EP1211070B2 - Device and method for synchronizing processes running in several units - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Synchronisation von Prozessen, die von separaten Prozessoren ausgeführt werden und auf den Systemtakt einer zentralen Einheit abgestimmt sind. Anwendung findet diese Vorrichtung bzw. das Verfahren bei abgeschlossenen Prozessen an verschiedenen Komponenten einer papierverarbeitenden MaschineThe invention relates to an apparatus and a method for the synchronization of processes that are performed by separate processors and are tuned to the system clock of a central unit. Application finds this device or the process in completed processes on various components of a paper-processing machine
Üblicherweise ist es aus Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt, dass über einen Bus ein spezielles Protokoll geschickt wird, wodurch die verschiedenen Prozessoren mit dem Leitsystem synchronisiert werden. Derartige Systeme belasten die Prozessoren zeitlich und setzen dazu eine spezielle Hardware voraus.Usually, it is known from devices or methods that a special protocol is sent over a bus, whereby the various processors are synchronized with the control system. Such systems burden the processors in terms of time and require special hardware.
Insbesondere schlägt die
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem entsprechenden Verfahren die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Mitteln eine Synchronisation vieler Prozesse herbeizuführen.Based on this prior art, the device according to the invention and the corresponding method is based on the object to bring about a synchronization of many processes with simple means.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und 2.This problem is solved by the characterizing features of
Die erfindungsgemäße Vorrichtung geht davon aus, dass eine zentrale Einheit die Koordination von verschiedenen in der Peripherie befindlichen weiteren Einheiten übernimmt. Dabei kommt der zentralen Einheit die Aufgabe zu, alle an der Peripherie ablaufenden Prozesse zu synchronisieren. Dazu wird ein zentral erzeugter Systemtakt auf einer freien Leitung eines Feld-Busses, z. B. CAN-BUS, an sämtliche am Prozess beteiligten Einheiten geleitet. Um die Störanfälligkeit des Systemtaktes gering zu halten, bzw. ein Übersprechen dieses Taktsignals auf andere Signalleitungen zu verhindern, wird die Frequenz des Systemtakts relativ niedrig gewählt. Das Taktsignal bewegt sich somit in einem Frequenzbereich, wodurch eine Verteilung des Taktsignals über längere Distanzen möglich ist. Weiterhin ist es möglich, den ankommenden Systemtakt durch geeignete Filtermaßnahmen zu entstören.The device according to the invention assumes that a central unit takes over the coordination of different further units located in the periphery. The task of the central unit is to synchronize all processes running on the periphery. For this purpose, a centrally generated system clock on a free line of a field bus, z. B. CAN-BUS, passed to all units involved in the process. In order to keep the susceptibility of the system clock low, or to prevent a crosstalk of this clock signal to other signal lines, the frequency of the system clock is chosen to be relatively low. The clock signal thus moves in a frequency range, whereby a distribution of the clock signal over longer distances is possible. Furthermore, it is possible to suppress the incoming system clock by suitable filter measures.
Üblicherweise ist es erforderlich, dass für einen Prozess in der peripheren Einheit ein schnellerer Takt benötigt wird, als der Systemtakt. Deshalb schlägt die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, in der peripheren Einheit den ankommenden Systemtakt entsprechend den Erfordernissen zu multiplizieren. Dieser dann erzeugte sogenannte Modultakt weist die gewünschte Auflösung auf, bzw. ist vorteilhafter Weise auf die gewünschte Auflösung einstellbar. Somit herrscht an der peripheren Einheit immer der Takt vor, der für den jeweiligen Prozess erforderlich ist.It is usually necessary for a process in the peripheral unit to require a faster clock than the system clock. Therefore, the device according to the invention proposes to multiply the incoming system clock in the peripheral unit according to the requirements. This so-called module clock then generated has the desired resolution, or is advantageously adjustable to the desired resolution. Thus, the clock always prevails at the peripheral unit, which is required for the respective process.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht einen in die peripheren Einheiten integrierten Taktgeber vor, der durch den Systemtakt synchronisiert wird. Zwischen den jeweiligen Synchronisationsintervallen durch den Systemtakt läuft der Taktgeber frei. Um den Modultakt an der peripheren Einheit frequenzstabil zu halten, schlägt eine erfindungsgemäße Variante vor diesen mittels Quarz zu stabilisieren. Entsprechend einer einkalkulierten Drift, die sich durch die Güte des stabilisierenden Quarzes ergibt, kann der Zeitabstand des Synchronisationsintervalls bestimmt werden.The device according to the invention provides a clock integrated in the peripheral units, which is synchronized by the system clock. Between the respective synchronization intervals by the system clock, the clock is free. In order to keep the module clock frequency stable at the peripheral unit proposes a variant of the invention to stabilize these by means of quartz. According to a calculated drift, which results from the quality of the stabilizing quartz, the time interval of the synchronization interval can be determined.
Die Erzeugung eines lokalen Modultaktes bringt den Vorteil, dass bei Ausfall des in der zentralen Einheit erzeugten Systemtaktes nicht die Gefahr besteht, dass Prozesse unkontrolliert ablaufen und zu Unfällen führen, da eine Abstimmung der unabhängig laufenden Prozesse nicht mehr möglich ist. Dazu ist die Vorgehensweise so, dass ein Ausbleiben des Systemtaktes durch den Prozessor in der peripheren Einheit erkannt wird, der daraufhin den Prozess anhand des lokalen Modultaktes kontrolliert bis zum Stillstand herunterfährt. Die erforderliche Zeitspanne zwischen Ausbleiben des Systemtaktes und dem kontrollierten Herunterfahren des Prozesses ist so kurz, dass das bereits erwähnte Abdriften des Modultaktes vom Systemtakt zu keiner nennenswerten Problematik führt. Das heißt alle Prozesse, die an den verschiedenen peripheren Einheiten ablaufen und durch den Systemtakt zueinander synchronisiert werden, werden durch den vor Ort erzeugten Modultakt kontrolliert zum Stillstand gebracht.The generation of a local module clock has the advantage that in case of failure of the system clock generated in the central unit there is no risk that processes run uncontrolled and lead to accidents, since a vote of independently running processes is no longer possible. For this purpose, the procedure is such that a failure of the system clock is detected by the processor in the peripheral unit, which then controlled down the process based on the local module clock to a stop. The required time between failure of the system clock and the controlled shutdown of the process is so short that the drifting of the module clock from the system clock mentioned above does not lead to any significant problems. In other words, all processes that take place at the various peripheral units and are synchronized with one another by the system clock are brought to a controlled halt by the locally generated module clock.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren schlägt weiterhin vor, dass in regelmäßigen Abständen, beispielsweise nach jedem hundertsten Systemtakt ein so genannter Synchronisationsintervall erfolgt. Mit diesem Vorgang erfolgt an die periphere Einheit eine Zeitansage 37, welche die periphere Einheit auf die Absolutzeit abgleicht. Bei dem Synchronisationsintervall erhalten alle peripheren Einheiten für einen Zeitabgleich auf Absolutzeit, einen sogenannten Zeitstempel. Durch die Verteilung dieser Information kann jede periphere Einheit ihre Prozesse auf die laufende Maschine abstimmen, das heißt, laufende Prozesse können durch korrigierende Maßnahmen auf Synchronität gehalten werden, oder beginnende Prozesse können zum richtigen Zeitpunkt, bzw. zur richtigen Winkelstellung der Maschine gestartet werden.A method according to the invention also proposes that a so-called synchronization interval takes place at regular intervals, for example after every hundredth system clock. With this process, a
Weiterhin erhalten alle peripheren Einheiten z.B. mittels CAN-Bussystem folgende Werte und den Erfassungszeitpunkt der Werte, die zur Steuerung einer papierverarbeitenden Maschine relevant sind:
- Drehzahl v(t)
- Beschleunigung a(t)
- aktuelle Winkelstellung ϕ(t)
- gegebenenfalls weitere Werte von Gebern, wie z.B. Papierankunftssignale eines Anlegers.
- Speed v (t)
- Acceleration a (t)
- current angular position φ (t)
- where applicable, other values of donors, such as an investor's paper arrival signals.
Mit der gleichzeitigen Mitteilung des Erfassungszeitpunkts des Wertes ist die periphere Einheit in der Lage, durch eine Extrapolation den übermittelten Wert auf jeden beliebigen Zeitpunkt zwischen zwei übermittelten Werten zu berechnen. Das heißt, bereits durch die Zeitverzögerung in der Übermittlung der Werte ergibt sich das Problem, dass bei Erhalt der Werte, diese schon nicht mehr aktuell sind. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, bzw. das Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass es beinahe unerheblich ist, wie lange die Übermittlung der Werte dauert, da der aktuelle Wert immer ermittelt werden kann.With the simultaneous notification of the value of the time of acquisition, the peripheral unit is able to extrapolate the transmitted value at any time between two transmitted values. This means that even the time delay in the transmission of the values results in the problem that when the values are received, they are no longer up to date. The advantage of the device or method according to the invention is that it is almost irrelevant how long the transmission of the values takes, since the current value can always be determined.
Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, dass der Startzeitpunkt eines anlaufenden Prozesses zwischen zwei übermittelten Werten durch die oben erwähnte Extrapolation exakt errechnet werden kann. Beispielsweise erhält die periphere Einheit mit der Übermittlung der Werte die aktuelle Winkelstellung der Maschine z.B. ϕ= 270°, die Geschwindigkeit, v = 8000 Umdrehungen/Stunde, die Beschleunigung a = 0 . Der Teilnehmer soll bei einer Winkelstellung von ϕ = 278° ein Ereignis auslösen, bzw. einen Prozess starten. Anhand der erhaltenen Werte kann der Teilnehmer die Zeit errechnen, bis die Maschine die Winkelstellung von ϕ = 278° erreicht hat. Anhand der eigenen Zeitbasis, bzw. dem Modultakt der bei Erhalt des letzten Systemtakts auf diesen synchronisiert wurde, kann das zu erfolgende Ereignis ausgelöst werden, ohne dass dazu eine zeitsynchrone Anweisung der zentralen Einheit erfolgen muss. Ein solches winkelabhängiges Ereignis kann von jeder peripheren Einheit ausgelöst werden, ohne dass dazu eine direkte Verkabelung mit einem zentralen Inkrementalgeber notwendig ist. Dieses spart einerseits Verkabelungsaufwand und sorgt andererseits für eine geringere Störanfälligkeit.An additional advantage is that the start time of a starting process between two transmitted values can be calculated exactly by the above-mentioned extrapolation. For example, with the transmission of the values, the peripheral unit obtains the current angular position of the machine, e.g. φ = 270 °, the speed, v = 8000 revolutions / hour, the acceleration a = 0. The participant should trigger an event at an angular position of φ = 278 ° or start a process. Based on the values obtained, the participant can calculate the time until the machine has reached the angular position of φ = 278 °. On the basis of its own time base, or the module clock that was synchronized to it on receipt of the last system clock, the event to be performed can be triggered without the need for a time-synchronous instruction of the central unit. Such an angle-dependent event can be triggered by each peripheral unit without the need for direct cabling with a central incremental encoder. This saves on the one hand cabling and on the other hand ensures a lower susceptibility to interference.
Ist es aus welchen Gründen auch immer zum Zeitpunkt des Systemtakts nicht möglich die Istwerte des Motors einzulesen, können diese auch zu einem beliebigen Zeitpunkt eingelesen werden. Anschließend werden durch Extrapolation die Istwerte auf den Zeitpunkt zurück oder nach vorne gerechnet, zu dem ein Systemtakt vorgelegen hat, bzw. vorliegt.If, for whatever reason, it is not possible to read in the actual values of the motor at the time of the system clock, they can also be read in at any time. Subsequently, by extrapolation, the actual values are calculated back to the time or forward at which a system clock was or is present.
Für die synchrone Steuerung von Zusatzantrieben die separat vom Hauptantrieb ablaufen, schlägt das erfindungsgemäße Verfahren folgende Variante vor:For the synchronous control of auxiliary drives which run separately from the main drive, the method according to the invention proposes the following variant:
Der Zusatzantrieb wird mit einem eigenen Sollwertgenerator ausgestattet. Dieser Sollwertgenerator errechnet die Sollwerte für den Zusatzantrieb. Entsprechend der dynamischen Anforderungen des Zusatzantriebs, werden Abtastzyklen definiert, bei denen die Istwerte des Zusatzantriebes eingelesen und anhand verschiedener Regelalgorithmen neue Sollwerte vorgeben werden. Die Istwerte des Hauptantriebs werden zu diskreten Zeitpunkten (aus Gründen der Busbelastung) versendet, deren Frequenz aber geringer ist als die Abtastzyklen des Zusatzantriebes. Durch den jeweils mitversendeten Erfassungszeitpunkt der Istwerte des Hauptantriebs kann der weitere Verlauf der Istwerte des Hauptantriebes am Zusatzantrieb für jeden beliebigen Zeitpunkt rechnerisch ermittelt werden (Interpolation/Extrapolation).The auxiliary drive is equipped with its own setpoint generator. This setpoint generator calculates the setpoints for the auxiliary drive. In accordance with the dynamic requirements of the auxiliary drive, sampling cycles are defined in which the actual values of the auxiliary drive are read in and new nominal values are specified using various control algorithms. The actual values of the main drive are sent at discrete times (for reasons of bus load), but their frequency is less than the sampling cycles of the auxiliary drive. By the respectively sent in detection time of the actual values of the main drive, the further course of the actual values of the main drive at the auxiliary drive for each arbitrary time point can be calculated (interpolation / extrapolation).
Eine zusätzliche Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bzw. des Verfahrens besteht darin, dass verschiedene zueinander synchron laufende Motoren nicht nach den Istwerten eines Hauptantriebs, sondern auf eine zentralen Befehlsvorgabe geregelt werden. Das heißt, von der zentralen Einheit werden Befehle für sämtliche am Prozess beteiligten Antriebe vorgegeben. Laufen Antriebe in einem Drehzahlverhältnis z.B. halbtourig, dritteltourig oder auch doppelttourig, sorgt ein Sollwertgenerator in der peripheren Einheit für die Erzeugung entsprechend angepasster Sollwerte. Alle Motorregler arbeiten jetzt nach demselben Algorithmus und lesen die Istwerte der Motoren immer zum exakt gleichen Zeitpunkt ein. Dieser Zeitpunkt entspricht dem Systemtakt. Dadurch wird erreicht, dass alle Motoren auf eine virtuelle elektronische Welle geregelt werden.An additional application of the device or the method according to the invention is that different synchronously running motors are not controlled by the actual values of a main drive, but on a central command specification. This means that the central unit issues commands for all drives involved in the process. Running drives in a speed ratio e.g. Half-speed, third-speed or double-speed, a setpoint generator in the peripheral unit ensures the generation of correspondingly adapted setpoint values. All motor controllers now use the same algorithm and always read the actual values of the motors at the exact same time. This time corresponds to the system clock. This ensures that all motors are controlled to a virtual electronic wave.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden.
Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Blockdiagramm der Vernetzung verschiedener Prozessoren,
- Fig. 2
- ein Blockdiagramm über eine Multiplikationseinheit,
- Fig. 3a
- ein Zeitdiagramm des Systemtakts,
- Fig. 3b
- ein Zeitdiagramm eines Zählvorgangs,
- Fig. 3c
- ein Zeitdiagramm der Feinauflösung des Modultakts,
- Fig. 3d
- ein Zeitdiagramm der Feinauflösung des Modultakts,
- Fig. 3e
- ein Zeitdiagramm der Feinauflösung des Modultakts,
- Fig. 4
- ein Zeitdiagramm über den Verlauf des Systemtakts,
- Fig. 5
-
Fig. 1 mit zusätzlicher Motoransteuerung.
Show it:
- Fig. 1
- a block diagram of the networking of different processors,
- Fig. 2
- a block diagram of a multiplication unit,
- Fig. 3a
- a timing diagram of the system clock,
- Fig. 3b
- a time diagram of a counting process,
- Fig. 3c
- a time diagram of the fine resolution of the module clock,
- Fig. 3d
- a time diagram of the fine resolution of the module clock,
- Fig. 3e
- a time diagram of the fine resolution of the module clock,
- Fig. 4
- a time diagram of the course of the system clock,
- Fig. 5
-
Fig. 1 with additional motor control.
An der Ein-/Ausgangskarte 3a,b und der Motorsteuerkarte 4a,b werden Aufgaben ausgeführt, die eine Zeitauflösung benötigen, die feiner ist als sie der Systemtakt 7 zur Verfügung stellt. Deshalb werden in diesen Karten 3a,b 4a,b zusätzliche Multiplikationseinheiten 11 benötigt. Die Multiplikationseinheit 11 hat die Aufgabe die Auflösung entsprechend der erforderlichen Gegebenheiten zu multiplizieren. Dieses kann beispielsweise anhand einer Ausführung gemäß
In
Das Diagramm nach
Die Wirkung des Zeitfensters 36 kommt auch einer Filterung gleich. Beispielsweise kann mittels UND-Gatter eine Verknüpfung des Zeitfensters 36 mit dem Systemtakt 7 erzielt werden, wodurch ein Durchschalten des Systemtakts 7 nur innerhalb des Zeitfensters 36 möglich ist. Störsignale, die sich auf der Leitung des Systemtakts 7 befinden werden außerhalb des Zeitfensters 36 ignoriert.The effect of the
Mittels der Eingabeeinrichtung 22 gibt der Bediener der Maschine einen Wert für die Drehzahl ein. Dieser Wert wird über das CAN-Bussystem 10 a der Motorsteuerkarte 4a zugeführt, welche daraus die Ansteuerwerte (Stromsollwerte) für den Motor 20a ermittelt und einstellt. Am Motor 20a befindet sich ein Inkrementalgeber 21a der entweder direkt auf der Motorwelle des Motors 20a sitzt oder an einer geeigneten Stelle des durch den Motor 20a angetriebenen Getriebes bzw. Zahnradzugs. Die Pulse des Inkrementalgebers 21a werden von der Motoransteuerkarte 4a eingelesen. Der Einlesevorgang erfolgt immer zum Zeitpunkt eines Systemtakts 7. Aus diesen Pulsen werden in der Motorsteuerkarte 4a die Drehzahl, die Beschleunigung und die Winkelstellung des Motors 20a errechnet. Diese errechneten Werte dienen zum einen der Regelung für den Motor 20a, zum anderen werden diese Werte immer zusammen mit dem Erfassungszeitpunkt allen weiteren Teilnehmern 3a,b 4b mitgeteilt. Durch den mitgelieferten Erfassungszeitpunkt ist es unerheblich, ob die Daten schnell übertragen werden, ob die Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt übertragen werden oder ob alle Teilnehmer die Daten gleichzeitig übermittelt bekommen.By means of the
Diese Werte erhält auch die Motorsteuerkarte 4b, die beispielsweise durch den Prozessor 2b die Aufgabe bekommen hat den Motor 20b synchron zu dem Motor 20a zu betreiben. Eine solche Aufgabe wird in der Motorsteuerkarte 4b durch einen sogenannten Befehlsinterpreter umgesetzt. Die Motorsteuerkarte 4b bekommt nun in regelmäßigen Abständen die Werte Drehzahl, Beschleunigung und Winkelstellung des Motors 20a übermittelt. Aus diesen Werten werden nun die Sollwerte für den eigenen Motor 20b berechnet.These values are also given to the
Der zeitliche Abstand zwischen zwei Übermittlungen der Werte Drehzahl, Beschleunigung und Winkelstellung des Motors 20a mit der entsprechenden Angabe des Erfassungszeitpunkts ist für eine Synchronhaltung zweier Motoren 20a,b möglicherweise zu groß, so dass in der Zwischenzeit eine Interpolation erfolgt. Diese Interpolation wird auf der Motorsteuerkarte 4b vorgenommen und anhand dieser interpolierten Werte die Sollwerte für den Motor 20b errechnet.The time interval between two transmissions of the values speed, acceleration and angular position of the
Weiterhin befindet sich auf der Motoransteuerkarte 4b eine Multiplikationseinheit 11 zur Erzeugung eines Modultakts 15 gemäß
- 1a,b1a, b
- Prozessorprocessor
- 2a,b2a, b
- Schnittstelleinterface
- 3a,b3a, b
- Ein-/Ausgabekarte (Teilnehmer)Input / output card (participant)
- 4a,b4a, b
- Motorsteuerkarte (Teilnehmer)Motor control card (participant)
- 5a,b5a, b
- Einheitunit
- 5n5n
- weitere Einheitanother unit
- 66
- VME-BussystemVME bus system
- 77
- Systemtaktsystem clock
- 88th
- SystemtaktaufbereitungSystem clock conditioning
- 99
- Leitungmanagement
- 1010
- CAN-BussystemCAN bus system
- 1111
- Multiplikationseinheitmultiplication unit
- 1212
- Frequenzgeneratorfrequency generator
- 1313
- Quarzquartz
- 1414
- Zählercounter
- 1515
- Modultaktmodule clock
- 16a,b16a, b
- TeilnehmerAttendees
- 20a,b20a, b
- Motorengine
- 21a,b21a, b
- Inkrementalgeberincremental
- 2222
- Eingabeeinrichtunginput device
- 3030
- abfallende Flankefalling edge
- 3131
- ansteigende Flankerising edge
- 3232
- Messzyklusmeasuring cycle
- 3333
- Rampenfunktionramp function
- 3434
- Rampenfunktionramp function
- 3535
- Rampenfunktionramp function
- 3636
- ZeitfensterTime window
- 3737
- Zeitansagetime Of Day
Claims (2)
- Device for synchronizing processes running on different units (5a, 5b, 5n) on different components of a paper-processing machine,
wherein a central unit is connected to further units (5a, 5b, 5n) via a field bus (10),
wherein the central unit is a device for generating a system cycle (7), wherein a free line (9) of the field bus (10) is provided for distributing the system cycle (7) to the further units (5a, 5b, 5n), and wherein devices for the multiplication (11) of the system cycle (7) are provided on the further units (5a, 5b, 5n),
characterized in
that the multiplication unit (11) includes a device for detecting an absolute time signal (37). - Method for synchronizing processes running on a central unit and on further units (5a, 5b, 5n) on different components of a paper-processing machine,
wherein a system cycle (7) is generated in the central unit and module cycles are generated in the further units, and wherein the system cycle (7) generated in the central unit is used to synchronize the module cycle generated in the further units (5a, 5b) and wherein multiplication devices (11) in the further units (5a, 5b, 5n) multiply the system cycle (7),
characterized in
that upon a failure of the system cycle (7), the processes run by the further units involved (5a, 5b, 5n) are shut down governed by the module cycle (15).
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