DE19834863A1 - Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einer numerischen Steuerung und einem räumlich getrennten Gerät - Google Patents
Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einer numerischen Steuerung und einem räumlich getrennten GerätInfo
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Abstract
Im Rahmen der Bemühungen eine numerische Steuerung für Werkzeugmaschinen mit erhöhter Betriebssicherheit zu schaffen, ist es erforderlich auch die Datenübertragung zwischen mobilen Eingabegeräten wie Handräder, Schalter und Taster von und zur Steuerung in Bezug auf ihre Betriebssicherheit zu optimieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bereits in dem mobilen Eingabegerät eine redundante Vorverarbeitung der Benutzereingaben erfolgt. Dabei werden die Ausgangssignale aller Eingabemittel an zwei Prozessoren des Eingabegeräts weitergeleitet und beide Prozessoren codieren die Benutzereingaben bevor sie diese an die Steuerung übertragen gemäß unterschiedlicher Codieralgorithmen. In der Steuerung werden die empfangenen und codierten Benutzereingaben durch zwei Prozessoren decodiert und danach miteinander auf Übereinstimmung verglichen. Nur bei Übereinstimmung werden die empfangenen Daten in der Steuerung weiterverarbeitet. Bei fehlender Übereinstimmung wird eine Fehlerbehandlung mit zweikanaliger Abschaltung der Werkzeugmaschine durchgeführt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen
einer numerischen Steuerung und einem räumlich getrennten Gerät nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 82 36 366.8 ist bekannt, daß
Werkzeugmaschinen zusätzlich zu einer Bedientafel eine zusätzliche mobile
Hand-Vorschubeinrichtung für spezielle Funktionen aufweisen können. Zu
der Bedientafel gehört meist auch eine Anzeigeeinrichtung, so daß der Be
nutzer dort alle Funktionen der Steuerung der Maschine auslösen und über
wachen kann. Die mobile Hand-Vorschubeinrichtung wird auch als elektroni
sches Handrad bezeichnet und ermöglicht es dem Benutzer, daß er bei
spielsweise den Vorschub für eine oder mehrere Maschinenachsen nicht nur
wenn er an der Bedientafel steht, sondern auch wenn er sich an einer weit
gehend beliebigen Stelle befindet, eingeben kann. Um dies zu ermöglichen,
weist die mobile Hand-Vorschubeinrichtung verschiedene Tasten, beispiels
weise zur Auswahl einer Achse, und einen Drehgeber zur Realisierung eines
Handrades auf. Die Verbindung zwischen Hand-Vorschubeinrichtung und
Steuerung erfolgt dabei über ein Kabel, das die zur Signalübertragung benö
tigten Leitungen aufweist.
Ein Verfahren zur sicheren Übertragung von Eingabedaten von der Hand-
Vorschubeinrichtung an die Steuerung wird dabei nicht offenbart.
Aus der DE 297 10 026 ist eine numerische Steuerung mit einem räumlich
getrennten Bediengerät bekannt, das ein Handrad zur Eingabe von Stellbe
fehlen aufweist. Die Übertragung der Stellbefehle von dem räumlich ge
trennten Bediengerät an die Steuerung erfolgt dabei in einem festen Zeitra
ster mittels einer drahtlosen Übertragungseinrichtung gemäß dem DECT-
Standard. Eine mechanische Verbindung zwischen Steuerung und Bedien
gerät, beispielsweise mittels eines Kabels, besteht nicht.
Diese Ausführungsform weist den Nachteil auf, daß sie besonders leicht
durch die in einer Maschinenhalle vorhandenen elektromagnetischen Felder
gestört werden kann. Bei Benutzung des Bediengeräts besteht daher per
manent die Gefahr der Fehlfunktion der Maschine nicht nur aufgrund des
Versagens von elektrischen Baugruppen, sondern zusätzlich aufgrund von
Störungen der Funkübertragung.
Bezüglich der Anforderungen an fehlersichere Systeme, insbesondere
Steuerungen, existieren bereits verschiedene Richtlinien. In der EN 954-1 ist
festgelegt, daß ein fehlersicheres System der Kategorie 3 durch einen ein
zelnen Fehler nicht in einen unsicheren Betriebszustand wechselt, sondern
trotz des Fehlers weiterhin ein sicheres System bleibt.
Weist das System ein von der Steuerung getrennt angeordnetes Eingabege
rät auf, so ist auch die Datenübertragung zwischen der Steuerung und dem
Eingabegerät gemäß einem sicheren Übertragungsverfahren auszugestal
ten, um insgesamt ein sicheres System zu realisieren. Dafür wurden bisher
mehrere Übertragungsverfahren benutzt. Bei einem möglichen sicheren
Übertragungsverfahren werden die in der Steuerung empfangenen Eingabe
daten wieder an das Eingabegerät zurückübertragen und dort mit den
ursprünglich an die Steuerung gesendeten Eingabedaten verglichen. Wird
dabei Übereinstimmung erkannt, ist bei der Übertragung kein Fehler aufge
treten; wird keine Übereinstimmung erkannt, muß dies durch das Eingabege
rät der Steuerung mitgeteilt werden, wofür eine erneute Datenübertragung
erforderlich wird.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß sowohl durch das Eingabege
rät als auch durch die Steuerung Daten übertragen werden müssen, wes
halb sowohl im Eingabegerät als auch in der Steuerung Sende-
/Empfangsbaugruppen vorgesehen sein müssen. Weiterhin muß die Steue
rung warten, bis durch das Eingabegerät sicher kein Fehler bezüglich der
Eingabedaten mehr gemeldet wird. Dies führt zu einer Verzögerung bei der
Abarbeitung der Eingabedaten. Weiter von Nachteil ist, daß bei einem Feh
ler, der erst bei der Rückübertragung der Eingabedaten von der Steuerung
an das Eingabegerät aufgetreten ist, ebenfalls eine fehlerhaft Übertragung
vom Eingabegerät an die Steuerung erkannt und eine Fehlerbehandlung
ausgelöst wird.
Aus der EP 182 134 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines signaltechnisch
sicheren Mehrrechnersystems, insbesondere für das Eisenbahnsicherungs
wesen, bekannt. Sobald in diesem Mehrrechnersystem Störungen erkannt
werden, werden sogenannte Langtelegramme für den Datenaustausch zwi
schen Rechnern übertragen. Diese Langtelegramme zeichnen sich dadurch
aus, daß sie aus je zwei inhaltlich gleichen Telegrammen üblicher Länge
bestehen und über bisher nicht als gestört erkannte Übertragungskanäle
übertragen werden. Dadurch wird eine höherredundante Datenübertragung
erreicht. Dabei kann eines der beiden üblichen Telegramme invertiert über
tragen werden.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß ein Langtelegramm von einem
einzigen Rechner gebildet und übertragen wird. Dadurch ist es nicht möglich
Störungen eines Rechners zu erkennen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren für eine
möglichst schnelle Datenübertragung anzugeben, bei dem möglichst wenig
zusätzlicher Aufwand erforderlich ist, um die Datenübertragung zwischen
Steuerung und Gerät sicher auszugestalten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebe
nen Merkmalen gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind den jeweils abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß auf besonders
einfache Weise eine sichere Datenübertragung zwischen Eingabegerät und
Steuerung realisiert wird. Es werden, aufgrund der Eingaben durch den
Benutzer, die ohnehin von beiden Prozessoren des Eingabegeräts unab
hängig voneinander ermittelten Nachrichten unterschiedlich codiert und
nacheinander an die Steuerung übertragen. In der Steuerung werden ohne
hin vorhandene Datenübertragungswege benutzt, ohne daß dabei die Ge
fahr einer unzulässigen Veränderung der Übertragungsdaten besteht. Eine
besonders große Fehlersicherheit wird vorteilhaft dann erreicht, wenn zur
Codierung der Nachrichten Fehlersicherungscodes verwendet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert. Die Figur zeigt ein mögliches Eingabe
gerät, welches Benutzereingaben an eine Steuerung überträgt.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert
werden, bei dem das räumlich entfernte Gerät durch ein Eingabegerät 1 rea
lisiert wird. Die Figur zeigt eine mögliche schaltungstechnische Realisierung
des Eingabegeräts 1. Ein erster Prozessor 1.2.1 ist mit einem Drehgeber 1.1
und weiteren Eingabebaugruppen wie einer Ein-/Ausgabe-Anordnung 1.4,
die einen Not-Aus-Taster beinhalten kann, und einer Schnittstelle 1.3 ver
bunden. Weiterhin ist ein zweiter Prozessor 1.2.2 vorgesehen, der ebenfalls
mit dem Drehgeber 1.1, der Ein-/Ausgabe-Anordnung 1.4 und mit dem
ersten Prozessor 1.2.1 verbunden ist. Die Schnittstelle 1.3 ist zusätzlich über
eine Leitung 2 mit einer Steuerung 3 verbunden. Die Steuerung 3 besteht
aus einem ersten Prozessor 3.1, einem zweiten Prozessor 3.3 und einem für
die beiden Prozessoren 3.1 und 3.3 gemeinsamen Speicher 3.2.
Die Ein-/Ausgabe-Anordnung 1.4 weist eine Reihe von Tastern, insbeson
dere einen Not-Aus-Taster, und Schalter auf, damit erforderliche Benut
zereingaben durchgeführt werden können. Weiterhin weist diese Baugruppe
optische und/oder akustische Signalisierungsmittel, wie beispielsweise
Leuchtdioden, einen Bildschirm und/oder eine Sprachausgabe, auf, die dem
Benutzer die Eingaben quittieren oder ausgewählte Betriebszustände anzei
gen. Werden auch Betriebszustände der Steuerung 3 angezeigt sind ent
sprechende Baugruppen für eine Datenübertragung von der Steuerung 3 an
das Eingabegerät 1 vorzusehen.
Weiterhin ist ein Handrad mit einem Drehgeber 1.1 für die Eingabe von
Befehlssignalen durch den Benutzer vorgesehen. Durch das Handrad 1.1
werden bevorzugt Achsbewegungen der gesteuerten Maschine eingegeben.
Im Betrieb werden alle Eingaben des Benutzers, beispielsweise über den
Drehgeber 1.1 und die Ein-/Ausgabe-Anordnung 1.4, den beiden Prozesso
ren 1.2.1 und 1.2.2 zugeleitet und durch beide Prozessoren 1.2.1 und 1.2.2
auf Übereinstimmung überprüft. Dadurch wird mittels einer wechselseitigen
Überwachung der beiden Prozessoren 1.2.1 und 1.2.2 eine erhöhte
Betriebssicherheit erreicht.
Damit eine korrekte Verbindung zwischen der Steuerung 3 und dem Einga
begerät 1 überwacht und beispielsweise eine Störung im Verbindungskabel
2 ermittelt werden kann, ist die Anwendung verschiedener Maßnahmen zur
Sicherstellung einer hohen Übertragungssicherheit möglich.
Erfindungsgemäß werden in beiden Prozessoren 1.2.1 und 1.2.2 die Aus
gangssignale des Drehgebers 1.1 und der Ein-/Ausgabeanordnung 1.4 mit
tels unterschiedlicher Codierungsalgorithmen codiert. Dabei ist einem Pro
zessor immer nur ein Codierungsalgorithmus bekannt. Derart werden aus
identischen Eingaben aufgrund der unterschiedlichen Codierungsalgorith
men durch die beiden Prozessoren 1.2.1 und 1.2.2 unterschiedliche digitale
Übertragungsdaten erzeugt. Diese Übertragungsdaten werden in ein be
stimmtes Übertragungsprotokoll eingefügt und über die Leitung 2 an die
Steuerung 3 übertragen.
Als Codieralgorithmen können Algorithmen verwendet werden, die einen
besonders gut verschlüsselten Code und/oder einen Code mit hoher Fehler
sicherheit erzeugen. Als fehlersichere Codes können CRC-Codes, Ham
mingcodes oder einfache Quersummen verwendet werden. Diese bewirken
in gewissem Maße auch eine Verschlüsselung.
Bei der Übertragung werden die Übertragungsdaten des Prozessors 1.2.2
an den Prozessor 1.2.1 gesendet und zusammen mit den Übertragungsda
ten des Prozessors 1.2.1 über die Schnittstelle 1.3 und die Leitung 2 an den
Prozessor 3.1 der Steuerung 3 übertragen. Der Prozessor 3.1 erkennt die für
ihn bestimmten und die für Prozessor 3.3 bestimmten Übertragungsdaten.
Diese Erkennung kann beispielsweise aufgrund der Reihenfolge der Über
tragungsdaten erfolgen. Hierfür wird festgelegt, daß die erste Hälfte der vom
Prozessor 3.1 empfangenen Übertragungsdaten für Prozessor 3.3 bestimmt
ist und die zweite Hälfte der empfangenen Übertragungsdaten für Prozessor
3.1 oder umgekehrt. Alternativ kann die Erkennung auch anhand einer
Kennzeichnung von Übertragungsdaten erfolgen, die entweder von Prozes
sor 1.2.1 oder Prozessor 1.2.2 oder beiden Prozessoren im Eingabegerät 1
erfolgt ist. Auch dann leitet Prozessor 3.1 die für Prozessor 3.3 bestimmten
Übertragungsdaten unverändert an diesen weiter.
In der Steuerung 3, welche die beiden Prozessoren 3.1 und 3.3 aufweist, ist
in einem ersten Prozessor 3.1 ein erster Decodierungsalgorithmus gespei
chert; in einem zweiten Prozessor 3.3 ist ein zweiter, unterschiedlicher
Decodierungsalgorithmus gespeichert. Dabei wird durch den ersten Deco
dierungsalgorithmus die im ersten Prozessor 1.2.1 des Eingabegeräts 1
erfolgte Codierung und durch den zweiten Decodierungsalgorithmus die im
zweiten Prozessor 1.2.2 des Eingabegeräts 1 erfolgte Codierung durch die
Prozessoren 3.1 und 3.3 der Steuerung 3 wieder decodiert.
Dabei ist erfindungsgemäß einem ersten Prozessor 1.2.1 im Eingabegerät 1
ausschließlich ein erster Codierungsalgorithmus und einem ersten Prozes
sor 3.1 in der Steuerung 3 ausschließlich ein dazu inverser erster Decodie
rungsalgorithmus bekannt. Entsprechend ist einem zweiten Prozessor 1.2.2
im Eingabegerät 1 ausschließlich ein zweiter Codierungsalgorithmus und
einem zweiten Prozessor 3.3 in der Steuerung 3 ausschließlich ein dazu
inverser zweiter Decodierungsalgorithmus bekannt.
Nach der Decodierung der empfangenen Nachrichten vergleichen die beiden
Prozessoren 3.1 und 3.3 der Steuerung 3 die empfangenen Eingaben des
Benutzers auf Gleichheit. Dafür werden die Benutzereingaben über den
gemeinsamen Speicher 3.2 ausgetauscht. Beide Prozessoren 3.1 und 3.3
schreiben hierfür die durch sie decodierten Übertragungsdaten in einen für
jeden Prozessor individuellen Speicherbereich des gemeinsamen Speichers
3.2 und lesen anschließend aus dem anderen Speicherbereich des gemein
samen Speichers 3.2 die durch den jeweils anderen Prozessor decodierten
Übertragungsdaten aus. Dann werden in beiden Prozessoren 3.1 und 3.3
die aus dem Speicher 3.2 ausgelesenen mit den selbst decodierten Übertra
gungsdaten auf Gleichheit überprüft. Bei Ungleichheit wird ein Übertra
gungsfehler festgestellt. Dabei ist der Speicher 3.2 nicht zwingend erforder
lich, alternativ können die decodierten Übertragungsdaten auch direkt zwi
schen den Prozessoren 3.1 und 3.3 ausgetauscht werden.
Wird ein Übertragungsfehler erkannt, wird durch die Steuerung 3 eine Feh
lerbehandlung durchgeführt. Dabei werden alle Antriebe der Maschine zwei
kanalig durch die Prozessoren 3.1 und 3.3 stillgesetzt, so daß sich keine
Komponente der Maschine mehr bewegen kann. Weiterhin wird an den
Benutzer eine Fehlermeldung ausgegeben, die einen Hinweis auf die fehler
hafte Datenübertragung zwischen Eingabegerät 1 und Steuerung 3 gibt.
Alternativ oder ergänzend kann die beschriebene Art der sicheren Daten
übertragung auch für eine Datenübertragung von anderen Baugruppen mit
der Steuerung 3 benutzt werden. Dabei ist lediglich zu beachten, daß die mit
der Steuerung kommunizierenden Baugruppen zwei unabhängige Prozesso
ren aufweisen müssen. Diese Bedingung ist aufgrund der zunehmend gefor
derten Fehlersicherheit von Steuerungen einschließlich ihrer Komponenten
jedoch meist ohnehin erfüllt.
Anschließend erfolgt die Übertragung von Daten zwischen den Prozessoren
3.1 und 3.3 der Steuerung 3 und den zwei Prozessoren 1.2.1, 1.2.2 einer
beliebigen Komponente der gesamten numerischen Steuerung wie bereits
für das Eingabegerät 1 beschrieben.
Claims (9)
1. Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einer numerischen
Steuerung und einem räumlich getrennten Gerät, insbesondere Eingabe
gerät (1), bei dem Nachrichten an mindestens zwei voneinander unab
hängigen Prozessoren (1.2.1, 1.2.2) des Geräts (1) vorliegen, die Nach
richten anschließend in mindestens zwei Prozessoren (1.2.1, 1.2.2) des
Geräts (1) mittels unterschiedlicher Codieralgorithmen codiert werden, die
codierten Nachrichten der mindestens zwei Prozessoren (1.2.1, 1.2.2) an
die Steuerung (3) übertragen werden, die codierten Nachrichten in der
Steuerung mindestens zwei Prozessoren (3.1, 3.3) zugeleitet und in den
beiden Prozessoren (3.1, 3.3) der Steuerung (3) unabhängig voneinander
durch unterschiedliche, zu den Codieralgorithmen inversen Decodieralgo
rithmen decodiert werden, anschließend die decodierten Nachrichten auf
Gleichheit überprüft werden und bei fehlender Gleichheit eine Fehlerbe
handlung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra
gung der durch die Prozessoren (1.2.1, 1.2.2) des Eingabegeräts (1) co
dierten Nachrichten über eine einzige Leitung (2) im Multiplex erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Über
tragung der Nachrichten an die Steuerung (3) ein Zeit-, Code- oder Fre
quenzmultiplex benutzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Übertragung die codierte Nachricht eines zweiten Prozessors
(1.2.2) des Eingabegeräts (1) an einen ersten Prozessor (1.2.1) des Ein
gabegeräts (1) übertragen wird, daß von dem ersten Prozessor (1.2.1)
beide codierte Nachrichten über die Schnittstelle (1.4) an die Steuerung
(3) überfragen werden, daß beide codierte Nachrichten von einem ersten
Prozessor (3.1) der Steuerung (3) empfangen werden und daß die für den
zweiten Prozessor (3.3) der Steuerung (3) bestimmte Nachricht erkannt
und an diesen zweiten Prozessor (3.3) weitergeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste oder
zweite Hälfte der Übertragungsdaten als für den ersten oder zweiten Pro
zessor (3.3) bestimmte Nachricht erkannt wird oder daß durch einen oder
beide Prozessoren (1.2.1, 1.2.2) des Eingabegeräts (1) die für den ersten
und/oder zweiten Prozessor (3.1, 3.3) der Steuerung (3) bestimmte Nach
richt gekennzeichnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Codierung der Nachrichten in den Prozessoren (1.2.1, 1.2.2) ein
Code zur Verschlüsselung und/oder zur Fehlersicherung benutzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein CRC-
Code, Hammingcode oder eine Quersumme benutzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Fehlerbehandlung eine zweikanalige Abschaltung der
Werkzeugmaschine durch beide Prozessoren (3.1, 3.3) der Steuerung (3)
erfolgt und an den Benutzer eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß es für die sichere Datenübertragung zwischen einer
Komponente einer Steuerung (1), welche zwei unabhängige Prozessoren
(1.2.1, 1.2.2) aufweist, und den Prozessoren (3.1, 3.3) der Steuerung (3)
verwendet wird.
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