DE3743438C2 - Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen von Steuersignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von Steuersignalen gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 bzw. 4.

Verfahren und Einrichtungen zum Erzeugen von Steuersignalen sind z. B. in Form herkömmlicher speicherprogrammierbarer Steuerungen bekannt, bei denen zur Lösung der Steuerungsaufgaben zyklisch meist um­ fangreiche Folgen von Befehlen (= Programme) abgearbeitet werden, um in Abhängigkeit von den Prozeßeingangsgrößen die Steuer- oder Stellsignale zu erzeugen. Diese Vorgehensweise bringt entweder einen entsprechend großen Zeitaufwand mit sich, wenn immer ein gesamtes Programm durchlaufen werden muß, obwohl sich häufig die Eingangsgrößen gar nicht ver­ ändert haben, oder führt zu stark ungleichmäßigen Intervall­ längen zwischen den Abtastungen der Prozeßeingangsgrößen, wenn vom momentanen Funktionsumfang des Automaten abhängige Steuerprogramme durchlaufen werden, bevor die jeweils nächste Abtastung erfolgen kann.

Ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art sind aus der Druckschrift "Electronic Design 14", 8. Juli 1971, Seiten 70-72 bekannt. Dort ist eine Anordnung mit einem Datenspeicher beschrieben, der in Bereiche unterteilt ist, die jeweils einem Momentanzustand zugeordnet sind und aus zwei Teilbereichen bestehen, die jeweils einem 1-Bit-breiten Eingangsvektor zu­ geordnet sind und in denen jeweils ein Folgezustandscode und Steuerdaten gespeichert sind, die in Abhängigkeit des jewei­ ligen Momentanzustandes und des aktuellen Eingangsvektors ausgegeben werden.

In der Druckschrift "Industrieanzeiger", Band 108 (1986), Nr. 12, Seiten 36 und 37, ist eine Implementierung von Funk­ tionssteuerprogrammen für Mikrorechner auf der Basis von Zu­ standsgraphen beschrieben. Dazu ist es erforderlich, Quell­ daten, welche aus Struktur-, Steuer- und Referenzdaten be­ stehen, mit einem geeigneten Compiler zu übersetzen und in die speicherprogrammierbare Steuerung zu übertragen. Dort müssen nun, entsprechend einem vorgegebenen Algorithmus, die Datensätze des Steuerprogramms bearbeitet werden. Zunächst ermittelt ein sogenannter Graphen-Interpreter der Speicher­ programmierbaren Steuerung den aktuellen Zustand des Graphen, berechnet die aus diesem Zustand wegführenden Übergangsbedin­ gungen (Eingangsvektor) aus den Strukturdaten des Graphen, wodurch die Anzahl der zu prüfenden Bedingungen auf diejeni­ gen begrenzt wird, welche im augenblicklichen Zustand der Steuerung relevant sind. Anschließend müssen die Boul′schen Gleichungen der zu prüfenden Übergangsbedingungen interpreta­ tiv bearbeitet werden, bis alle Bedingungen geprüft wurden oder eine davon erfüllt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines gattungsgemäßen Verfahrens und einer gattungsgemäßen Einrichtung, die die Geschwindigkeit der Erzeugung der Steuersignale erhöhen, ohne dabei störend ungleichmäßige Intervallängen für diese Erzeugung zu bedingen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfah­ rens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, hin­ sichtlich der Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Aus­ gestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren An­ sprüche.

Der Hauptvorteil der Erfindung besteht in der erzielbaren, theoretisch maximalen Geschwindigkeit der Erzeugung der Steuersignale aus den Prozeßeingangsgrößen. Dadurch werden Steuerungsrealisierungen möglich, die gegenüber den bekannten Realisierungen deutlich höhere Abtastraten und Verarbeitungs­ geschwindigkeiten erlauben. Darüber hinaus werden bei der Ab­ tastung der Prozeßeingangsgrößen und Erzeugung der Steuer­ signale quasi-konstante Zykluszeiten erreicht.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuer­ einrichtung und

Fig. 2 eine Datei auswählbarer Steuerdaten und Folge­ zustandscodes.

Die Steuereinrichtung gemäß Fig. 1 dient der Steuerung des Übergangs eines endlichen Automaten, also eines Automaten mit endlich vielen Zuständen, von einem Momentanzustand in einen Folgezustand. Der Momentanzustand, mit dem die Steuereinrich­ tung in Betrieb genommen wird, kann ein beliebiger Zustand des (nicht dargestellten) Automaten sein. Daher bedeutet es keine Beschränkung der Allgemeinheit, wenn im weiteren als Startzustand der Steuereinrichtung der Rücksetzzustand des Automaten betrachtet wird.

Auf dem Signalweg 1 wird der Code Z0 des Momentanzustands von außen in das Zustandsregister 2 geladen oder dort aufgrund eines Rücksetzsignals voreingestellt. Das Steuerwerk 3 übernimmt den Code Z0 vom Zustandsregister 2 und veranlaßt über den Signalweg 5 den Seitenselektor 6, im Datenspeicher 7 den Datenspeicherbe­ reich 7a (vgl. Fig. 2) zu aktivieren, der für den Momentanzustand spezifische, vorab erstellte Steuerdaten S0, S1, S2 sowie Codes Z0, Z1, Z2 der aus dem Momentanzustand erreichbaren Folgezustände enthält. Zusätzlich kann dieser Datenspeicherbereich 7a eine Kopfinformation darüber enthalten, welche der an der Eingangs­ stufe 15 empfangenen Prozeßeingangsgrößen E0, . . . , EN für die Steuerungsaufgabe im gegebenen Momentanzustand relevant sind. Denn nicht in jedem Automatenzustand ist die Berücksichtigung aller Prozeßeingangsgrößen E0, . . . , EN notwendig. Aufgrund der über die Signalwege 12 und 5 erhaltenen Kopfinformation kann das Steuerwerk 3 der Eingangsstufe 15 über den Signalweg 14 im allge­ meinen Fall vorgeben, welche der Prozeßeingangsgrößen E0, . . . , EN sie zum Eingangsvektor zusammenfassen soll.

Eine Änderung mindestens einer der berücksichtigten Prozeßein­ gangsgrößen E0, . . . , EN, also einen Übergang auf eine neue Ein­ gangsvektorbelegung, meldet die Eingangsstufe 15 über den Signal­ weg 14 dem Steuerwerk 3, welches daraufhin über den Signalweg 10 den Zeilenselektor 11 veranlaßt, aus dem im Datenspeicher 7 aktivierten Datenspeicherbereich 7a den Teilbereich auszuwählen, der die für die neue Eingangsvektorbelegung spezifischen Steuer­ daten S0, S1 oder S2 und den Code Z0, Z1 oder Z2 des durch die neue Eingangsvektorbelegung bestimmten Folgezustands enthält.

Um die Auswahl des Datenspeicherbereichs 7a und des Teilbereichs zu veranschaulichen, wird parallel auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort sind die Datenspeicherbereiche 7a, b, c symbolisch als Seiten dargestellt, die jeweils die in einem Momentanzustand möglichen Steuerungsfälle vollständig beschreiben. Als zu steuernder Automat ist dieser exemplarischen Darstellung ein (Elektro-) Motor zugrunde gelegt, der die (codierten) Zustände Z0 = Stop, Z1 = Vorlauf, Z2 = Rücklauf einnehmen kann. Die (Booleschen) Prozeßeingangsgrößen heißen E0 = Stop-Befehl, E1 = Vorlauf Be­ fehl E2 = Rücklauf-Befehl, E3 = Anschlag-Signal (z. B. Bereichs­ ende bei einem Positionier- oder Förder-Antrieb o. dgl.). Bei komplizierteren Motorsteuerungen treten weitere Parameter wie Drehzahl, Drehmoment, Strom, Spannung usw. als im allgemeinen Fall digitale Prozeßeingangsgrößen E4 bis EN hinzu.

Bei allen drei Zuständen des betrachteten Beispiels werden (zu­ nächst) alle vier Prozeßeingangsgrößen E0, . . . , E3 berücksichtigt, was - wie oben erläutert - im allgemeinen Fall anders sein kann. Die Prozeßeingangsgrößen E0, . . . , E3 werden zu den relevanten Ein­ gangsvektorbelegungen e0 bis e6 zusammengefaßt, deren Anzahl deutlich niedriger ist als die rechnerische Maximalanzahl 2 hoch 4 = 16. (Diese allgemein zu beobachtende Eigenschaft von Steue­ rungsaufgaben erleichtert die Erstellung vollständiger Beschrei­ bungsdateien.) auch diese Anzahl, nicht nur die Breite, der rele­ vanten Eingangsvektorbelegungen kann im allgemeinen Fall von Momentanzustand zu Momentanzustand verschieden sein.

Im Momentanzustand mit dem Code Z0 wird also der Datenspeicher­ bereich 7a aktiviert. Tritt nun z. B. die neue Eingangsvektorbe­ legung e3 auf, veranlaßt das Steuerwerk 3 den Zeilenselektor 11 zur Auswahl des für diese neue Eingangsvektorbelegung e3 spezi­ fischen Teilbereichs, hier der entsprechenden Zeile der Seite 7a, um an die für diesen Steuerungsfall geltenden, vorab erstell­ ten Steuerdaten S2 und den Code Z2 des Folgezustands zu gelan­ gen. Auch hier ist der Vollständigkeit halber anzumerken, daß die Steuerdaten zum Erreichen eines bestimmten Folgezustands im allgemeinen Fall vom Momentanzustand sowie von der Eingangsvek­ torbelegung abhängen.

Die Auswahl des für die neue Eingangsvektorbelegung e3 spezifi­ schen Teilbereichs, also der entsprechenden Zeile der Datei-Seite 7a, kann in der Weise geschehen, daß die Eingangsvektorbe­ legung e3 in eine Zeilenadresse umgerechnet und damit unmittel­ bar auf die Zeile zugegriffen wird. Wo dies nicht möglich ist, etwa weil keine absoluten Zeilenadressen zur Verfügung stehen oder diese sich infolge Dateientransfers innerhalb des Daten­ speichers 7 oder zwischen dem Datenspeicher 7 und etwaigen Hintergrundspeichern sich laufend ändern, wird die gesuchte Zeile durch sukzessiven Vergleich der auf der Seite 7a gespei­ cherten Eingangsvektorbelegungen e0 bis e6 mit der neuen Ein­ gangsvektorbelegung e3 ermittelt. Hierzu gibt der Zeilenselektor 11 der Reihe nach die gespeicherten Eingangsvektorbelegungen e0 bis maximal e6 über den Signalweg 19 an den Vergleicher 17. Dies geschieht ggf. zusammen mit einer Information über die Maskie­ rung einzelner Vektorelemente, deren Wert in der betreffenden Konstellation der Prozeßeingangsgrößen E0, . . . , E3 irrelevant ist. Etwa soll ein Stop-Befehl E0 = 1 absoluten Vorrang haben, daß heißt, unabhängig von allen anderen Prozeßeingangsgrößen E1, E2, E3 eine Stillsetzung auslösen. Deshalb sind auf der Datei-Seite 7a in der Zeile der Eingangsvektorbelegung e0 die Werte der Pro­ zeßeingangsgrößen E1, E2, E3 als beliebig markiert, ausgedrückt durch "x".

Sobald der Vergleicher 17 schließlich die Gleichheit zwischen der gespeicherten Eingangsvektorbelegung e3 und der über den Signalweg 16 anliegenden neuen Eingangsvektorbelegung e3 fest­ stellt, teilt er dies über den Signalweg 20 dem Steuerwerk 3 mit, welches den Zeilenselektor 11 veranlaßt, einerseits die Steuer­ daten S2 der gefundenen Zeile über den Signalweg 22 an den Aus­ gangsvektorgenerator 23 zu übergeben und andererseits den Folgezustands-Code Z2 der gefundenen Zeile über den Signalweg 25 in das Zustandsregister 2 zu laden.

Der Ausgangsvektorgenerator 23 erzeugt aus den Steuerdaten S2 die Steuer- oder Stellsignale A0 bis AM des Ausgangsvektors a. Im einfachsten und schnellsten Fall kann dies die unmittelbare Ausgabe der übernommenen Steuerdaten S2 bedeuten. Im allgemein­ sten Fall ist der Ausgangsvektorgenerator 23 eine Datenverarbei­ tungseinheit, der in Form der Steuerdaten S2 bestimmte Parameter­ werte sowie die Anfangsadresse eines Programmstücks übergeben werden, aus dessen Abarbeitung schließlich die eigentlichen Steuer- oder Stellsignale A0, . . . , AM hervorgehen. Diese Methode erlaubt eine Optimierung zwischen Datei-Volumen und Zykluszeit. Die erfolgreiche Generierung des Ausgangsvektors a wird dem Steuerwerk 3 über den Signalweg 24 quittiert.

Die Steuerdaten S2 bzw. der zugehörige Ausgangsvektor a bewirken in der als Beispiel gewählten Motorsteuerung einen Übergang auf den Folgezustand mit dem Code Z2, das heißt auf einen Rücklauf des Motors, indem entsprechende Stellglieder - z. B. Schütze oder Halbleiterschalter - angesteuert werden, um den Motor mit Strom der benötigten Polarität zu versorgen. Steuerdaten S1, als Ant­ wort auf eine neue Eingangsvektorbelegung e1, bewirken aus dem Grundzustand heraus einen Übergang auf Motor-Vorlauf, während Steuerdaten SO jeweils einen Motor-Stop zur Folge haben, d. h. den Motorstrom abschalten.

Der Code Z2 des Folgezustands befindet sich bereits im Zustands­ register 2. Der für diesen Zustand spezifische Datenspeicherbe­ reich 7c - die Datei-Seite mit dem Code Z2 - kann nun vorzugs­ weise sofort oder auch erst nach dem Eintreffen der nächsten neuen Eingangsvektorbelegung aktiviert werden, und ein neuer Zyklus schließt sich an. Dessen zeitliche Länge - ebenso wie die Dauer aller weiteren Zyklen desselben oder eines anderen Steue­ rungsproblems - entspricht weitestgehend jener des oben beschrie­ benen Zyklus, da stets nur fertige oder nahezu fertige Sätze von Steuerdaten S0, S1 bzw. S2 abgerufen und ausgegeben zu werden brauchen. Zu der hohen Geschwindigkeit der Steuerdatenerzeugung tritt also auch noch der Vorteil einer quasi-konstanten Zyklus­ zeit.

Um etwaige Fehlsteuerungen redundant auszuschließen, kann die tatsächliche Einnahme des jeweils erwarteten Folgezustands überwacht werden. Für die Realisierung der beschriebenen Steuer­ einrichtung läßt sich in vielen praktischen Fällen mit Vorteil eine digitale Prozessoreinheit einsetzen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen in Abhängigkeit von Eingangsgrößen mittels eines endlichen Automaten mit ei­ nem Datenspeicher, der in Bereiche (7a, 7b, 7c) unterteilt ist, die jeweils einem möglichen Momentanzustand (Z0, Z1, Z2) zugeordnet sind und aus mehreren Teilbereichen bestehen, die jeweils einem möglichen Eingangsvektor (e0, e1 . . . e6) zuge­ ordnet sind und in denen jeweils ein Folgezustandscode und Steuerdaten gespeichert sind, die in Abhängigkeit eines ak­ tuellen Momentanzustandes und eines aktuellen Eingangsvektors ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die möglichen Eingangsvektoren (e0, e1, . . . e6) eines Bereiches (7a, 7b, 7c) vorgebbare Kombinationen der für den zugeordneten Momentanzustand relevanten Eingangsgrößen (E0, . . . , E3) sind und
• - daß nach Maßgabe einer jedem Bereich zugeordneten Kopf­ information aus der Gesamtheit der aktuellen eingehenden Eingangsgrößen (E0, . . . , EN) die für den aktuellen Momen­ tanzustand (Z0, Z1, Z2) relevanten Eingangsgrößen (E0, E1, . . . , E3) als aktueller Eingangsvektor (e0, e1, . . . e6) aus­ gewählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net,

• - daß die Codes der möglichen Momentanzustände (Z0, Z1, Z2) Bereichsadressen des Datenspeichers und die Codes der mög­ lichen Eingangsvektoren (e0, e1, . . . , e6) Zeilenadressen für die Teilbereiche sind und
• - daß der Datenspeicher mit aus dem Code des aktuellen Mo­ mentanzustands und dem Code des aktuellen Eingangsvektors zusammengesetzten Adressen adressiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net,

• - daß der aktuelle Eingangsvektor (e0, . . . e6) mit den im ak­ tuellen Momentanzustand möglichen Eingangsvektoren vergli­ chen wird und, wenn Übereinstimmung festgestellt wird, der zugehörige Folgezustandscode und die zugehörigen Steuer­ daten ausgegeben werden.

4. Einrichtung zum Erzeugen von Steuersignalen aus Eingangs­ größen mit einem Datenspeicher, der in Bereiche (7a, 7b, 7c) unterteilt ist, die jeweils einem möglichen Momentanzustand (Z0, Z1, Z2) zugeordnet sind und aus mehreren Teilbereichen bestehen, die jeweils einem möglichen Eingangsvektor (e0, e1, . . . , e6) zugeordnet sind und in denen jeweils ein Folge­ zustandscode und Steuerdaten gespeichert sind, die in Abhän­ gigkeit eines aktuellen Momentanzustandes und eines aktuellen Eingangsvektors ausgelesen werden, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die möglichen Eingangsvektoren (e0, e1, . . . e6) eines Bereiches (7a, 7b, 7c) vorgebbare Kombinationen der für den zugeordneten Momentanzustand relevanten Eingangsgrößen (E0, . . . , E3) sind,
• - daß eine Eingangsstufe (15) vorhanden ist, der die aktuel­ len Eingangsgrößen (E0, . . . EN) zugeführt sind, und
• - daß mit einer Auswahleinrichtung nach Maßgabe einer in je­ dem Bereich (7a, 7b, 7c) gespeicherten und der Eingangs­ stufe (15) zugeführten Kopfinformation aus der Gesamtheit der aktuellen eingehenden Eingangsgrößen (E0, . . . , EN) die für den aktuellen Momentanzustand relevanten Eingangsgrößen (E0, . . . E3) als aktueller Eingangsvektor (e0, e1, . . . e6) ausgewählt werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß Codes der möglichen Momentanzustände und der möglichen Eingangsvektoren Adressen für die Teilbereiche bilden,
• - daß der Code des aktuellen Momentanzustands einem Seiten­ selektor und der Code des aktuellen Eingangsvektors einem Zeilenselektor zugeführt werden und
• - daß die Adreßeingänge des Datenspeichers an den Seiten- und an den Zeilenselektor angeschlossen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß an die Eingangsstufe (15) ein Vergleicher (17) ange­ schlossen ist, dem von der Eingangsstufe (15) der aktuelle Eingangsvektor zugeführt ist und dem von einem Zeilenselek­ tor (11) die für den aktuellen Momentanzustand möglichen Eingangsvektoren zugeführt sind und der bei Gleichheit des aktuellen Eingangsvektors und eines der gespeicherten mög­ lichen Eingangsvektoren ein Signal an eine Adressier­ einrichtung (3, 6, 11) gibt, welches das Auslesen des den aktuellen Eingangsvektor enthaltenden Teilbereichs auslöst.