DE29907909U1 - Einsteckkarte und integriertes Überwachungssystem für Prozesse - Google Patents
Einsteckkarte und integriertes Überwachungssystem für ProzesseInfo
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Description
-i-
Spectrum Systementwicklung Microelektronic GmbH 4. Mai 1999
A 28795-Gbm AL/La
Die Erfindung betrifft eine Einsteckkarte und ein integriertes Überwachungssystem für Prozesse gemäß den Ansprüchen 1,10 und 13.
Die Prozeßüberwachung hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung
gewonnen. Dies liegt zum einen an den hohen Anforderungen, die an heutige Fertigungsprozesse bezüglich Wirtschaftlichkeit und Produktqualität gestellt
werden. Zum anderen spielen Aspekte der Arbeitssicherheit und der Produktverfolgung eine verstärkte Rolle. Die Prozeßüberwachung stellt somit
einen wichtigen Baustein im Bereich hoch automatisierter Fertigungseinrichtungen dar. Eine wirtschaftliche Fertigung ist in vielen
Bereichen oftmals nur durch den Einsatz von Überwachungssystemen möglich.
Heutige Überwachungssysteme basieren in der Regel auf externen Systemen, die
neben der Maschinensteuerung in die Fertigungseinrichtung integriert werden. Dabei treten zahlreiche Nachteile auf.
Da die Überwachungsgeräte als externe Geräte mit der Maschinensteuerung
verbunden werden, ist eine Integration in die NC-Steuerung bislang nur unzureichend erfolgt. Außerdem besitzen die derzeit bekannten Systeme nur eine
geringe Speicherkapazität und ermöglichen das Abspeichern nur weniger Prozeßdaten. Eine Datenspeicherung ist nur mit Hilfe externer Geräte (bspw. PC,
Notebook) möglich. Falls ein Massenspeicher in Form einer magnetischen Festplatte verwendet wird, ist dieser daher anfällig gegen Erschütterungen und
Stöße.
Desweiteren erfolgt die Anbindung der Sensoren an die Überwachungseinrichtung
parallel über analoge Schnittstellen. Dies bedeutet einen hohen Verdrahtungsaufwand und hohe Störempfindlichkeit. Die Sensoren sind nicht
über Software parametrierbar, so daß eine Veränderung von Parametern, wie z.B.
Verstärkungsfaktoren und Filterwerten, zumeist nur durch Schalter und Lötbrücken, d.h. eine Veränderung der Hardware in der Sensor-Elektronikeinheit
erfolgen kann. Es ist daher keine Anpassung von Verstärkungs- und Dämpfungswerten der Sensor-Elektronikeinheiten vor einer Bearbeitung möglich.
Das Einrichten der Systeme ist aufgrund des Einstellens einer großen Anzahl von
Parametern sehr aufwendig oder es sind nur sehr begrenzte und einfache Überwachungsverfahren möglich.
Die unabhängige Überwachung mehrerer Kanäle bedeutete bislang die Verwendung einer eigenen Hardware je Kanal und damit erhöhte Kosten.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Überwachungssystem für Prozesse
bereitzustellen, das diesen Nachteilen abhilft.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einsteckkarte und ein
Überwachungssystem gelöst, wie sie in den Ansprüchen 1, 10 und 13 definiert sind.
Die erfindungsgemäße Einsteckkarte gemäß Anspruch 1 und das integrierte
Überwachungssystem gemäß den Ansprüchen 10 und 13 haben den Vorteil, daß
sie einfach in die Fertigungseinrichtung eingebunden werden können. Ein kommerzieller Vorteil des Systems liegt in dem integrierten Lösungsansatz.
Durch die Busschnittstellen kann der externe Hardwareaufwand auf ein Minimum reduziert werden. Die Zusammenlegung von mehreren Kanälen auf einem System
bedeutet eine zusätzliche Kostenreduktion. Ein Vorteil stellt auch die Möglichkeit
der Anbindung an den ISA-Standard dar, der im Bereich der Steuerungstechnik
mittlerweile eine hohe Verbreitung gefunden hat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung
im Zusammenhang mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 zeigt die Struktur und den Aufbau einer Einsteckkarte gemäß einer
bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt die Anbindung der Einsteckkarte gemäß Fig. 1 an eine Maschinensteuerung und an Sensor-Elektronikeinheiten gemäß einer
bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt die Struktur und den Aufbau einer Einsteckkarte 1 gemäß einer
bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung. Eine Einsteckkarte 1 weist eine CPU 2 bzw. einen Mikroprozessor auf, die beispielsweise durch einen
Mikroprozessor vom Typ M 68360 von Motorola gebildet sein kann. Eine über eine Batterie 5 gepufferte Speichereinheit 3, die vorzugsweise aus einem 3 Mbyte
SRAM (Cache), einem 1 Mbyte Flash-Speicher (für die Programmspeicherung) und einem 128 kByte Flash-Speicher (für das "Boot"-Programm) gebildet ist, ist
mit der CPU 2 verbunden. Eine zweite Speichereinheit 4, im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein Flash-Speicher (Flash Disk oder Flash Drive), ist über eine IDE-Schnittstelle
6 (IDE-Interface) mit der CPU 2 verbunden.
Die CPU 2 steht außerdem mit einer auf der Karte integrierten Service-Schnittstelle
7 (RS-232) zum Anschluß an ein Modem in Verbindung. Eine integrierte Sensorbus-Schnittstelle 8 (RS 485) steht über eine ISO-Schnittstelle 10
und einen Kommunikationsprozessor 11 (z.B. ein Kommunikationsprozessor von
Atmel) mit der CPU 2 in Verbindung. Eine integrierte Feldbus-Schnittstelle 9 (RS
485) steht über eine ISO-Schnittstelle (12) und einen Feldbus-Datenprozessor 13 (SPC 3), im vorliegenden Besipiel ein Profibus-Datenprozessor, mit der CPU 2 in
Verbindung. Bei dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird
bevorzugt für den Feldbus ein Profibus verwendet und daher ist hier die Feldbus-Schnittstelle
9 eine Profibus-Schnittstelle. Es kann jedoch auch jeder andere geeignete Feldbus verwendet werden. Zur Verbindung der CPU 2 mit dem Host-Rechner
(nicht gezeigt) ist eine Busschnittstelle 14 ("16-Bit ISA-Slot")
bereitgestellt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist diese Busschnittstelle 14 in vorteilhafter Weise eine ISA-Busschnittstelle. Es kann
jedoch auch jede andere geeignete Busschnittstelle verwendet werden. Zwischen der CPU 2 und der ISA-Busschnittstelle 14 ist ein Adressdekoder 15 vorgesehen,
der auf an sich bekannte Weise für die Kodierung und Dekodierung der Adress- und Speicherzugriffe im PC zuständig ist. Eine Echtzeit-Uhr 16 versorgt die CPU
2 mit der notwendigen Zeitsteuerung.
Die Spannungsversorgung der Einsteckkarte 1 erfolgt über die ISA-Schnittstelle
14, über die auch die Kommunikation mit dem Hostrechner erfolgt.
Die Fig. 2 zeigt die Anbindung der Einsteckkarte 1 an eine Maschinensteuerung
und Sensor-Elektronikeinheiten. Eine Maschinensteuerung 17 ist wahlweise über die integrierte Profibus-Schnittstelle 9 mit der Einsteckkarte 1 oder über eine I/O-Box
20 mit Sensor-Elektronikeinheiten 19 verbunden. Sensoren 18 sind jeweils über die Sensor-Elektronikeinheiten 19 mit der integrierten Sensorbus-Schnittstelle
7 der Einsteckkarte 1 verbunden.
Die Sensor-Elektronikeinheiten 19 sind vorzugsweise intelligente Einheiten.
Diese intelligenten Sensor-Elektronikeinheiten 19 ermöglichen jeweils die Versorgung eines Sensors 18, die Erfassung der Sensordaten, die
Meßsignalvorverarbeitung (Signalfilterung, -verstärkung usw.) und die einfache Signalanalyse (digitales Filtern, Erfassen der Spitzenwerte, usw.). Unter einer
intelligenten Sensor-Elektronikeinheit 19 wird daher ein Modul verstanden,
welches einen eigenen MikroController (z.B. vom Typ AVR AT 90S8515 von
Atmel), Filter, Verstärker, eine Stromversorgung und eine Sensorbusschnittstelle
aufweist. Die Sensor-Elektronikeinheit 19 kann über die Einsteckkarte 1 gemäß der Erfindung vor jeder Bearbeitung neu parametriert werden. Dies betrifftz.B. die
Verstärkungsfaktoren, die Filterwerte und die Verrechnung mehrerer Eingangssignale zu einem Summensignal.
Gemäß der Erfindung wird ein System zur mehrkanaligen Überwachung von
Prozessen ermöglicht. Signale werden über die schnelle Sensorbus-Schnittstelle 7
von den intelligenten Sensor-Elektronikeinheiten 19 gelesen. Das Abspeichern der
Prozeßdaten erfolgt auf einem eigenen Speicher 4 auf der Einsteckkarte 1. Durch
die Profibus-Schnittstelle 9 wird die Überwachung mit dem Bearbeitungssprozeß synchronisiert. Über sogenannte automatisierte Einstellroutinen kann das
Überwachungssystem einfach in die Fertigungseinrichtung eingebunden werden. Die automatisierten Einstellroutinen führen z.B. die Erkennung der Sprache auf
der Steuerung und die damit verbundene Sprachumschaltung, die Erkennung der Sensoren am Sensorbus und die automatische Konfiguration der Verstärkungsund
Filterwerte durch. Die Ein- und Ausgänge der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) werden selbständig zugeordnet und die Uhrzeit der Echtzeit-Uhr
16 auf der Einsteckkarte 1 wird automatisch mit der Uhrzeit des Hostrechners
abgeglichen. Das Überwachungssystem erkennt vorzugsweise selbständig das in der speicherprogrammierbaren Steuerung aufgerufene NC-Programm und das
eingesetzte Werkzeug.
Die Einsteckkarte 1 gemäß der Erfindung erlaubt die Überwachung von
beispielsweise bis zu vier Sensorkanälen. Eine Erweiterung auf eine größere Anzahl von Kanälen ist möglich (z.B. 16). Durch die Verwendung von mehreren
Einsteckkarten gemäß der Erfindung kann die Anzahl der überwachten Kanäle erhöht werden. Die einzelnen Kanäle sind unabhängig voneinander und können zu
verschiedenen Zeitpunkten gestartet, gestoppt und parametriert werden.
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Mit dem Kommunikationsprozessor 11 für die Sensorbus-Schnittstelle 8 wird
vorzugsweise eine Datenrate von bis zu 460,8 kBaud bei gleichzeitig hoher Störsicherheit erreicht. Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform verarbeitet die
CPU 2 die Daten im Hammingeode mit Hamming-Distanz Stufe 4 und ist für die
Verschlüsselung und Entschlüsselung zuständig.
Für die Kommunikation mit den Sensor-Elektronikeinheiten 19 ist ein
echtzeitfähiges Sensorbusprotokoll definiert. Dies ermöglicht die Abfrage der
Meßdaten sowie die Steuerung und Parametrierung der Sensoren 18 mit definierten Antwortzeiten. Die Sensor-Elektronikeinheiten 19 werden über ein
Leitungspaar mit der Einsteckkarte 1 verbunden. Jede Sensor-Elektronikeinheit 19
besitzt eine eigene Adresse (Seriennummer). Bei der Konfiguration des Netzwerkes erfolgt eine automatische Suche, so daß nach einer Zeit von maximal
60 see alle Sensoren 18 am Sensorbus erkannt werden. Diese Funktion wird in
einer übergeordneten Bediensoftware, die im Host-Rechner installiert ist, durch eine Funktion „Autosuchen" aufgerufen. Dabei greift das Programm im
Hostrechner über die ISA-Schnittstelle 14 oder die Service-Schnittstelle 7 auf die
Einsteckkarte 1 zu.
Die Überwachungsdaten werden beispielsweise in einem Takt von 10 ms
verarbeitet und die Sensordatenvorverarbeitung erlaubt eine Abtastrate unter 1 ms.
Damit kann für eine Kollisionsüberwachung eine Reaktionszeit unter 1 ms garantiert werden.
Das auf der Einsteckkarte 1 aufgebrachte Speichermedium 14 in Form einer
Flash-Speicherkarte wird für die Speicherung der Schnittstellendaten und von Lerndaten verwendet. Lerndaten werden üblicherweise aus einem Referenzprozeß
berechnet, der vor dem Anlaufen des eigentlichen Prozesses durchgeführt worden ist und dessen Prozeßdaten gespeichert wurden. Lerndaten bestehen z.B. aus
Informationen über maximale obere/untere Grenzen, positive und negative
-7-
Steigungen, Flächenintegrale, die Dauer des Prozesse usw. Jeder Bearbeitungsprozeß wird dann mit diesem Referenzprozeß verglichen.
Bei einer sogenannten „Autolernfunktion" werden alle bisherigen Lernwerte auf
einen Standardwert, z.B. 150% eines oberen Grenzwertes zurückgesetzt. Dann wird der eigentliche Prozeß durchgeführt und am Ende des Prozesses werden die
Verstärkungs- und Filterwerte berechnet. Darauffolgend werden ein oder mehrere weitere Prozesse durchgeführt, bei denen die Lernwerte, z.B. positive Steigungen,
das Flächenintegral usw. angepaßt werden. Dadurch werden quasi Mittelwerte von mehreren Prozessen berechnet. Da dies bei vielen Prozessen automatisch
mittels mehrerer Bearbeitungen geschieht, wird das Verfahren üblicherweise als „Autolernen" bezeichnet. Die Autolernfunktion ist als Programmmodul auf der
Einsteckkarte 1 implementiert.
Eine Autolernfunktion ermöglicht bspw. den automatischen Abgleich der
Verstärkung und der Filterzeiten. Während des Referenzprozesses wird mit der niedrigsten Verstärkung überwacht. Nach dem Ende der Bearbeitung wird dann
aus dem höchsten aufgetretenen Wert die im folgenden notwendige Verstärkung berechnet. Die notwendigen Glättungszeiten werden aus der „Unruhe" des Signals
ermittelt. Hierbei wird der Abstand der auftretenden Signalspitzen errechnet und
die halbe Filterfrequenz eingestellt.
Alle Autolernfunktionen können vorzugsweise für den manuellen Betrieb
abgestellt werden.
Auch die Errechnung der Nullungswerte und Verzögerungszeiten erfolgt
automatisch. Für Kraftsignale wird die Zeit bis zum ersten Anstieg ermittelt, aus
dieser werden die Nullungszeit und eine eventuelle Verzögerungszeit errechnet. Bei Wirkleistungssignalen wird das Hochlaufen des Antriebs mit berücksichtigt.
Durch die Verzögerungszeit wird automatisch das Hochlaufen des Antriebs
ausgeblendet. Die Zeit bis zum zweiten Anstieg wird für die Nullung verwendet.
Auch diese Funktionen können für den manuellen Betrieb abgestellt werden.
Die zu speichernden Daten werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in Form eines Ringspeichers angelegt. Das bedeutet, daß der Speicher 14 bis zum Ende mit den aktuellen Daten vollgeschrieben wird. Ist die
Speicherkapazität nahezu erschöpft, werden die am längsten zurückliegenden Daten überschrieben. Diese Ringspeichermethode ist zwar aufwendig, wird aber
bevorzugt, da eine einzelne Speicherstelle des Flash-Mediums nur bis zu 300.000 mal beschrieben werden darf. Das Flash-Medium bietet jedoch gegenüber der
magnetischen Festplatte die Vorteile der Stoßfestigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Schwingungen.
Die Überwachung wird über die Feldbus-Schnittstelle 9 mit dem Bearbeitungsprozeß synchronisiert. Ist kein Feldbusanschluß verfügbar, werden
die notwendigen Signale über eine gesonderte Eingangs-/Ausgangsbox 20 (I/O-Box)
erfaßt. Diese wird mit der SPS der Steuerung verbunden.
Über den Feld- bzw. Profibus können neben den Synchronisationsdaten in
vorteilhafter Weise auch prozeßspezifische Achssignale wie Drehmomente, Motorströme und Achsgeschwindigkeiten übertragen werden. Das Protokoll kann
beispielsweise die Abfrage von bis zu acht verschiedenen Achsen erlauben. Die Erfindung wird hier beispielhaft am Fall einer Werkzeugmaschinen-Prozeßüberwachung
erklärt. Sie findet selbstverständlich jedoch auch Anwendung bei anderen Prozessen, die überwacht werden müssen, z.B. chemische oder
verfahrenstechnische Prozesse. Die Sensoren liefern dann Informationen über Druck, Temperatur usw.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (nicht gezeigt)
werden die benötigten Steuerdaten direkt aus dem Steuerkern der Maschinensteuerung 17 über den Feldbus an die CPU 2 der Einsteckkarte 1
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geliefert. In diesem Fall wird keine spezielle Sensorik benötigt und die Sensorbus-Schnittstelle
8 auf der Einsteckkarte 1 kann entfallen.
Da die Einsteckkarte einen eigenen Prozessor (CPU 2) aufweist, der für die
Überwachung zuständig ist, wird die CPU des Hostrechners nicht mit
Rechenleistung belegt. Das Überwachungssystem ist daher bis auf die Spannungsversorgung absolut unabhängig von dem Rechner, in den die
Einsteckkarte 1 eingesteckt ist.
Die Service-Schnittstelle 7 ermöglicht den Zugang zum Überwachungssystem
über eine RS-232 Standardschnittstelle. Hierüber können alle Einstellungen, Software-Updates sowie die Prozeßvisualisierung erfolgen. Durch die Auslegung
als Modemschnittstelle sind über ein Modem Teleservice- und Ferndiagnose-Funktionalitäten
verfügbar. Dadurch ist das System aus der Ferne voll bedien- und parametrierbar.
Die Visualisierung der Prozeßdaten kann über ein Programm auf dem Hostrechner
(Steuerung, Industrie-PC) erfolgen. Es können dann ein, zwei oder vier usw. Kanäle auf dem Monitor dargestellt werden. Zwischen den verschiedenen
Ansichten kann beispielsweise manuell umgeschaltet werden.
Die Systemeinstellung kann über eine grafische Bedienoberfläche erfolgen. Durch
eine einfache Bedienung und ergonomische Benutzerführung ist eine schnelle Einstellung des Systems möglich. Für die Visualisierungs- und Bediensoftware
können beispielsweise bis zu vier unterschiedliche Benutzerstufen eingerichtet werden. Jedem Benutzer kann dann über einen Benutzernamen und ein Paßwort
eine eigene Zugangsberechtigung verschafft werden.
Claims (13)
1. Einsteckkarte (1) für ein integriertes Überwachungssystem für Prozesse,
die aufweist:
einen Mikroprozessor (2),
eine Speichereinheit (4) zum Abspeichern der Prozeßdaten, die mit dem Mikroprozessor (2) verbunden ist,
eine Sensorbus-Schnittstelle (8) und eine Feldbus-Schnittstelle (9),
die mit dem Mikroprozessor (2) verbunden sind, und
eine Schnittstelle (14) zur Verbindung des Mikroprozessors (2) mit
einem Host-Rechner.
2. Einsteckkarte gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie
außerdem eine Service-Schnittstelle (7) aufweist.
3. Einsteckkarte gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldbus-Schnittstelle (9) eine Profibus-Schnittstelle
ist.
4. Einsteckkarte gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (14) zur Verbindung mit dem Host-Rechner
eine ISA-Schnittstelle ist.
5. Einsteckkarte gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit (4) ein Flash-Speicher ist.
-2-
6. Einsteckkarte gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten in der Speichereinheit (4) in Form eines
Ringspeichers angelegt sind.
7. Einsteckkarte gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikation mit an der Sensorbus-Schnittstelle
(8) angeschlossenen Sensoren in Echtzeit abläuft.
8. Einsteckkarte gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis auf die Versorgungsspannung von dem Host-Rechner
unabhängig ist.
9. Einsteckkarte gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren unabhängig voneinander überwacht
und gesteuert werden können.
10. Integriertes Überwachungssystem für Prozesse, dadurch gekennzeichnet
daß es eine Einsteckkarte (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und mindestens einen Sensor (18) aufweist, wobei der (die) Sensor(en)
(18) jeweils über eine Sensor-Elektronikeinheit (19) mit einer Sensorbus-Schnittstelle
(7) der Einsteckkarte (1) verbunden ist (sind).
11. Integriertes Überwachungssystem gemäß Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sensor-Elektronikeinheit (19) eine intelligente Einheit ist.
12. Integriertes Überwachungssystem gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Maschinensteuerung (17) entweder direkt über einen Feldbus und die Feldbus-Schnittstelle (9) mit der
Einsteckkarte (1) oder über eine Eingangs-/Ausgangseinheit (20) mit den Sensor-Elektronikeinheiten (19) verbunden ist.
-3-
13. Integriertes Überwachungssystem für Prozesse, dadurch gekennzeichnet
daß es eine Einsteckkarte (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist und daß die benötigten Steuerdaten direkt aus dem Steuerkern
einer Maschinensteuerung (17) über einen Feldbus und die Feldbus-Schnittstelle
(9) an den Mikroprozessor (2) der Einsteckkarte (1) geliefert werden.
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Publications (1)
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Country Status (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE29907909U1 (de) |
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