent übertragenen Datensätze 19 zurückgegriffen.
• Schließlich sind der Vollständigkeit halber noch unter den jeweiligen Größenwerten 2,3,4,5,6 in jedem Wertefeld die entsprechenden Dimensionen angegeben, für die Drehstellung 2 die Dimension Winkelmaß rad (Radiant), für die Temperatur 3 die Dimension Grad Celsius, für die Linearposition 4 die Dimension Millimeter, für den Öldurchfluss 5 die Dimension Liter pro Minute, für die Spannung 6 die Dimension Volt. Für die Zeitwerte 18 ist hier keine Dimension angegeben, sie könnte in dem entsprechenden Wertefeld aber mit übertragen werden (z.B. hh:mm:ss:ttt, oder insgesamt Tausendstel-Sekunden). Zusätzlich oder alternativ kann die Dimension der entsprechenden Größen 2,3,4,5,6,18 auch mit der Auswerteangabe 25 übertragen werden.
• Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 6 eine ausgewählte Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens kursorisch beschrieben. Dabei wird neben der 6 gleichzeitig auf alle 1-5 Bezug genommen, wo in der nachfolgenden Beschreibung ein entsprechendes Bezugszeichen verwendet wird.
• Die Prozessschritte, die oberhalb der 6 mit einer gestrichelten Linie unter Engineering zusammengefasst sind, betreffen Arbeitsschritte, die im Rahmen der Entwicklung konfiguriert - beispielsweise bei der Entwicklung der Funktionsblöcke 23,24 - oder im Rahmen der jeweiligen Applikation in der Maschinensteuerung 7 vorgenommen werden. Entwicklungsseitig bzw. applikationsseitig werden demzufolge zunächst die gewünschten Daten ausgewählt. Es handelt sich dabei um die Daten, die aus dem mechatronischen System 1 an einen Netzwerkteilnehmer 12,13,14,15,16 übertragen werden sollen. Diese Daten werden dann im nächsten Prozessschritt an die Eingänge 54 des Bereitstellungs-Funktionsbausteins 23 angelegt. Parallel zu den beiden genannten Vorgängen werden die Funktionsblöcke 23,24 entwicklungs- oder applikationsseitig konfiguriert. Zusätzlich können auch noch andere, für die jeweilige Applikation relevante Funktionsblöcke konfiguriert werden. Nach Abschluss dieser parallel ablaufenden Vorgänge können im nächsten Prozessschritt der SPS-Zyklus und das SPS-Programm gestartet werden. Zu diesem Zeitpunkt liegen die Daten, die als konsistenter Datensatz 19 übertragen werden sollen, bereits an dem Bereitstellungs-Funktionsblock 23 an. Daraufhin wird der Bereitstellungs-Funktionsblock 23 gestartet, woraufhin die Daten über die Eingänge 54 an die Datenverarbeitung innerhalb des Bereitstellungs-Funktionsbausteins 23 übergeben werden.
• In dem Bereitstellungs-Funktionsbaustein 23 wird abgefragt, ob eine Filterung der Daten erfolgen soll. Ist dies der Fall, werden dort die Daten gefiltert und nur die gefilterten Daten werden weitergegeben zu dem nächsten, im Bereitstellungs-Funktionsbaustein 23 ablaufenden Prozessschritt. Andernfalls (wenn nicht gefiltert wird) werden alle Daten ohne Filterung direkt an den nächsten Prozessschritt übergeben. Dieser besteht darin, dass im Bereitstellungs-Funktionsbaustein 23 die Abfrage erfolgt, ob die Daten vor der Übertragung zwischengespeichert werden. Im positiven Falle werden erfindungsgemäß alle konsistent aufbereiteten und zu einem konsistenten Datensatz 19 zusammengefassten Daten zwischengespeichert; im negativen Abfragefall wird lediglich der aktuellste Satz der konsistenten Daten bereitgehalten bzw. gespeichert. Damit liegt am Ausgang 53 des Funktionsbausteins 23 ein konsistenter Datensatz 19 oder mehrere konsistente Datensätze 19 an. Nach diesem Schritt werden die konsistenten Datensätze 19 an den Übertragungs-Funktionsbaustein 24 über die informationstechnische Kopplung 56 übergeben, woraufhin der Übertragungs-Funktionsbaustein 24 ausgeführt wird.
• Bezugszeichenliste

1

mechatronisches System

2

Drehstellung

3

Temperatur

4

Linearposition

5

Öldurchfluß

6

Spannung

7

Maschinensteuerung

8

Antriebsregler

9

Antriebsregler

10

Elektromotor

11

Elektromotor

12

Industrie-PC

13

Netzwerksegment mit Office-PCs

14

Notebook

15

Tablet

16

PC

17

Netzwerk

18

Clock/Zeitwert

19

konsistenter Datensatz

20

Übertragungs-Identifikator

21

Zwischenspeicher

22

asynchrones Netzwerksegment

23

Bereitstellungsmodul/-funktionsbaustein

24

Übertragungsmodul/-funktionsbaustein

25

Auswerteangabe

26

Netzwerknachricht

27

Verbindungshandle

28

zweidimensionales Datenfeld

29

Zeitdimension

30

Größenwerte-Dimension

31

DVD

32

USB-Stick

33

SSD/Festplatte

34

Drehwinkel-/Spannungs-Wandler

35

integrierter PC

36

SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung)

37

CNC (Computer Numeric Control)

38

Feldbus

39

Drahtlosüberträger

40

Drahtlosüberträger

41

Extraktionsinstanz

42

Simulationsprogramm

43

Speichersystem des Industrie-PCs

44

SSD/Festplatte des Industrie-PCs

45

Cloud

46

Edge-Computing-System

47

Execute

48

Erster Datensatz

49

n-ter Datensatz

50

Done

51

Busy

52

Error

53

konsistente Daten

54

Eingänge

55

Ausgänge

56

Kopplung

57

Zeit-Bezeichner

58

Temperatur-Bezeichner

59

Linearpositions-Bezeichner

60

Drehstellungs-Bezeichner

61

Öldurchfluss-Bezeichner

62

Spannungs-Bezeichner

63

Enumerator

64

Linearpositionswert

65

Config

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014203428 A1 [0002]

Claims (23)

1. Verfahren der Erfassung und Übertragung zumindest einer zeitlich veränderlichen, charakteristischen Größe (2,3,4,5,6) eines mechatronischen Systems (1), insbesondere eines industriellen Automatisierungssystems, mit zumindest einer Maschinensteuerung (7) und zumindest einer damit verbundenen, mechatronischen Komponente (8,9,10,11,34), zwischen der Maschinensteuerung (7) und zumindest einem Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) eines Netzwerkes (17), in das die Maschinensteuerung (7) eingebunden ist, wobei die Maschinensteuerung (7) die charakteristische Größe (2,3,4,5,6) des mechatronischen Systems (1) mit einem zugehörigen, aktuellen Zeitwert (18) erfasst und an den Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinensteuerung (7) - aus der charakteristischen Größe (2,3,4,5,6) und dem zugehörigen Zeitwert (18) einen konsistenten Datensatz (19) generiert, - den Datensatz (19) zur Laufzeit, insbesondere zyklisch und/oder fortlaufend, aktualisiert und bereitstellt, - und den Datensatz (19) unter Verwendung eines vorbestimmten Datenaustauschstandards mit jeweils einem Übertragungs-Identifikator (20) des Datenaustauschstandards an den Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) überträgt, wobei der Datenaustauschstandard asynchron arbeitende Übertragung unterstützt und der Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) dazu eingerichtet ist, Übertragungen gemäß dem Datenaustauschstandard zu empfangen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitwert (18) einen - absoluten oder relativen - Zeitpunkt eines Datenzugriffs auf die zugehörige, charakteristische Größe aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Datensatz für jede enthaltene Größe (2,3,4,5,6) eine charakteristische Auswerteangabe (25) enthält, die insbesondere einen Konsistenzidentifikator und/oder eine Strukturangabe und/oder Datensatz-Strukturangabe und/oder einen Inhaltsbezeichner der betreffenden Größe (2,3,4,5,6) umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Datensatz (19) einzeln übertragen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Größen (2,3,4,5,6) mit ihren jeweils zugehörigen Zeitwerten (18) und/oder mehrere Datensätze (19) in einem Zwischenspeicher (21) zwischengespeichert und die zwischengespeicherten Daten/Datensätze (19) gemeinsam, insbesondere in einem zusammenhängenden Übertragungsverbund und/oder -zyklus, aus dem Zwischenspeicher (21) ausgelesen und übertragen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Übertragung der Zwischenspeicher (21) geleert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Datensatz (19), insbesondere jeder Datensatz (19), in einem bezüglich der Maschinensteuerung (7) statischen und/oder nicht temporären und/oder globalen Speicherbereich bereitgestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragungszeit eine Bereitstellungszeit übersteigen kann.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung über ein asynchron arbeitendes Netzwerksegment (22) und/oder asynchrones Netzwerkprotokoll erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein individuell aufrufbares Bereitstellungsmodul (23) der Maschinensteuerung (7) aus der Größe (2,3,4,5,6) und dem zugehörigen Zeitwert (18) einen konsistenten Datensatz (19) generiert und den Datensatz (19) zur Laufzeit, insbesondere zyklisch und/oder fortlaufend, aktualisiert und bereitstellt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein individuell aufrufbares Übertragungsmodul (24) der Maschinensteuerung (7) den Datensatz (19) an den Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) überträgt, welches insbesondere durch das Bereitstellungsmodul (23) aufgerufen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Daten, insbesondere die Größe (2,3,4,5,6) und/oder der Zeitwert (18) und/oder der Datensatz (19), vor der Übertragung gefiltert werden/wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) aus dem empfangenen Datensatz (19) die Größe (2,3,4,5,6) mit ihrem zugehörigen Zeitwert (18) und der Auswerteangabe konsistent extrahiert und teilnehmerintern bereitstellt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) als mit dem Datenaustauschstandard konformer Bezieher konfiguriert ist und die Maschinensteuerung (7) die Übertragung in Form von mit dem Datenaustauschstandard konformen Nachrichten (26) vornimmt, die jeweils für eine flexible Anzahl von Beziehern vorgesehen sind, wobei der Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) nach Maßgabe des Übertragungs-Identifikators (20) seine zu beziehende Nachricht (26) selektiv erhält oder auswählt und/oder den ihn interessierenden Datensatz (19) nach Maßgabe des Übertragungs-Identifikators (20) aus einer Nachricht (26) selektiv entnimmt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) als Server und die Maschinensteuerung (7) als Client einer individuellen, zwischen Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) und Maschinensteuerung (7) etablierten Server/Client-Kommunikationsverbindung konfiguriert sind und der Übertragungs-Identifikator (20) einen Verbindungshandle (27) des Datenaustauschstandards umfasst.
16. Computerimplementierte, konsistente Zustandsdaten und/oder Prozessdaten oder computerimplementierte, konsistente Zustandsdatenstruktur und/oder Prozessdatenstruktur eines mechatronischen Systems (1), insbesondere eines industriellen Automatisierungssystems, welche von einer Maschinensteuerung (7) des mechatronischen Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 bereitgestellt und an einen Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16) übertragen und dort empfangen und/oder ausgewertet worden sind.
17. Daten oder Datenstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest zweidimensionales Datenfeld (28) vorgesehen ist, mit einer Zeitdimension (29) und einer Größenwerte-Dimension (30), welche als zusammengefasster Datensatz (19) von der Maschinensteuerung (7) übertragen worden sind, wobei die Zeitdimension (29) konsistente Zeitwerte (18) aufweist und die Größenwerte-Dimension (30) für das mechatronische System (1) charakteristische, konsistente Größenwerte (2,3,4,5,6) aufweist, die den Zeitwerten (18) des Datenfeldes (28) konsistent zugeordnet sind.
18. Maschinenlesbarer Datenträger (31,32,33), insbesondere transportabler, autonomer Datenträger (31,32) oder integrierter Datenträger (33) einer Rechnereinrichtung (12,13,14,15,16), mit darauf abgelegten Daten oder mit einer darauf abgelegten Datenstruktur nach Anspruch 16 oder 17, insbesondere zur Verwendung bei Inbetriebnahme, Reparatur, Wartung, Lebensdauer- oder Fehlerprognose, Zustandsbewertung, vorbeugenden Wartung, Analyse, Simulation oder Animation eines mechatronischen Systems (1) und/oder zumindest einer seiner Komponenten (8,9,10,11,34).
19. Maschinensteuerung (7), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.
20. Computerprogrammprodukt für eine Rechnereinrichtung (7,12,13,14,15,16), insbesondere für eine Maschinensteuerung (7) und weiter insbesondere einen Netzwerkteilnehmer (12,13,14,15,16), welches bei Ausführung auf einer Rechnereinrichtung (7,12,13,14,15,16) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausführt.
21. Funktionsbaustein (23,24) oder mehrere Funktionsbausteine einer speicherprogrammierbaren Maschinensteuerung (7), welcher/welche dazu eingerichtet ist/sind, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.
22. Funktionsbaustein (23,24) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionsbaustein (23) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 10 umzusetzen.
23. Funktionsbaustein (23,24) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionsbaustein (24) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 11 umzusetzen.

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