DE10221189A1

DE10221189A1 - Industrial equipment and installations control, includes several peripheral units with sensor/actuator elements

Info

Publication number: DE10221189A1
Application number: DE10221189A
Authority: DE
Inventors: Alexander Renner
Original assignee: Siemens AG Oesterreich
Current assignee: Siemens AG Oesterreich
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: DE10221189B4; ATA8082001A; AT411631B

Abstract

An industrial control based on several peripheral units (PE1-PE6) each of the latter having a peripheral transmit/receive unit (SE1-SE6) with at least two radio (RF) units (FE1-FE4) assigned to the central control unit (ZST) and whose antennas (ZA1-ZA4) have a different spatial setting and/or orientation. The data traffic between the peripheral units and the central control unit results via RF interfaces between the transmit/receive units and the radio (RF) units. The RF system has a protocol which allows traffic mutually between the radio (RF) units (FE1-FE4) and access to the radio units is regulated by a protocol element.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine industrielle Steuerung, die mehrere Peripherieeinheiten mit Sensor-/Aktorelementen aufweist, welche für einen Datenverkehr mit einer zentralen Steuereinheit über Schnittstellen in Verbindung stehen.The invention relates to an industrial controller, which has several peripheral units with sensor / actuator elements, which for data traffic with a central Control unit are connected via interfaces.

Bei Anlagensteuerungen über ein Funknetz liegt das Hauptproblem bei der Anbindung von sicherheitsrelevanten und/oder zeitkritischen Sensoren und Aktoren an eine zentrale Steue rung nicht in der Datenintegrität, da diese durch entsprechende Datensicherungsverfahren gewährleistet werden kann, sondern in der zeitlichen Verzögerung, welche letztlich auch durch die verwendeten Codierverfahren bedingt ist.The main problem with system controls via a radio network is the connection of safety-relevant and / or time-critical sensors and actuators to a central control data integrity, as this is ensured by appropriate data backup procedures can be guaranteed, but in the time delay, which ultimately also is due to the coding method used.

In industrieller Umgebung mit ständig wechselnden oder bewegten Objekten kann ein Übertragungsweg, d. h. der Weg zwischen einer Antenne der zentralen Steuerung und einer Antenne der peripheren Einheit vorübergehend blockiert werden, wobei die Datenübertra gung so nachhaltig unterbrochen oder gestört wird, dass auch eine Forward-Error- Correction versagt und eine nochmalige Datenanfrage über ARQ durchgeführt wird. Auch wenn nach dieser Anfrage die Daten korrekt übertragen werden, so erhöht sich dennoch, vor allem in problematischen Empfangslagen, die mittlere Übertragungsdauer deutlich, so dass man davon Abstand genommen hat, Funknetze bei zeitkritischen und sicherheitsrelevanten Informationsübertragungen in der industriellen Steuerungstechnik zu verwenden.In an industrial environment with constantly changing or moving objects, a Transmission path, d. H. the path between a central control antenna and one Antenna of the peripheral unit are temporarily blocked, the data transmission interrupted or disturbed so sustainably that a forward error Correction fails and a new data request via ARQ is carried out. Also if the data is transferred correctly after this request, it will still increase especially in problematic reception situations, the average transmission time clearly, so that one has refrained from doing so, radio networks for time-critical and security-relevant ones Use information transfer in industrial control technology.

Sofern es nur um den Übertragungsweg zwischen einer zentralen Steuerung und einer einzigen peripheren Einheit geht, könnte man z. B. bei der zentralen Steuerung mehr als eine Antenne verwenden, d. h. mit einem Antennen-Diversity-Verfahren arbeiten, um zwei unterschiedliche Funkwege zu erhalten. Diese Lösung ist jedoch bei industriellen Steuerun gen, wo oft eine große Anzahl von peripheren Einheiten benötigt wird, nicht oder nur mit großem Aufwand und entsprechenden Kosten anzuwenden.If only the transmission path between a central control and a single peripheral unit, you could e.g. B. in the central control more than one Use antenna, d. H. work with an antenna diversity method to two to get different radio paths. However, this solution is for industrial control conditions where a large number of peripheral units is often required, not or only with great effort and corresponding costs to apply.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, eine industrielle Steuerung zu schaffen, bei welcher nicht nur eine sichere, sondern auch eine rasche Datenübertragung über Funk ermöglicht ist.It is therefore an object of the invention to provide industrial control which is not only secure, but also fast data transmission via radio is possible.

Diese Aufgabe wird mit einer industriellen Steuerung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß jede Peripherieeinheit eine periphere Sende-/Empfangseinheit aufweist, der zentralen Steuereinheit zumindest zwei Funkeinheiten zugeordnet sind, deren Antennen eine unterschiedliche räumliche Aufstellung und/oder Ausrichtung aufweisen, der Datenverkehr zwischen Peripherieeinheiten und zentraler Steuereinheit über Funk schnittstellen zwischen den Sende-/Empfangseinheiten und den Funkeinheiten erfolgt, wobei für zumindest eine Peripherieeinheit eine Funkverbindung mit zumindest zwei Funkeinheiten ermöglicht ist, das verwendete Funksystem ein Protokoll aufweist, welches einen Verkehr der Funkeinheiten untereinander ermöglicht, und der Zugriff der Funkeinhei ten durch ein Protokollelement geregelt ist.This task is solved with an industrial control of the type mentioned at the beginning which, according to the invention, each peripheral unit is a peripheral transmitting / receiving unit has, the central control unit are assigned at least two radio units, the Antennas have a different spatial arrangement and / or orientation, the data traffic between peripheral units and central control unit via radio interfaces between the transceiver units and the radio units, a radio connection with at least two for at least one peripheral unit Radio units is enabled, the radio system used has a protocol which allows the radio units to communicate with one another, and the radio units to access them is regulated by a protocol element.

Dank der Erfindung kann auch bei einer größeren Anzahl von peripheren Einheiten mit geringem Aufwand und bausteinartig eine Steuerung geschaffen werden, die nicht nur in bekannter Weise eine sichere Datenübertragung gestattet, sondern die auch den Anforde rungen an eine rasche Datenübertragung genügt. Dies ist insbesondere dort von Vorteil, wo in ein laufendes Verfahren im Bedarfsfall rasch eingegriffen werden muss, z. B. falls ein Notstop auf einer Fertigungsstraße erforderlich wird.Thanks to the invention can also with a larger number of peripheral units low effort and modular control can be created that not only in known way allows secure data transmission, but also the requirement Rapid data transmission is all that is required. This is particularly advantageous where intervention in an ongoing procedure if necessary, e.g. B. if one Emergency stop on a production line is required.

Zweckmäßige Varianten der Erfindung sind durch ein FEC-Datensicherungsverfahren des Funksystems und/oder durch ein ARQ-Verfahren bei dem Funksystem gekennzeichnet. Derartige Verfahren der Datensicherung haben sich gerade bei industriellen Steuerungen bewährt.Advantageous variants of the invention are by an FEC data backup method Radio system and / or characterized by an ARQ process in the radio system. Such methods of data backup have become particularly common in industrial controls proven.

Der Zugriff der Funkeinheiten über ein Protokoll wird erleichtert, wenn das Funksystem nach einem Zeit- und/oder Frequenz-Division-Verfahren arbeitet.Access to the radio units via a protocol is facilitated if the radio system works according to a time and / or frequency division method.

Im Sinne eines flexiblen und auch wechselnden Gegebenheiten anpassbaren Aufbaus des Funksystems ist es zweckmäßig, wenn die Peripherieeinheiten nach Sicherheitskriterien klassifiziert sind, wobei für höher eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit zumindest zwei Funkeinheiten, für tief eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit lediglich einer Funkeinheit ermöglicht sind. Durch diese Klassifikation ist es möglich, lediglich jenen Peripherieeinheiten, an die zeitkritische Anforderungen gestellt werden, zumindest zwei Funkeinheiten zuzuordnen, für andere Peripherieeinheiten jedoch lediglich eine einzige Funkeinheit vorzusehen und dadurch Kosten zu sparen. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Klassifizierung der Peripherieeinheiten in einer Speicherliste der zentralen Steuer einheit abgelegt ist.In terms of a flexible and adaptable structure of the Radio systems, it is useful if the peripheral units according to security criteria are classified, with radio connections for higher classified peripheral units at least two radio units, for deeply classified peripheral units radio connections are made possible with just one radio unit. With this classification it is possible only those peripheral units to which time-critical requirements are placed, assign at least two radio units, but only for other peripheral units to provide a single radio unit and thereby save costs. It is advantageous if the classification of peripheral units in a central control memory list unit is filed.

Den Anforderungen in industrieller Umgebung, auch hinsichtlich der Flexibilität wird genüge getan, falls die Funkeinheiten und die zentrale Steuerung an einem seriellen Bus liegen. The requirements in an industrial environment, also with regard to flexibility enough done if the radio units and the central control on a serial bus lie.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden anhand einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. Diese zeigt schematisch eine industrielle Steuerung mit einer zentralen Steuereinheit, mehreren Periphe rieeinheiten und Funkeinheiten.The invention together with further advantages is based on an example Embodiment explained in more detail, which is illustrated in the drawing. This shows schematically an industrial controller with a central control unit, several peripherals units and radio units.

In der Zeichnung sind sechs periphere Einheiten PE1 . . . PE6 dargestellt, die beispielsweise im Zuge einer Produktionsstraße, verschiedene Parameter überwachen sollen, wie z. B. Fördergeschwindigkeit, Oberflächentemperaturen, Stückzahlen etc. Die peripheren Einhei ten können ebenso dazu eingerichtet sein, in Produktionsabläufe einzugreifen, z. B. zu bremsen, zu stoppen, Gegenstände zu erfassen oder zu entfernen etc. Daher besitzt jede periphere Einheit PE1 . . . PE6 ein Sensor-/Aktorelement SA1 . . . SA6.In the drawing are six peripheral units PE1. , , PE6 shown, for example in the course of a production line to monitor various parameters, such as B. Conveying speed, surface temperatures, quantities, etc. The peripheral units can also be set up to intervene in production processes, e.g. B. too braking, stopping, picking up or removing objects etc. Therefore everyone owns peripheral unit PE1. , , PE6 a sensor / actuator element SA1. , , SA6.

Eine zentrale Steuerung ZST soll in bekannter Weise einerseits Daten von Sensoren empfan gen bzw. aufgrund dieser Daten und anderer vorgegebener Produktionsabläufe über Akto ren in das Geschehen eingreifen. Zu diesem Zweck ist eine zentrale Steuerung nach dem Stand der Technik über Kabel mit den entsprechenden peripheren Einheiten verbunden. Der Begriff zentrale Steuerung ist hinsichtlich des Zusatzes "zentral" nicht eng zu sehen, d. h. die Steuerung kann de facto auch auf mehrere Elemente aufgeteilt sein. Jedenfalls ist nun im Sinne der Erfindung vorgesehen, dass der Datenverkehr zwischen zentraler Steuerung und peripheren Elementen über Funkschnittstellen abläuft, wozu einerseits jede periphere Ein heit PE1 . . . PE6 eine Antenne PA1 . . . PA6 aufweist und mehrere, im vorliegenden Fall vier Funkeinheiten FE1 . . . FE4 vorgesehen sind, die über einen seriellen Bus SBU mit der zentra len Steuereinheit ZST verbunden sind. Jede Funkeinheit FE1 . . . FE4 besitzt eine Antenne ZA1 . . . ZA4.A central control ZST should receive data from sensors in a known manner conditions or based on this data and other specified production processes via Akto intervene in the action. For this purpose, a central control system according to the State of the art connected by cable to the corresponding peripheral units. The The term central control should not be viewed narrowly with regard to the addition "central". H. the Control can actually be divided into several elements. Anyway, is now in the According to the invention, the data traffic between the central controller and peripheral elements via radio interfaces, for which, on the one hand, each peripheral input called PE1. , , PE6 an antenna PA1. , , PA6 and several, in the present case four Radio units FE1. , , FE4 are provided, which are connected to the zentra via a serial bus SBU len control unit ZST are connected. Each radio unit FE1. , , FE4 has an antenna ZA1. , , ZA4.

Wesentlich für die Erfindung ist nun, dass für ausgewählte oder alle peripheren Einheiten eine Funkverbindung nicht nur mit einer Funkeinheit, sondern mit zumindest zwei Funk einheiten vorgesehen ist. Im vorliegenden Fall können die peripheren Einheiten PE3, PE4 und PE5 Funkverkehr zu jeweils zwei Funkeinheiten unterhalten, nämlich die periphere Einheit PE3 mit den Funkeinheiten FE2 und FE3, und die peripheren Einheiten PE4 und PE5 mit den Funkeinheiten FE3 und FE4.It is essential for the invention that for selected or all peripheral units a radio connection not only with one radio unit, but with at least two radio units is provided. In the present case, the peripheral units PE3, PE4 and PE5 maintain radio communication to two radio units, namely the peripheral one Unit PE3 with the radio units FE2 and FE3, and the peripheral units PE4 and PE5 with the radio units FE3 and FE4.

Der Funkverkehr erfolgt über ein Funksystem mit einem Protokoll, welches den Verkehr der Funkeinheiten FE1 . . . FE4 untereinander ermöglicht, wobei der Zugriff der Funkeinheiten über ein Protokollelement geregelt ist. Zweckmäßiger Weise wird ein Zeit- und/oder Fre quenz-Division-Verfahren angewendet, wobei in bekannter Weise fehlerkorrigierende Codes verwendet werden, z. B. ein FEC (Forward Error Correction)-Verfahren, gegebenenfalls gekoppelt mit einem ARQ (Automatic Request)-Verfahren, so dass die Datenintegrität prinzipiell gesichert ist.The radio traffic takes place over a radio system with a protocol, which the traffic of the Radio units FE1. , , FE4 enables each other, with the access of the radio units is regulated via a protocol element. A time and / or Fre is expediently quenz division method applied, using error-correcting codes in a known manner are used, e.g. B. an FEC (Forward Error Correction) method, if necessary coupled with an ARQ (Automatic Request) procedure so that data integrity is secured in principle.

Da üblicherweise Frequenzen zur Anwendung kommen, die im Wesentlichen eine freie Sichtlinie zwischen den jeweiligen Antennen erfordern, z. B. 2,4 GHz, kann es aufgrund von Abschattungen durch bewegte Objekte, mehrfache Flexionen etc. zu einer kritischen Ver schlechterung eines Funkweges oder zu dessen Ausfall kommen. In der Zeichnung ist dies angedeutet durch ein bewegtes Objekt BEO, dass zwischen die Antenne PA3 der peripheren Einheit PE3 und die Antenne ZA3 der Funkeinheit FE3 gelangt. Wie ersichtlich befindet sich jedoch die Antenne PA3 der peripheren Einheit PE3 auch in Reichweite der Funkeinheit FE2 bzw. deren Antenne ZA2. Die einzelnen "Funkzellen" sind hier der Einfachheit halber kreisförmig gezeigt, doch es versteht sich, dass man die Antennen ZA1 . . . ZA4 den Gege benheiten entsprechend unterschiedlich räumlich anordnen wird bzw. deren Ausrichtung an die Gegebenheiten anpassen wird.Since frequencies are usually used, which are essentially free Require line of sight between the respective antennas, e.g. B. 2.4 GHz, it may be due to Shadowing due to moving objects, multiple flexions etc. to a critical ver deterioration of a radio path or its failure. In the drawing this is indicated by a moving object BEO that between the antenna PA3 of the peripheral Unit PE3 and the antenna ZA3 of the radio unit FE3 arrives. As can be seen however, the antenna PA3 of the peripheral unit PE3 is also within range of the radio unit FE2 or their antenna ZA2. The individual "radio cells" are here for the sake of simplicity shown in a circle, but it goes without saying that the antennas ZA1. , , ZA4 the opposite Arrange the corresponding spatial differences or their orientation will adjust the circumstances.

Natürlich muss durch das verwendete Protokoll gesichert sein, dass die einzelnen Funkein heiten miteinander verkehren können und erreicht wird, dass z. B. diese Funkeinheiten Zeit- oder frequenzversetzt senden.Of course, the protocol used must ensure that the individual radio signals are units can communicate with each other and it is achieved that, for. B. these radio units time or send with a frequency offset.

Weiters muss natürlich der Fall in Betracht gezogen werden, dass die von einer peripheren Einheit, z. B. der Einheit PE4 ausgesandten Daten gleichzeitig zu mindestens zwei Funkein heiten, hier den Funkeinheiten FE3 und FE4 gelangen, sodass gesichert sein muss, dass bei Empfang dieser Daten durch eine der beiden Funkeinheiten, die andere Einheit sodann die Information als überflüssig verwirft.Furthermore, of course, the case must be taken into account that the peripheral Unit, e.g. B. the unit PE4 transmitted data simultaneously to at least two radio units, here the radio units FE3 and FE4 arrive, so that it must be ensured that at Receipt of this data by one of the two radio units, the other unit then the Discards information as superfluous.

Die Peripherieeinheiten PE1 . . . PE6 können nach Sicherheitskriterien klassifiziert werden, wobei hier insbesondere zeitkritische Elemente eine Rolle spielen. Man sieht dann vor, dass für höher eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit zumindest zwei physika lisch getrennten Funkwegen vorgesehen sind, für tiefer eingestufte Peripherieeinheiten jedoch lediglich ein Funkweg mit je einer Funkeinheit, im vorliegenden Fall gilt dies für die peripheren Einheiten PE1, PE2 und PE6. Diese Klassifizierung wird zweckmäßiger Weise in einer Speicherliste der zentralen Steuereinheit ZST abgelegt und kann dort auch leicht modifiziert werden, wenn dies geänderte Verhältnisse, z. B. der Umbau einer Produktions trasse, erfordern.The peripheral units PE1. , , PE6 can be classified according to security criteria, time-critical elements in particular play a role here. One then provides that for higher classified peripheral units radio connections with at least two physics separate radio paths are provided for lower-rated peripheral units however only one radio path with one radio unit each, in the present case this applies to the peripheral units PE1, PE2 and PE6. This classification is conveniently in a memory list of the central control unit ZST and can also be stored there easily be modified if this changes conditions, e.g. B. the conversion of a production route, require.

Als Funksystem eignet sich, wie bereits erwähnt, beispielsweise ein solches, welches ein Time-Division-Verfahren verwendet, etwa das unter dem Namen "Bluetooth" bekannt gewordene System, welches näher beschrieben ist, z. B. in "Bluetooth Core Specification", Version 1.1. Bei diesem System muss allerdings im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass die einzelnen Untereinheiten, d. h. hier die Funkeinheiten FE1 . . . FE4, die man auch "Mas ter" nennen kann, im Gegensatz zu den "Slaves", nämlich den Sende-/Empfangseinheiten SE1 . . . SE6 über ein gemeinsames Bindeglied, nämlich das entsprechende Protokollelement (bei Bluetooth: "Scatternet"), miteinander kommunizieren können. Durch diese Fähigkeit ist es möglich, zwischen peripheren Einheiten und den Funkeinheiten, die der zentralen Steue rung zugeordnet sind, zumindest je zwei physikalische Funkpfade aufrecht zu erhalten, wobei durch Störung eines Funkpfades, z. B. durch Fading, keine für das System untragbare Verzögerung durch beispielsweise eine Rückfrage entsteht, da die Daten dann auf den anderen Funkpfad übertragen und sofort weitergeleitet werden.As already mentioned, a suitable radio system is, for example, one which Time division method used, such as that known under the name "Bluetooth" system that has been described, e.g. B. in "Bluetooth Core Specification", Version 1.1. With this system, however, it must be provided in the sense of the invention that the individual subunits, d. H. here the radio units FE1. , , FE4, which is also called "Mas ter ", in contrast to the" slaves ", namely the transmitter / receiver units SE1. , , SE6 via a common link, namely the corresponding protocol element (with Bluetooth: "Scatternet"), can communicate with each other. Because of this ability it is possible between peripheral units and the radio units that control the central are assigned to maintain at least two physical radio paths each, whereby by interference with a radio path, e.g. B. by fading, none intolerable for the system Delay due to a query, for example, occurs because the data is then transferred to the transmitted to another radio path and forwarded immediately.

Claims

1. Industrial control, which has a plurality of peripheral units (PE1... PE6) with sensor / actuator elements (SA1... SA6), which are connected for data traffic with a central control unit (ZST) via interfaces, characterized in that that
each peripheral unit (PE1... PE6) has a peripheral transmitting / receiving unit (SE1... SE6),
the central control unit (ZST) is assigned at least two radio units (FE1... FE4), the antennas (ZA1... ZA4) of which have different spatial configurations and / or orientations,
the data traffic between peripheral units and central control unit takes place via radio interfaces between the transceiver units and the radio units, a radio connection with at least two radio units (FE2, FE3; FE3, FE4) being made possible for at least one peripheral unit (PE3, PE4, PE5) .
the radio system used has a protocol which enables the radio units (FE1... FE4) to communicate with one another and the access of the radio units is regulated by a protocol element.

2. Industrial control according to claim 1, characterized by an FEC data security system of the radio system.

3. Industrial control according to claim 1 or 2, characterized by an ARQ Procedure with the radio system.

4. Industrial control according to one of claims 1 to 3, characterized in that the radio system works according to a time and / or frequency division method.

5. Industrial control according to one of claims 1 to 4, characterized in that the peripheral units (PE1 ... PE6) are classified according to security criteria, whereby for higher classified peripheral units (PE3, PE4, PE5) radio connections with at least two radio units (FE2, FE3; FE3, FE4), for deeply classified peripherals units (PE1, PE2, PE6) radio connections with only one radio unit (FE1, FE2, FE4) are possible.

6. Industrial control according to claim 5, characterized in that the classification the peripheral units (PE1... PE6) in a memory list of the central control units unit (ZST) is stored.

7. Industrial control according to one of claims 1 to 6, characterized in that the radio units (FE1... FE4) and the central control (ZST) on a serial Bus lie.