EP3140703A1 - Betrieb einer elektrischen komponente in einem cyber-physischen system - Google Patents

Betrieb einer elektrischen komponente in einem cyber-physischen system

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EP3140703A1
EP3140703A1 EP14739735.0A EP14739735A EP3140703A1 EP 3140703 A1 EP3140703 A1 EP 3140703A1 EP 14739735 A EP14739735 A EP 14739735A EP 3140703 A1 EP3140703 A1 EP 3140703A1
Authority
EP
European Patent Office
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component
operating
data
request
control unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14739735.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Dürr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3140703A1 publication Critical patent/EP3140703A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/31021—Between lan and machine, communication adapter which serves also sensors
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrical component, for example an electric motor or a sensor, on a data network of a cyber-physical system. Furthermore, the invention relates to an automation system comprising the cyber-physical system and the electrical component, as well as an adapter device for coupling an electrical component to the data network of a cyber-physical system.
  • Industry 4.0 In the context of automation systems for carrying out a control and / or production process, for example a traffic light control system in a city or a bottling plant in a brewery, the use of a cyber-physical system is known by the term Industry 4.0.
  • Industry 4.0 describes a technological vision that represents technical solutions as cyber-physical systems (CPS). Among other things, these are characterized by intensive networking and communication between the components involved, which are autonomously operable with their own control software.
  • a cyber-physical system is the combination of IT-related components with mechanical and electronic parts that communicate over a data infrastructure, that is, a data network, such as the Internet or an intranet.
  • the formation of cyber-physical systems is created by the networking of a central control unit, which sends out a request regarding the operating behavior of the components without information about the specific technical equipment of the components to be controlled. Only the components to be controlled convert the request into a concrete operating behavior specified by their technical equipment. For example, the Central control unit pretend that for the next five minutes in an automation system, an energy-saving idle state is to be taken.
  • This component-independent request is implemented by each of the components according to their technical equipment, that is, according to their technical capability. For example, a ceiling lighting can be dimmed while an electric motor can reduce its speed.
  • a major problem is the transition from today's widely used classical technology to this cyber-physical technology.
  • Today's classical components are typically centrally controlled by, for example, programmable logic controllers whose control loops have deterministic behavior due to skilled engineering rather than autonomous Self-configuration as it is possible with components of a CPS.
  • Today's components are therefore optimized according to other criteria that differ significantly from cyber-physical vision.
  • a special problem here can be electric motors.
  • the design, selection and installation of electric motors for a specific task is performed in accordance with relevant guidelines, such as VDE 0530 (IEC 34-17), which may specify rating data, operating modes, cooling methods and start-up characteristics.
  • VDE 0530 IEC 34-17
  • the knowledge of the application consists, for example, in the selection of the motor, in the design of the cables and the installation, in the dimensioning of the power supply and the parameterization, programming of the controlling system.
  • the invention has for its object to operate in a cyber-physical system, an electrical component.
  • an adaptation capsule in the form of a hardware and software device which serves as a link between a classical component, which is dependent on a central control, on the one hand, and a cyber-physical system, on the other hand.
  • the basic structure of this adapter device is as follows.
  • a communication device is designed to receive query data from the data network of the cyber-physical system that specify a device behavior independently described by the technical equipment of the component, for example the request to save energy for the next five minutes.
  • An interpretation device is designed to determine, depending on the request data, a requirement that can be carried out with the technical equipment of the component, for example to reduce an electrical power consumption of an electric motor of the component if the components have such an electric motor. As already stated, however, this is not always advantageous if, for example, the wear of the electric motor is thereby promoted.
  • a balancing device is therefore designed to generate a solution to the requirement in dependence on operating data of the component, which indicate an operating state and / or an operating limit of the component.
  • Such a solution option specifies at least one control signal for the component.
  • the solution in the example may include a control signal for reducing the speed of the electric motor, rather than stopping it completely.
  • a control unit is designed to output the at least one control signal of the possible solution to a control interface of the component.
  • the control unit replaces, for example, a programmable logic controller (PLC) of a classical system control.
  • PLC programmable logic controller
  • the electrical component can be controlled via the data network as a native component of the cyber-physical system, since the communication device of the adapter device provides a communication interface, as it also has a native component of the cyber-physical system.
  • the advantage of the adapter device according to the invention is that, depending on the component-independent request data which a central control unit of the CPS transmits via the data network, a self-configuration of the electrical component for the component-specific implementation of the requested operating behavior is made possible. This means that even an electrical component that is not designed for operation in a cyber-physical system can still be operated on the cyber-physical system without risk of wear or operational safety.
  • the communication device receives from the network the request data, from which a request taking into account the technical features of the component is generated by the interpretation device.
  • request in connection with the invention, in particular a data record is to be understood which assigns a specific component part to the query.
  • the request may relate to power consumption ("reduce power consumption”), throughput (“increase production rate or processing rate”), or availability (“set maximum response time to value x")
  • the interpretation device then becomes a request for a particular component part For example, an electric motor or a lamp or a measuring circuit can be identified or assigned with reference to the request by the interpretation device Weighing device depending on loading Determines the drive data of the component by determining a possible solution to implement the request.
  • the weighing device can thus take into account, for example, an already existing switching frequency or a state of wear or a current temperature of the component and then implement the requirement (for example power reduction or low request time) taking into account the operating data by appropriate control signals, which together form the solution.
  • the control unit then outputs the at least one control signal of the possible solution to a control interface of the component, for example an inverter of an electric motor or a control circuit for a lamp or a measuring circuit.
  • an embodiment of the automation system according to the invention results, by means of which a control and / or manufacturing process can be carried out in a plant field.
  • Plant field means that area in which the components for controlling and / or monitoring the process are arranged, ie the actuators and sensors.
  • the components are coupled via a data network to a central control unit designed to perform the process according to a component-wide defined operating strategy.
  • This operating strategy preferably includes an optimization criterion for one of the following operating maxims: energy consumption, throughput, availability, wear or protection. It can also be provided that the control unit is designed to switch between at least two of the optimization criteria, ie to change the operating maximum.
  • the respective optimization criterion can in particular specify a minimization (energy consumption, wear) or a maximization (throughput, availability), wherein a predetermined tolerance range encompassing the extreme value can also be predetermined.
  • the optimization criterion with respect to the selected operating maxim is only provided in a cyber-physical system that the central control unit depending on the operating strategy generates the corresponding component-independent query data and sends it over the data network to the at least one component in the plant field.
  • the central control unit thus does not take into account the respective technical equipment of the components.
  • the interpretation device is designed to check the request data from the data network for its relevance to the component and to generate a request only for such request data that has been identified as relevant.
  • the interpretation device can be coupled to a memory in which a mapping rule is stored.
  • a mapping rule an assignment of component identifications, which may be contained in the request data, to the component parts of the component may be predetermined. For example, if a request is received via the data network that power consumption of motors is to be reduced, and the component is a fan, then the interpretation means may recognize that the request is relevant because the fan has an electric motor.
  • the weighing device not only determines a single solution option, but rather several preliminary solution options for the requirement.
  • a respec ger ranking value associated with at least one of the following operating maxims: energy conservation, throughput, availability, wear or conservation.
  • Availability refers to the reaction time and / or dynamics of the component.
  • one of the weighing devices downstream or downstream is provided with a decision unit, which is designed, depending on the speed of a current operating maximum, in accordance with the
  • Ranking values for the current operating maxim to select the best possible solution and transmit it to the control unit If, for example, the component is already severely worn out, then protection can be provided as the operating maxim. Accordingly, the most gentle solution is then selected. For example, a component close to the maximum permissible operating temperature can predetermine energy saving as the operating maxim and then implement the corresponding energy-saving solution option.
  • the decision-making device results in a self-protection of the electrical component in an advantageous manner.
  • a generation device is designed to send report data describing a state of the components via the communication device into the data network.
  • the report data describes, for example, the solution option implemented by the control unit and / or the current control signal output to the component.
  • an acknowledgment and / or a restriction contained in the solution possibility is output to the central control unit.
  • the restriction can be example, state that energy savings for thermal reasons can be implemented only limited.
  • the advantage of the generation device is that the central control unit can monitor the implementation of its operating strategy.
  • a particularly flexible adaptation of the request to the electrical component is provided according to an embodiment in which a sensor interface is designed to receive at least one sensor signal dependent on the operating state of the component. This sensor signal is used by a monitoring device to determine a running time state of the component. The monitoring device is designed to generate at least a part of the operating data used by the weighing device as a function of the at least one sensor signal, so that the possible solution is determined as a function of this operating data.
  • the invention also includes further developments of the method which have features which have already been described in connection with the developments of the adapter device according to the invention. For this reason, a description of the corresponding developments of the method according to the invention is omitted here.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the automation system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an embodiment of an adapter device, as may be provided in the automation system of FIG. 1, 3 shows a signal flow graph for an operation of the adapter device of FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a flow chart for an embodiment of the method according to the invention, as it can be performed by the adapter device of FIG.
  • an automation system 10 which may be, for example, a production plant, for example for injection molded parts or a control system for a process, for example for energy production in a nuclear power plant or coal-fired power plant, or a control system, for example for a traffic light system.
  • the automation system 10 can have a plant field or briefly field 12, in which components 14, 16 for controlling and / or monitoring the process of the plant 10 can be arranged.
  • the plant field 12 may, for example, be a production hall or a site with several production halls or, in the case of a traffic light control system, a district.
  • the components 14, 16 may each be an actuator and / or sensor.
  • each can be a controllable valve or a traffic light or an injection molding machine or a conveyor belt or conveyor belt or an electric motor.
  • a central control unit 18 may be provided in the system 10, which may be, for example, a central computer.
  • the control unit 18 may be connected to the components 14, 16 via a data network 20 for exchanging control data and status data.
  • the data network 20 may be wholly or partially designed wirelessly and provide data transmission, for example via WLAN (Wireless Local Area Network) or a mobile connection, such as UMTS or LTE.
  • a wired transmission can be realized for example by means of the Ethernet standard.
  • the data transmission can be coordinated, for example, by means of the Internet Protocol (IP).
  • IP Internet Protocol
  • a data exchange between the central control unit 18 and the components 14 can take place on the basis of a communication protocol according to a CPS (cyber-physical system).
  • the control unit 18 and the components 14 are thus coupled via the data network 20 to a cyber-physical system or CPS 22 short.
  • the components 14 are designed with their own intelligence or control unit (not shown), which enables autonomous operation of the respective component 14 and thereby aligns an operating behavior with requests of the control unit 18.
  • the component 16 may be designed to be foreign to the system so that it can not interpret request data 24 of the central control unit 18. Furthermore, it may be possible that the component 16 may not generate report data 26 in accordance with the communication protocol of the CPS 22.
  • the component 16 comprises an electric motor 28 and an inverter 30 for operating the electric motor 28.
  • the inverter 30 constitutes a control interface of the component 30. It is therefore necessary for the operation of the component 16 to generate control signals 32 for controlling the inverter 30
  • Sensor data 34 of sensors arranged in the inverter 30 and / or the electric motor 28 are mapped to the request data 24 or the report data 26.
  • the component 16 is coupled to the data network 20 via an adapter device 36.
  • the adapter device can be designed as an adapter capsule AK, ie an adapter module with its own housing and electrical plug-in inputs and plug-in outputs.
  • the component 16 is used with the electric motor 28 in an industrial plant for a ventilation task.
  • the motor 28, its protection, cabling and maintenance can be provided for the duration, for example, according to the operating mode S1, for example, according to the international standard IEC 60034-1 or IEC 34-17.
  • a common benefit of moving to a cyber-physical system, such as system 22, is energy conservation through targeted shutdown of unneeded aggregates, which is rarely practicable in technology based on programmable logic controllers without explicit planning.
  • the CPS 22 notifies the subsystems of the automation system 10, that is to say the components 14, 16, for example, over several hours, again and again, that no ventilation of the hall in question is necessary for a few minutes. Then then the electric motor 28 must react.
  • the adapter device 36 can interpret the request data 24, which may contain the command for saving energy, for the component 16 and generate the associated control signals 32 if necessary.
  • FIG. 2 shows the hardware or the circuit configuration of the adapter device 36.
  • the adapter device 36 may have a physical interface to the component 16, ie the motor. sen, which is referred to here as component interface 38.
  • the component interface 38 may correspond to that of an installation with central control, for example via programmable logic controllers, that is, for example, a bus connection for a Profinet bus.
  • the component interface 38 may include signal lines and also power supply lines.
  • Another physical interface is the communication interface 40 for data exchange with the data network 20 of the CPS 22.
  • a communication interface 40 for an Ethernet, WLAN or LTE or a combination thereof can be provided in the manner described.
  • a supply interface 42 may be provided for the power supply of the adapter device 36 and / or the component 16, wherein here a selection of several offers may be provided for the use of the further possibilities of a CPS, such as different busbars, each of which may have a different voltage level, or a connection option for an uninterruptible power supply UPS.
  • the supply interface 42 may also contain or have switching devices, for example for a transformer and / or energy buffering.
  • the adapter device 36 may have an engineering interface 44, with which a performance of the adapter device 36 can be configured and maintained.
  • the adapter device 36 may be controlled by a microcontroller or a central processor, or generally a processor device 46, that may be configured via the engineering interface 44.
  • the processor device 46 can also have, for example, analog-to-digital converters and / or digital-to-analog converters in order to enable a conversion between analog signals and digital data necessary for the processing.
  • the processor device 46 may also include a storage option for operating software of the adapter device 36.
  • the adapter device 36 thus replaces the conventional field field connection to the component 16.
  • Control as realized in the prior art, for example with a programmable logic controller.
  • Information about energy, speed signal, temperature signal, position signal and / or the protection triggering with the component 16 can be exchanged via the component interface 38.
  • energy can be distributed from a power supply network 48 to the component 16 and (in the case of possible recuperative operation) back into the supply network 48.
  • the following modules can be provided, for example, in the form of program modules: an interpretation 50, a weighing 52, a decision 54 and an order
  • the component interface 38 can have a measurement data interface 64 and a control unit 66 ,
  • the processor device 46 executes a runtime environment, that is to say a control loop or monitoring loop, in which the steps of interpretation, weighing, decision and order generation by the respective module 50, 52, 54, 56 of the same name are executed.
  • the processing of external requests is triggered by requests from the CPS 22, so the request data 24.
  • the interface to the CPS 22 is formed by the communication interface 40, which offers basic functions such as send / receive processing, data buffering, format conversion and security functions such as VPN (Virtual Private Network), HTTPS (Secure Hypertext Transfer Protocol) and / or encryption can.
  • the measurement data interface 64 evaluates via the immediate use of the sensor signals 34, for example, an electric motor 28 also available information that may be useful for the application, such as a
  • Fingerprinting a motor current to draw conclusions about the condition of, for example, windings and / or carbon brushes, or an ambient temperature monitor for estimating the heat balance of, for example, the engine or component 16 in general, or a determination of Tachosignalschwankept to detect imbalances or bearing damage.
  • the control unit 38 can replace the conventional control, as is done remotely via a field bus in the prior art, by being created on a request from the CPS 22 out possible solutions for the implementation, ie one or more control signals, stored and implemented, such For example, control signals “switch on”, “set speed value to X”, “switch off at temperature above 120 degrees Celsius.”
  • Control unit 38 can also take over control of order generation 56, depending on the engineering interface 44 or by the central control unit 18 predetermined communication mode or communication mode to the CPS 22 continuously quasi-analog state telegrams ("65.3 degrees Celsius”, “65.3 degrees Celsius”, “65.6 degrees Celsius” .7) or event-related "Delta telegrams" to send ("temperature increase by 0.3 degrees Celsius on
  • the interpretation 50 accepts incoming requests from the communication interface 40 and can evaluate the requests for relevance to the control of the component 16. For example, if there is a topic related to the component 16, such as the electric motor 28 described in the example (switching operations, power consumption, typical applications may be relevant here), the interpretation 50 may decide that the request data 24 is is for the component 16 relevant data.
  • a context determination can also be carried out, that is, it can be checked, for example, whether the sender is relevant, whether the request matches the system state and if the request is a consequence of other messages and / or dialogues insert the CPS. For example, it can be checked whether the request concerns the particular production hall in which the component 16 is installed. Only request data for this production hall are relevant.
  • the derivation of the request for the component 16 can take place, so for example the electric motor 28.
  • the request data 24 for example, to save energy, a concrete
  • the application knowledge base 58 can be provided, in which it can be deposited, for example, which types of request data, which terms or designations or which sender are relevant to the component 16 and which requests of the sender,
  • the control unit 18, which correspond to technical equipment elements or their control parameters For example, the term “fan” in the example can also refer to the motor 28 by means of a corresponding mapping rule from the application knowledge base 58.
  • the term “energy-saving controller” can be a valid sender if this controller acts as a central control unit 18 in the same plant field 12 is like component 16.
  • Balancing 52 may juxtapose the formulated requirement with the reality of existing component 16, for example, its design (in the example of continuous operation S1), an efficiency characteristic of component 16, a mounting situation that may be due to, for example, limited thermal dissipation, or a weakly dimensioned one Power supply / electrical fuse. If a solution of the requirement 68 is possible, the weighing 52 can be used to determine one or more possible solutions 70. For example, for an electric motor 28, the request to save five minutes of energy can be accomplished by a shutdown, idle, or reduced speed.
  • the solution options can be evaluated taking into account the current runtime situation with regard to various operating maxims.
  • the runtime situation may, for example, be a current engine and ambient temperature above the intended normal temperature.
  • the operating maxims can be, for example: energy saving and / or availability and / or performance and / or maintenance minimization (protection). For example, shutdown is rated higher than the reduction in speed with respect to the operating maxim of energy conservation. But the shutdown and restart in terms of maintenance minimization is rated worse than just reducing the speed.
  • each possible solution is prioritized according to the various goals or operating maxims, so that a respective priority ranking of the possible solutions arises with respect to each operating maximum.
  • the engineering knowledge base 62 and the running-time state knowledge base 60 can be used.
  • the engineering knowledge base 62 may describe the real component 16, eg, the real engine 28, if an installation situation and the energy supply, such as the catalog data, essential deviations such as repairs or spare parts, special features of the wiring and / or protection and the installation situation are stored.
  • the runtime state knowledge base 60 may provide up-to-date operational data, its archives, derived metrics, and the maintenance status and / or a wear inventory (e.g., a remaining number of operating hours or revolutions).
  • the engineering knowledge base 62 thus provides operating data relating to operating limits 72 of the component 16.
  • the running-time state knowledge base 60 can thus provide operating data relating to the operating state 74 for the weighing 52. In this case, according to the operating data, an optimal solution can be found on the basis of the various target-specific priority rankings which are each related to an operating maximum.
  • the decision 54 can be made in accordance with the established operating maximum, that is to say for example energy saving, or changing operational maxims, for example set by the CPS 22.
  • the selected solution option is then output as the solution option 70 'to be performed.
  • a step S10 the request data 24 may contain the request, for example: "Save five minutes of energy!" the interpretation 50 is determined in a step S10 can be.
  • the consideration can determine as a solution options 70: shutdown, idle, reduced speed.
  • the possible solutions 70 can be evaluated and runtime conditions from the running time state knowledge base 60 can be used, ie the operating data 74.
  • a priority ranking according to different operating maxims 76, 78, 80 can be carried out in a step S16.
  • the operating maximum 76 may relate to the energy saving
  • the operating maximum 78 to the availability
  • the operating maximum 80 to the maintenance minimization.
  • the possible solutions 70 in FIG. 4 are these are the stopping, the idling and the reduced speed, arranged in different rankings 82, 84, 86.
  • decision 54 can now be used to determine which operating maximum is currently to be tracked.
  • the operating maxims energy saving (76) should be followed, so that the ranking 82 is based on the possible solutions and it follows that the optimal solution is the shutdown of the component 16.
  • This selected solution option 70 ⁇ is transferred to the order generation 56.
  • the job generation limitation is ⁇ based on the selected solutions 70 causes 56 to generate the instruction for the control unit 66 and, optionally, to trigger an appropriate communication to the CPS 22, Ramm, for example, an acknowledgment by generating a Quitt iststeleg- or a message concerning ( "Energy savings can only be implemented to a limited extent for thermal reasons.")
  • This is the report data 26 that is sent from the adapter device 36 to the CPS 22 over the data network 20.
  • the job generation 56 may also update the runtime state knowledge base 60 with current data so store them there to support a comprehensive assessment of the operation for future decisions.
  • the control unit 66 then generates the control signals 32 as a function of the control instructions generated by the order generation 56 as a function of the selected solution option 70 ⁇ .
  • the processing of internal requirements can also be initiated by the control unit 66, for which purpose the transmission can be initiated according to the requirements of the CPS 22 to the adapter device 36, in which case the corresponding request data 24 again by means of the application Knowledge base 58 can be interpreted.
  • the knowledge bases 58 and 62 may be provided with data prior to the runtime operation of the component 16 and the adapter device 36, the application knowledge base 58 here according to the specification of the CPS 22, so for example by the plant integrator or overall system responsible.
  • the engineering knowledge base 62 can be filled according to the situation of the respective component, for example by the responsible electrician.
  • the adapter device 36 can thus recognize that the adapter device 36 or the component 16 is meant by the request described above with "ventilation" and "hall". Logically, in this case, other subsystems, such as one or more of the components 14, are addressed, since the request components is independent. Furthermore, it can be recognized by the adapter device 36 that a shutdown should be assumed as a state. Subsequently, it is checked whether other conditions speak against it, for example impermissible heating of engine and lines. Since motors designed for Sl are not originally designed and installed for frequent restart, use in S2 mode (short-time operation) can lead to overheating.
  • the content of the interface can by local facilities Personnel done so that the adapter device 36 is very flexible and can be integrated at short notice. It is merely a knowledge carrier for the design of the receiving CPS 22, that is to say, for example, an IT manager of the system 10, as well as a knowledge carrier for the component 16 in question, for example the motor 28, and its installation, ie, for example, a plant electrician. These two persons can then carry out the engineering for the adapter device 36, for example on an operating device, and store the selected configuration in the adapter device 36 via the engineering interface 44. This makes it particularly advantageous for a subsequent implementation in plants (as may occur during the modernization of a plant), or even their optimization for the benefit of Industrie 4.0-typical synergies, such as energy conservation and / or resource conservation.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem cyberphysischen System (22) eine elektrische Komponente (16) zu betreiben. Die erfindungsgemäß bereitgestellte Adaptervorrichtung (36) zum Koppeln der Komponente (16) mit einem Datennetzwerk (20) des cyber-physischen Systems (22) weist auf: eine Kommunikationseinrichtung (40), die dazu ausgelegt ist, aus dem Datennetzwerk (20) komponentenunabhängig definierte Anfragedaten (24) zu empfangen; eine Interpretationseinrichtung (50), die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von den Anfragedaten (24) eine mit der technischen Ausstattung der Komponente (16) ausführbare Anforderung (68) zu ermitteln; eine Abwägungseinrichtung (52), die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Komponente (16) zu der Anforderung (68) eine zumindest ein Steuersignal (32) für die Komponente (16) umfassende Lösungsmöglichkeit (70' ) zu erzeugen, und ein Steuerwerk (66), das dazu ausgelegt ist, das zumindest eine Steuersignal (32) der Lösungsmöglichkeit (70' ) an eine Steuerschnittstelle (30) der Komponente (16) auszugeben.

Description

Beschreibung
Betrieb einer elektrischen Komponente in einem cyberphysischen System
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Komponente, beispielsweise eines Elektromotors oder eines Sensors, an einem Datennetzwerk eines cyberphysischen Systems. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Automatisierungsanlage, welche das cyber-physische System und die elektrische Komponente umfasst, sowie eine Adaptervorrichtung zum Koppeln einer elektrischen Komponente mit dem Datennetzwerk eines cyber-physischen Systems.
Im Zusammenhang mit Automatisierungsanlagen zum Durchführen eines Steuerungs- und/oder Fertigungsprozesses, beispielsweise einer Ampelsteueranlage in einer Stadt oder einer Fla- schenabfüllanlage in einer Brauerei, ist die Verwendung eines cyber-physischen Systems unter dem Begriff Industrie 4.0 bekannt. Der Begriff Industrie 4.0 beschreibt eine technologische Vision, die technische Lösungen als cyber-physische Systeme (CPS) darstellt. Diese sind unter anderem gekennzeichnet durch intensive Vernetzungen und Kommunikation zwischen den beteiligten, mit eigener Steuerungssoftware autonomiefähig betreibbare Komponenten.
Ein cyber-physisches System bezeichnet den Verbund informationstechnischer, softwaregesteuerter Komponenten mit mechanischen und elektronischen Teilen, die über eine Dateninfrastruktur, das heißt ein Datennetzwerk, wie beispielsweise das Internet oder ein Intranet, kommunizieren. Die Ausbildung von cyber-physischen Systemen entsteht durch die Vernetzung einer zentralen Steuereinheit, die ohne Information über die konkrete technische Ausstattung der zu steuernden Komponenten eine Anfrage betreffend das Betriebsverhalten der Komponenten aussendet. Erst die zu steuernden Komponenten wandeln die Anfrage in ein konkretes, von ihrer technischen Ausstattung vorgegebenes Betriebsverhalten um. Beispielsweise kann die zentrale Steuereinheit vorgeben, dass für die nächsten fünf Minuten in einer Automatisierungsanlage ein energiesparender Ruhezustand eingenommen werden soll. Diese komponentenunabhängige Anfrage wird von jeder der Komponenten gemäß ihrer technischen Ausstattung, das heißt gemäß ihrer technischen Möglichkeit, umgesetzt. Beispielsweise kann eine Deckenbeleuchtung gedimmt werden, während dagegen ein Elektromotor seine Drehzahl reduzieren kann.
Ein erhebliches Problem stellt die Transition von der heutigen in der Breite verwendeten klassischen Technologie zu dieser cyber-physischen Technologie dar. Heutige klassische Komponenten sind in der Regel zentral durch beispielsweise speicherprogrammierbare Steuerungen gesteuert, deren Regelkreise ein deterministisches Verhalten aufgrund eines qualifizierten Engineerings aufweisen anstatt der autonomen Selbstkonfiguration, wie sie bei Komponenten eines CPS möglich ist. Heutige Komponenten werden daher nach anderen Kriterien optimiert, die sich deutlich von cyber-physischen Vision unterscheiden.
Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass existierende Systeme kurzfristig und vollständig durch ein CPS ersetzt werden können, da eine solche Umrüstung kostenintensiv ist und nicht alle Lieferanten ihre Produktportfolios in gleicher Weise anpassen werden. Eine lange Übergangsphase mit hybriden Szenarien ist absehbar, in welcher an einem cyber-physischen System auch klassische, eine Steuerung durch eine speicherprogrammierbare Steuerung über einen Feldbus benötigende elektrische Komponenten betrieben werden müssen.
Ein spezielles Problem können hierbei Elektromotoren darstellen. Klassisch wird die Auslegung, Auswahl und Installation von Elektromotoren für eine bestimmte Aufgabe gemäß einschlägiger Richtlinien vorgenommen, beispielsweise der Richtlinie VDE 0530 (IEC 34-17), in denen Bemessungsdaten, Betriebsarten, Kühlmethoden und Anlaufverhalten festgelegt sein können. Dies führt zu einer Verbindung mit dem übergeordneten System, das heißt die zentrale Steuereinheit einer herkömmlichen Automatisierungsanlage berücksichtigt beim Erzeugen der zentralen Steuerbefehle die technische Ausstattung der zu steuernden Komponenten. Es kann also notwendig sein, zum Erzeugen eines Steuerbefehls durch eine zentrale Steuereinheit zunächst von der zu steuernden elektrischen Komponente deren Energieverbrauch, Tachosignal, Temperatursignal, Stellungssignal und/oder Zustand eines Schutzauslösers an eine zentrale Steuereinheit zu übermitteln, bevor diese entscheiden kann, welcher Steuerbefehl als nächster auszusenden ist. Das Wissen um die Anwendung besteht dabei zum Beispiel in der Auswahl des Motors, in der Auslegung der Kabel und der Aufstellung, in der Bemessung der Stromversorgung und der Para- metrierung, Programmierung des ansteuernden Systems.
Dagegen muss bei einem CPS davon ausgegangen werden, dass ein existierender, klassisch ausgelegter Motor mit neuen Anforderungen konfrontiert wird, weil in einem CPS die zentrale Steuereinheit komponentenunabhängige Anfragedaten erzeugt, die auch unabhängig vom aktuellen Betriebszustand der einzelnen Komponenten gebildet werden. Diese Anfragen müssen zum einen von den zu steuernden Komponenten interpretiert werden können, zum anderen müssen Konflikte mit der ursprünglichen Auslegung, beispielsweise einer Maximaldrehzahl oder einer maximal möglichen Kühlleistung, vermieden werden. Beispielsweise kann es dazu kommen, dass der Elektromotor in Betriebsarten laut Anfragedaten betrieben werden soll, für die er ursprünglich nicht ausgelegt ist, beispielsweise ein häufiger Start/Stopp anstelle eines Dauerbetriebs. Hierdurch können die Folge eine unzulässige Erwärmung und/oder ein erhöhter Verschleiß des Elektromotors sein. Die bisher eindeutig verteilte Zuständigkeit für einen sachgerechten Betrieb geht im hybriden Szenario verloren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem cyberphysischen System eine elektrische Komponente zu betreiben.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin- dung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche .
Das Problem wird durch eine Adaptionskapsel in Form einer Hardware- und Software- orrichtung gelöst, die als Bindeglied zwischen einer klassischen, auf eine zentrale Regelung angewiesene Komponente einerseits und einem cyber-physischen System andererseits dient. Der grundsätzliche Aufbau dieser Adaptervorrichtung ist wie folgt.
Eine Kommunikationseinrichtung ist dazu ausgelegt, aus dem Datennetzwerk des cyber-physischen Systems Anfragedaten zu empfangen, die ein von der technischen Ausstattung der Komponente unabhängig beschriebenes Betriebsverhalten des Geräts vorgeben, also beispielsweise die Anfrage, für die nächsten fünf Minuten Energie zu sparen. Eine Interpretationseinrichtung ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von den Anfragedaten eine mit der technischen Ausstattung der Komponente ausführbare Anforderung zu ermitteln, also beispielsweise einen elektrischen Leistungsverbrauch eines Elektromotors der Komponente zu reduzieren, wenn die Komponenten einen solchen Elektromotor hat. Wie bereits ausgeführt, ist dies aber nicht immer vorteilhaft, wenn dadurch beispielsweise der Verschleiß des Elektromotors gefördert wird. Eine Abwägungseinrichtung ist daher dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Komponente, die einen Betriebszustand und/oder eine Betriebsgrenze der Komponente angeben, zu der Anforderung eine Lösungsmöglichkeit zu erzeugen. Eine solche Lösungsmöglichkeit gibt zumindest ein Steuersignal für die Komponente vor. Beispielsweise kann die Lösungsmöglichkeit in dem Beispiel ein Steuersignal zum Reduzieren der Drehzahl des Elektromotors umfassen, anstatt diesen vollständig zu stoppen.
Schließlich ist ein Steuerwerk dazu ausgelegt, das zumindest eine Steuersignal der Lösungsmöglichkeit an eine Steuerschnittstelle der Komponente auszugeben. Mit anderen Worten ersetzt das Steuerwerk aus Sicht der Komponente beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) einer klassischen Anlagensteuerung. Mittels der Adaptervorrichtung kann die elektrische Komponente dennoch über das Datennetzwerk wie eine systemeigenen Komponente des cyber-physischen Systems angesteuert werden, da die Kommunikationseinrichtung der Adaptervorrichtung eine Kommunikationsschnittstelle bereit- stellt, wie sie auch eine systemeigene Komponente des cyberphysischen Systems aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Adaptervorrichtung ergibt sich der Vorteil, dass in Abhängigkeit von den komponentenunabhängigen Anfragedaten, die eine zentrale Steuereinheit des CPS über das Datennetzwerk aussendet, eine Selbstkonfiguration der elektrischen Komponente für die komponentenspezifische Umsetzung des angefragten Betriebsverhaltens ermöglicht ist. Damit kann auch eine elektrische Komponente, die nicht für den Be- trieb in einem cyber-physischen System ausgelegt ist, dennoch ohne ein Risiko für Verschleiß oder Betriebssicherheit an dem cyber-physischen System betrieben werden.
Durch Betrieb der erfindungsgemäßen Adaptervorrichtung ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren. Die Kommunikationseinrichtung empfängt aus dem Netzwerk die Anfragedaten, aus denen durch die Interpretationseinrichtung eine die technische Ausstattung der Komponente berücksichtigende Anforderung erzeugt wird. Unter Anforderung ist im Zusammenhang mit der Er- findung insbesondere ein Datensatz zu verstehen, welcher der Anfrage einen konkreten Komponententeil zuordnet. Beispielsweise kann die Anfrage den Energieverbrauch („Energieverbrauch reduzieren"), den Durchsatz („Produktionsrate oder Verarbeitungsrate erhöhen") oder die Verfügbarkeit („maximale Reaktionszeit auf den Wert x einstellen") betreffen. Durch die Interpretationseinrichtung wird daraus eine Anforderung für einen speziellen Komponententeil, beispielsweise einen Elektromotor oder eine Beleuchtung oder einen Sensor, erzeugt. Durch die Interpretationseinrichtung kann also in Be- zug auf die Anfrage beispielsweise ein Elektromotor oder eine Lampe oder eine Messschaltung identifiziert oder zugeordnet werden. Wie nun der Komponententeil die Anforderung umsetzt, wird durch die Abwägungseinrichtung in Abhängigkeit von Be- triebsdaten der Komponente ermittelt, indem sie eine Lösungsmöglichkeit zum Umsetzen der Anforderung ermittelt. Die Abwägungseinrichtung kann also beispielsweise eine bereits vorhandene Schalthäufigkeit oder einen Verschleißzustand oder eine aktuelle Temperatur der Komponente berücksichtigen und dann die Anforderung (beispielsweise Leistungsreduktion oder geringe Anforderungszeit) unter Berücksichtigung der Betriebsdaten durch entsprechende Steuersignale umsetzen, die zusammen die Lösungsmöglichkeit bilden. Das Steuerwerk gibt dann das zumindest eine Steuersignal der Lösungsmöglichkeit an eine Steuerschnittstelle der Komponente aus, beispielsweise einen Wechselrichter eines Elektromotors oder eine Steuerschaltung für eine Lampe oder eine Messschaltung.
Indem eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Adaptervorrichtung in eine Automatisierungsanlage integriert wird, ergibt sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Automatisierungsanlage, mittels welcher ein Steuerungs- und/oder Fertigungsprozess in einem Anlagenfeld durchgeführt werden kann. Mit Anlagenfeld ist dasjenige Areal gemeint, in welchem die Komponenten zum Steuern und/oder Überwachen des Prozesses angeordnet sind, also die Aktoren und Sensoren. Die Komponenten sind über ein Datennetzwerk mit einer zentralen Steuereinheit gekoppelt, die dazu ausgelegt ist, den Prozess gemäß einer komponentenübergreifend definierten Betriebsstrategie durchzuführen. Diese Betriebsstrategie umfasst bevorzugt ein Optimierungskriterium zu einer der folgenden Betriebsmaximen: Energieverbrauch, Durchsatz, Verfügbarkeit, Verschleiß oder Schonung. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, zwischen zumindest zwei der Optimierungskriterien umzuschalten, also die Betriebsmaxime zu wechseln. Das jeweilige Optimierungskriterium kann insbesondere eine Minimierung (Energieverbrauch, Verschleiß) oder eine Ma- ximierung (Durchsatz, Verfügbarkeit) vorgeben, wobei auch ein vorbestimmter, den Extremwert umfassenden Toleranzbereich vorgegeben sein kann. Um zur gegebenen Betriebsstrategie das Optimierungskriterium bezüglich der gewählten Betriebsmaxime zu erfüllen, ist bei einem cyber-physischen System lediglich vorgesehen, dass die zentrale Steuereinheit in Abhängigkeit von der Betriebsstrategie die entsprechenden komponentenunabhängigen Anfragedaten erzeugt und über das Datennetzwerk an die zumindest eine Komponente im Anlagenfeld aussendet. Anders als bei einer herkömmlichen Automatisierungsanlage berücksichtigt die zentrale Steuereinheit also nicht die jeweilige technische Ausstattung der Komponenten.
Bei der erfindungsgemäßen Automatisierungsanlage ist dennoch in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass auch eine nicht auf den Betrieb in einem cyber-physischen System ausgelegte elektrische Komponente dennoch diese komponentenunabhängigen Anfragedaten in ein der Betriebsmaxime entsprechendes Betriebsverhalten umwandelt, also beispielsweise ihren Energieverbrauch reduziert oder ihr Ansprechverhalten oder ihre Verfügbarkeit anpasst.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Adaptervorrichtung ist vorgesehen, dass die Interpretationseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Anfragedaten aus dem Datennetzwerk auf ihre Relevanz für die Komponente zu überprüfen und nur zu solchen Anfragedaten, die als relevant erkannt worden sind, eine Anforderung zu erzeugen. Hierbei kann die Interpretationseinrichtung mit einem Speicher gekoppelt sein, in welchem eine Abbildungsvorschrift gespeichert ist. Durch die Abbildungsvorschrift kann eine Zuordnung von Komponenten- kennungen, die in den Anforderungsdaten enthalten sein können, zu den Komponententeilen der Komponente vorgegeben sein. Wird beispielsweise eine Anforderung über das Datennetzwerk empfangen, dass ein Leistungsverbrauch von Motoren zu reduzieren ist, und handelt es sich bei der Komponente um ein Gebläse, so kann durch die Interpretationseinrichtung erkannt werden, dass die Anfrage relevant ist, weil das Gebläse einen Elektromotor aufweist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Abwägungseinrichtung nicht nur eine einzige Lösungsmöglichkeit ermittelt, sondern zu der Anforderung mehrere vorläufige Lösungsmöglich keiten. Zu jeder Lösungsmöglichkeit wird hierbei ein jeweili ger Rankingwert bezüglich zumindest einer der folgenden Betriebsmaximen zugeordnet: Energieeinsparung, Durchsatz, Verfügbarkeit, Verschleiß oder Schonung. Unter Schonung ist hier ein geringer Verschleiß der Komponente zu verstehen. Verfügbarkeit bezieht sich auf die Reaktionszeit und/oder Dy namik der Komponente. Um nun aus den mehreren vorläufigen Lö sungsmöglichkeiten eine davon auszuwählen, ist eine der Abwä gungseinrichtung nachgeordnete oder nachgeschaltete Entschei dungseinheit vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, in Abhängig keit von einer aktuellen Betriebsmaxime die gemäß den
Rankingwerten für die aktuelle Betriebsmaxime beste Lösungsmöglichkeit auszuwählen und an das Steuerwerk zu übermitteln Ist beispielsweise die Komponente bereits stark verschlissen so kann als Betriebsmaxime Schonung vorgesehen sein. Entspre chend wird dann die schonendste Lösungsmöglichkeit ausgewählt. Ein nahe der maximal zulässigen Betriebstemperatur be triebene Komponente kann beispielsweise Energiesparen als Betriebsmaxime vorgeben und dann die entsprechend energiespa rendste Lösungsmöglichkeit umsetzen.
Durch die Entscheidungseinrichtung ergibt sich in vorteilhaf ter Weise ein Selbstschutz der elektrischen Komponente.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Adaptervorrichtung bidirektional kommunikationsfähig ist. Hierzu ist gemäß einer Ausführungsform eine Generierungseinrichtung dazu ausgelegt, Berichtsdaten, die einen Zustand der Komponenten beschreiben, über die Kommunikationseinrichtung in das Datennetzwerk auszusenden. Die Berichtsdaten beschreiben z.B. die vom Steuerwerk umgesetzte Lösungsmöglichkeit und/oder das ak tuelle an die Komponente ausgegebene Steuersignal. Mit anderen Worten wird eine Quittierung und/oder eine Einschränkung die in der Lösungsmöglichkeit enthalten ist, an die zentrale Steuereinheit ausgegeben. Die Einschränkung kann beispiels- weise besagen, dass eine Energieeinsparung aus thermischen Gründen nur eingeschränkt umgesetzt werden kann. Durch die Generierungseinrichtung ergibt sich der Vorteil, dass die zentrale Steuereinheit die Umsetzung ihrer Betriebsstrategie überwachen kann.
Eine besonders flexible Anpassung der Anfrage an die elektrische Komponente ist gemäß einer Ausführungsform gegeben, bei welcher eine Sensorschnittstelle dazu ausgelegt ist, zumindest ein von dem Betriebszustand der Komponente abhängiges Sensorsignal zu empfangen. Dieses Sensorsignal wird von einer Überwachungseinrichtung dahingehend genutzt, um einen Laufzeitzustand der Komponente zu ermitteln. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Sensorsignal zumindest einen Teil der von der Abwägungseinrichtung genutzten Betriebsdaten zu erzeugen, so dass in Abhängigkeit von diesen Betriebsdaten die Lösungsmöglichkeit ermittelt wird.
In Bezug auf das bereits genannte erfindungsgemäße Verfahren gehören zu der Erfindung auch Weiterbildungen des Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Adaptervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund unterbleibt hier eine Beschreibung der entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben . Hierzu zeigt :
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Automatisierungsanlage,
FIG 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Adaptervorrichtung, wie sie in der Automatisierungsanlage von FIG 1 bereitgestellt sein kann, FIG 3 einen Signalflussgraphen zu einem Betrieb der Adaptervorrichtung von FIG 2,
FIG 4 ein Ablaufdiagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie durch die Adaptervorrichtung von FIG 2 ausgeführt werden kann.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
FIG 1 zeigt eine Automatisierungsanlage 10, bei der es sich beispielsweise um eine Fertigungsanlage beispielsweise für Spritzgussteile oder um eine Steuerungsanlage für einen Pro- zess, beispielsweise für die Energiegewinnung in einem Kernkraftwerk oder Kohlekraftwerk, oder um eine Steuerungsanlage beispielsweise für ein Ampelsystem handeln kann.
Die Automatisierungsanlage 10 kann ein Anlagenfeld oder kurz Feld 12 aufweisen, in welchem Komponenten 14, 16 zum Steuern und/oder Überwachen des Prozesses der Anlage 10 angeordnet sein können. Bei dem Anlagenfeld 12 kann es sich beispielsweise um eine Fertigungshalle oder ein Gelände mit mehreren Fertigungshallen oder auch im Falle einer Ampelsteueranlage um einen Stadtteil handeln. Bei den Komponenten 14, 16 kann es sich jeweils um einen Aktor und/oder Sensor handeln. Beispielsweise kann es sich jeweils um ein steuerbares Ventil oder eine Ampel oder einen Spritzgussautomaten oder ein Fließband oder Förderband oder einen Elektromotor handeln. Um einen Betrieb der Komponenten 14, 16 zu koordinieren und hierdurch den Prozess im Feld 12 durchzuführen, kann bei der Anlage 10 eine zentrale Steuereinheit 18 bereitgestellt sein, bei der es sich beispielsweise um einen Zentralrechner han- dein kann. Die Steuereinheit 18 kann über ein Datennetzwerk 20 zum Austauschen von Steuerdaten und Zustandsdaten mit den Komponenten 14, 16 verbunden sein. Das Datennetzwerk 20 kann ganz oder teilweise auch drahtlos ausgelegt sein und eine Datenübertragung beispielsweise über WLAN (Wireless Local Area Network) oder auch eine Mobilfunkverbindung, beispielsweise UMTS oder LTE vorsehen. Eine drahtgebundene Übertragung kann beispielsweise mittels des Standards Ethernet realisiert sein. Die Datenübertragung kann beispielsweise mittels des Internetprotokolls (IP) koordiniert sein.
Ein Datenaustausch zwischen der zentralen Steuereinheit 18 und den Komponenten 14 kann hierbei auf der Grundlage eines Kommunikationsprotokolls gemäß einem CPS (cyber-physisches System) erfolgen. Die Steuereinheit 18 und die Komponenten 14 sind also über das Datennetzwerk 20 zu einem cyber-physischen System oder kurz CPS 22 gekoppelt. Die Komponenten 14 sind hierzu mit einer eigenen (nicht dargestellten) Intelligenz oder Steuereinheit ausgelegt, welche einen autonomen Betrieb der jeweiligen Komponente 14 ermöglicht und hierbei ein Be- triebsverhalten an Anfragen der Steuereinheit 18 ausrichtet.
Die Komponente 16 kann dahingehend systemfremd ausgestaltet sein, dass sie Anfragedaten 24 der zentralen Steuereinheit 18 nicht interpretieren kann. Des Weiteren kann es möglich sein, dass die Komponente 16 keine Berichtsdaten 26 gemäß dem Kommunikationsprotokoll des CPS 22 erzeugen kann.
Für die weitere Erläuterung sei angenommen, dass die Komponente 16 einen Elektromotor 28 und einen Wechselrichter 30 zum Betrieb des Elektromotors 28 umfasst. Der Wechselrichter 30 stellt eine Steuerschnittstelle der Komponente 30 dar. Für den Betrieb der Komponente 16 ist es daher notwendig, dass Steuersignale 32 zum Steuern des Wechselrichters 30 erzeugt werden und Sensordaten 34 von in dem Wechselrichter 30 und/oder dem Elektromotor 28 angeordneten Sensoren abgebildet werden auf die Anfragedaten 24 beziehungsweise die Berichtsdaten 26. Hierzu ist die Komponente 16 über eine Adaptervor- richtung 36 an das Datennetzwerk 20 angekoppelt. Die Adaptervorrichtung kann als eine Adapterkapsel AK ausgestaltet sein, also ein Adaptermodul mit eigenem Gehäuse und elektrischen Steckeingängen und Steckausgängen. Für die weitere Erläuterung sei des Weiteren angenommen, dass die Komponente 16 mit dem Elektromotor 28 in einer Industrieanlage für eine Belüftungsaufgabe eingesetzt wird. Hierzu kann beim Bau der Anlage 10 der Motor 28, seine Absicherung, Verkabelung und Wartung für die Dauer beispielsweise entspre- chend der Betriebsart Sl z.B. gemäß der internationalen Norm IEC 60034-1 oder IEC 34-17vorgesehen sein.
Ein häufig angeführter Nutzen für die Umstellung auf ein cy- ber-physisches System, wie das System 22, ist die Energieein- sparung durch gezielte Abschaltung nicht benötigter Aggregate, die in der Technologie basierend auf speicherprogrammierbaren Steuerungen ohne explizite Planung selten praktikabel ist. In diesem Fall teilt das CPS 22 den Teilsystemen der Automatisierungsanlage 10, das heißt den Komponenten 14, 16, zum Beispiel über mehrere Stunden immer wieder mit, dass für einige Minuten keine Belüftung der fraglichen Halle nötig ist. Hierauf muss dann auch der Elektromotor 28 reagieren. Die Adaptervorrichtung 36 kann hierzu die Anfragedaten 24, welche den Befehl zur Energieeinsparung enthalten können, für die Komponente 16 interpretieren und die zugehörigen Steuersignale 32 bei Bedarf erzeugen.
Für die Funktionsweise der Adaptervorrichtung 36 wird im Folgenden auf FIG 2, FIG 3 und FIG 4 verwiesen.
FIG 2 zeigt die Hardware oder den Schaltungsaufbau der Adaptervorrichtung 36. Die Adaptervorrichtung 36 kann eine physische Schnittstelle zur Komponente 16, also den Motor, aufwei- sen, die hier als Komponentenschnittstelle 38 bezeichnet ist. Die Komponentenschnittstelle 38 kann derjenigen einer Installation mit zentraler Regelung beispielsweise über speicherprogrammierbare Steuerungen entsprechen, also beispielsweise einem Busanschluss für einen Profinet-Bus. Die Komponentenschnittstelle 38 kann Signalleitungen und auch Energieversorgungsleitungen umfassen. Eine weitere physische Schnittstelle ist die Kommunikationsschnittstelle 40 für einen Datenaustausch mit dem Datennetzwerk 20 des CPS 22. Hier kann in der beschriebenen Weise eine Kommunikationsschnittstelle 40 für ein Ethernet, WLAN oder LTE oder auch eine Kombination davon bereitgestellt sein. Eine Versorgungsschnittstelle 42 kann für die Energieversorgung der Adaptervorrichtung 36 und/oder der Komponente 16 vorgesehen sein, wobei hier eine Auswahl mehrerer Angebote zur Nutzung der weiteren Möglichkeiten eines CPS vorgesehen sein kann, wie beispielsweise verschiedene Stromschienen, von denen jede eine andere Spannungsebene aufweisen kann, oder eine Anschlussmöglichkeit für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung USV. Hierzu kann die Versorgungsschnittstelle 42 auch Schaltvorrichtungen zum Beispiel für eine Umspannung und/oder Energiepufferung enthalten oder aufweisen. Schließlich kann die Adaptervorrichtung 36 eine Engineering-Schnittstelle 44 aufweisen, mit welcher ein Betriebsverhalten der Adaptervorrichtung 36 konfiguriert und gewartet werden kann. Die Adaptervorrichtung 36 kann durch einen Mikrokontroller oder einen zentralen Prozessor oder allgemein eine Prozessoreinrichtung 46 gesteuert werden, die über die Engineering-Schnittstelle 44 konfiguriert werden kann. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung 46 auch beispielsweise Analog-Digital-Wandler und/oder Digital-Analog- Wandler aufweisen, um eine Wandlung zwischen analogen Signalen und für die Verarbeitung nötigen digitalen Daten zu ermöglichen. Die Prozessoreinrichtung 46 kann auch eine Speichermöglichkeit für Betriebssoftware der Adaptervorrichtung 36 umfassen.
Die Adaptervorrichtung 36 ersetzt somit die herkömmliche, über einen Feldbus an die Komponente 16 anzubindende Feld- Steuerung, wie sie im Stand der Technik beispielsweise mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung realisiert wird. Über die Komponentenschnittstelle 38 können Informationen betreffend Energie, Tachosignal, Temperatursignal, Stellungs- signal und/oder die Schutzauslösung mit der Komponente 16 ausgetauscht werden. Über die Schnittstellen 38, 42 kann eine Energieverteilung aus einem Energieversorgungsnetz 48 hin zur Komponente 16 und (bei möglichem rekuperativem Betrieb) zurück in das Versorgungsnetz 48 erfolgen.
Im Folgenden ist anhand von FIG 3 die Betriebsweise der Adaptervorrichtung 36 beschrieben. Durch die Prozessoreinrichtung 46 können die folgenden Module beispielsweise in Form von Programmmodulen bereitgestellt sein: Eine Interpretation 50, eine Abwägung 52, eine Entscheidung 54 und eine Auftrags-
Generierung 56. Des Weiteren können Datenspeicher oder Datenbanken oder allgemein Wissensbasen bereitgestellt sein, beispielsweise eine Anwendungs-Wissensbasis 58, eine Laufzeitzu- stands-Wissensbasis 60 und/oder eine Engineering-Wissensbasis 62. Die Komponentenschnittstelle 38 kann eine Messdatenschnittstelle 64 und ein Steuerwerk 66 aufweisen.
Durch die Prozessoreinrichtung 46 wird eine Laufzeitumgebung, also eine Kontrollschleife oder Überwachungsschleife, ausge- führt, in welcher die Schritte Interpretation, Abwägung, Entscheidung und Auftrags-Generierung durch das jeweilige, gleichnamige Modul 50, 52, 54, 56 abgearbeitet werden. Die Abarbeitung externer Anforderungen wird durch Anfragen des CPS 22, also die Anfragedaten 24, ausgelöst.
Die Schnittstelle zum CPS 22 wird durch die Kommunikationsschnittstelle 40 gebildet, die Basisfunktionen wie Sende- /Empfangsabwicklung, Datenpufferung, Formatumwandlung und Sicherheitsfunktionen, wie beispielsweise VPN (Virtual Priva- te Network) , HTTPS (Secure Hypertext Transfer Protocol) und/oder Verschlüsselung, anbieten kann. Die Messdatenschnittstelle 64 wertet über die unmittelbare Nutzung der Sensorsignale 34 beispielsweise eines Elektromotors 28 hinaus verfügbare Informationen aus, die für die Anwendung sinnvoll sein können, wie beispielsweise ein
Fingerprinting eines Motorstroms, um Rückschlüsse auf den Zustand von beispielsweise Wicklungen und/oder Kohlebürsten zu erhalten, oder eine Umgebungstemperaturüberwachung zum Abschätzen des Wärmehaushalts beispielsweise des Motors oder allgemein der Komponente 16, oder eine Ermittlung von Tachosignalschwankungen, um Unwuchten oder Lagerschäden zu erkennen .
Das Steuerwerk 38 kann die klassische Ansteuerung, wie sie im Stand der Technik aus der Ferne über einen Feldbus erfolgt, ersetzen, indem auf eine Anforderung des CPS 22 hin entstandene Lösungsmöglichkeiten für die Umsetzung, also ein oder mehrere Steuersignale, hinterlegt und umgesetzt werden, wie beispielsweise Steuersignale „Schalter ein", „setze Drehzahlwert auf X", „schalte bei Temperatur über 120 Grad Celsius ab". Weiter kann das Steuerwerk 38 die Ansteuerung der Auf- trags-Generierung 56 übernehmen, um je nach über die Engineering-Schnittstelle 44 oder durch die zentrale Steuereinheit 18 vorgegebener Kommunikationsweise oder Kommunikationsmodus an das CPS 22 kontinuierlich quasi-analoge Zustandstelegramme („65,3 Grad Celsius", „65,3 Grad Celsius", „65,6 Grad Celsius" .... ) oder ereignisbezogene „Delta-Telegramme" zu verschicken („Temperaturanstieg um 0,3 Grad Celsius auf
65, 6 Grad Celsius") .
Die Interpretation 50 nimmt eingehende Anfragen von der Kommunikationsschnittstelle 40 entgegen und kann die Anfragen im Hinblick auf Relevanz für die Ansteuerung der Komponente 16 auswerten. Handelt es sich beispielsweise um ein Thema in Bezug auf die Komponente 16, wie etwa den im Beispiel beschriebenen Elektromotor 28 (hier können Schaltvorgänge, Energieverbrauch, typische Anwendungen relevant sein) , so kann die Interpretation 50 entscheiden, dass es sich bei den Anfragedaten 24 um für die Komponente 16 relevante Daten handelt. Durch die Interpretation 50 kann auch eine Kontextermittlung durchgeführt werden, das heißt es kann zum Beispiel überprüft werden, ob der Absender relevant ist, ob die Anforderung zum Anlagenzustand passt und ob sich die Anforderung in eine Fol- ge von anderen Mitteilungen und/oder Dialogen mit dem CPS einfügt. Beispielsweise kann überprüft werden, ob die Anfrage überhaupt diejenige Fertigungshalle betrifft, in welcher die Komponente 16 installiert ist. Nur Anfragedaten für diese Fertigungshalle sind relevant.
Falls durch die Interpretation 50 die Relevanz für die Komponente 16 erkannt wird, kann die Ableitung der Anforderung für die Komponente 16 erfolgen, also beispielsweise den Elektromotor 28. Beispielsweise kann aus den Anfragedaten 24, die beispielsweise zum Energiesparen auffordern, eine konkrete
Anforderung erzeugt werden, die besagt, dass der Elektromotor 28 für beispielsweise fünf Minuten mit weniger Leistung betrieben werden soll. Für die Erzeugung einer Anforderung aus der komponentenunabhängigen Anfrage kann die Anwendungs-Wissensbasis 58 vorgesehen sein, in der zum Beispiel hinterlegt sein kann, welche Arten von Anfragedaten, welche Begriffe oder Bezeichnungen oder welche Absender für die Komponente 16 relevant sind und welche Anfragen des Absenders, also beispielsweise der Steuereinheit 18, welchen technischen Ausstattungselementen oder deren Steuerparametern entsprechen. Hierdurch kann mittels einer entsprechenden Abbildungsvorschrift aus der Anwendungs- Wissensbasis 58 beispielsweise der Begriff „Lüfter" in dem Beispiel auch den Motor 28 betreffen. Genauso kann der Begriff „Energiesparcontroller" ein gültiger Absender sein, wenn sich dieser Controller als zentrale Steuereinheit 18 in demselben Anlagenfeld 12 befindet wie die Komponente 16. Die Anfrage „Energie sparen" kann entsprechend in eine Anforde- rung zur Abschaltung oder Drehzahlreduzierung übersetzt werden . Die Abwägung 52 kann die formulierte Anforderung der Realität der existierenden Komponente 16 gegenüberstellen, zum Beispiel deren Auslegung (in dem Beispiel Dauerbetrieb Sl), eine Effizienzkennlinie der Komponente 16, eine Einbausituation, die beispielsweise durch beschränkte thermische Abfuhr gegeben sein kann, oder eine schwach dimensionierte Stromversorgung/elektrische Absicherung. Falls eine Lösung der Anforderung 68 möglich ist, kann durch die Abwägung 52 eine oder mehrere Lösungsmöglichkeiten 70 ermittelt werden. So kann für einen Elektromotor 28 beispielsweise die Aufforderung, fünf Minuten Energie zu sparen, durch eine Abschaltung, einen Leerlaufbetrieb oder eine reduzierte Drehzahl erfolgen.
Dies stellt drei Lösungsmöglichkeiten dar, zwischen denen entschieden werden muss. Die Lösungsmöglichkeiten können unter Berücksichtigung der aktuellen Laufzeitsituation in Bezug auf verschiedene Betriebsmaximen bewertet werden. Bei der Laufzeitsituation kann es sich beispielsweise um eine aktuelle über der vorgesehenen Normaltemperatur liegenden Motor- und Umgebungstemperatur handeln. Die Betriebsmaxime können beispielsweise sein: Energieeinsparung und/oder Verfügbarkeit und/oder Leistungsfähigkeit und/oder Wartungsminimierung (Schonung) . So wird beispielsweise ein Abschalten in Bezug auf die Betriebsmaxime Energieeinsparung höher bewertet als die Reduzierung der Drehzahl. Dafür wird aber das Abschalten und Wiederanfahren in Bezug auf die Wartungsminimierung schlechter bewertet als lediglich die Reduzierung der Drehzahl. Durch die Abwägung 52 wird also gemäß der verschiedenen Ziele oder Betriebsmaximen jede Lösungsmöglichkeit priori- siert, sodass in Bezug auf jede Betriebsmaxime ein jeweiliges Prioritätsranking der Lösungsmöglichkeiten entsteht. Um die Lösungsmöglichkeiten zu ermitteln und sie bezüglich der Betriebsmaxime zu bewerten oder zu ranken, können die Engineering-Wissensbasis 62 und die Laufzeitzustands-Wissensbasis 60 genutzt werden.
Die Engineering-Wissensbasis 62 kann die reale Komponente 16, also beispielsweise den realen Motor 28, beschreiben, wenn eine Installationssituation und die Energieversorgung, beispielsweise die Katalogdaten, wesentliche Abweichungen wie Reparaturen oder Ersatzteile, Besonderheiten der Verkabelung und/oder Absicherung und die Einbausituation gespeichert sind.
Die Laufzeitzustands-Wissensbasis 60 kann aktuelle Betriebsdaten, deren Archive, abgeleitete Kennzahlen und den Wartungszustand und/oder einen Abnutzungsvorrat (z.B. eine ver- bleibende Anzahl von Betriebsstunden oder Umdrehungen) bereitstellen. Auf Basis der Lösungsmöglichkeiten 70 der Abwägung 52 kann die Entscheidung 54 über die gewählte Alternative getroffen werden. Die Engineering-Wissensbasis 62 stellt also Betriebsdaten betreffend Betriebsgrenzen 72 der Komponente 16 bereit. Die Laufzeitzustands-Wissensbasis 60 kann also Betriebsdaten betreffend den Betriebszustand 74 für die Abwägung 52 bereitstellen. Dabei kann gemäß den Betriebsdaten anhand der ver- schiedenen zielspezifischen Prioritätsrankings, die jeweils auf eine Betriebsmaxime bezogen sind, eine in diesem Rahmen optimale Lösung gefunden werden. Entschieden kann beispielsweise dahingehend werden, für eine Lösung, die für die Verfügbarkeit und Wartungsminimierung die beste Alternative, für die Energieeinsparung aber nur die zweitbeste Lösung sein kann. Die Entscheidung 54 kann hierbei entsprechend der festgelegten Betriebsmaxime, also beispielsweise Energieeinsparung, oder wechselnder, beispielsweise vom CPS 22 festgelegter Betriebsmaximen erfolgen. Die ausgewählte Lösungsmöglich- keit wird dann als die durchzuführende Lösungsmöglichkeit 70' ausgegeben .
Im Folgenden ist anhand von FIG 4 noch einmal das Verfahren zum Ermitteln der Lösungsmöglichkeit 70 Λ aus den Anfragedaten 24 für das eingangs beschriebene Beispiel beschrieben, bei welchem die Anfragedaten 24 beispielsweise die Anforderung enthalten können: „Fünf Minuten Energie sparen!", wie es durch die Interpretation 50 in einem Schritt S10 ermittelt werden kann. In einem Schritt S12 kann die Abwägung als Lösungsmöglichkeiten 70 ermitteln: Abschaltung, Leerlauf, reduzierte Drehzahl. In einem Schritt S14 können die Lösungsmöglichkeiten 70 bewertet werden und hierzu LaufZeitbedingungen aus der Laufzeitzustands-Wissensbasis 60 genutzt werden, also die Betriebsdaten 74. Beispielsweise kann ermittelt werden, dass bereits in der Vergangenheit, beispielsweise letzten Stunde oder den letzten zehn Stunden, eine starke Häufung an Abschaltungen beobachtet worden ist, sodass die Lösungsmöglichkeit „Abschalten" in Bezug auf die Betriebsmaxime „Wartung" schlechter bewertet wird als beispielsweise ein Leerlauf. Die Reduktion der Drehzahl kann anhand der Randbedingungen, wie sie durch die Betriebsdaten 72 definiert sind, ergeben, dass ein schlechter Wirkungsgrad vorliegt, was in Bezug auf die Betriebsmaxime „Energieeinsparung" entsprechend bewertet werden kann. In Bezug auf einen Leerlauf kann ermittelt werden, dass aufgrund der aktuellen Temperatur eine hinreichende Kühlung der Komponente 16 nötig sein kann, sodass hier der Aspekt Verschleiß (Betriebsmaxime Schonung) ) entsprechend bewertet wird.
Hieraus kann in einem Schritt S16 ein Prioritätenranking nach unterschiedlichen Betriebsmaximen 76, 78, 80 erfolgen. Beispielsweise kann die Betriebsmaxime 76 die Energieeinsparung betreffen, die Betriebsmaxime 78 die Verfügbarkeit und die Betriebsmaxime 80 die Wartungsminimierung . Entsprechend werden die Lösungsmöglichkeiten 70 in FIG 4 sind diese das Anhalten, der Leerlauf und die reduzierte Drehzahl, in unterschiedlichen Rankings 82, 84, 86 geordnet.
In einem Schritt S18 kann nun durch die Entscheidung 54 ermittelt werden, welche Betriebsmaxime aktuell verfolgt werden soll. In dem Beispiel soll die Betriebsmaxime Energiesparen (76) verfolgt werden, sodass das Ranking 82 der Lösungsmöglichkeiten zugrundegelegt wird und hieraus folgt, dass die optimale Lösung die Abschaltung der Komponente 16 ist. Diese ausgewählte Lösungsmöglichkeit 70 Λ wird der Auftrags- Generierung 56 übergeben. Auf Basis der ausgewählten Lösungsmöglichkeiten 70 Λ wird die Auftrags-Generierung 56 dazu veranlasst, die Anweisung für das Steuerwerk 66 zu generieren und gegebenenfalls eine entsprechende Kommunikation zum CPS 22 auszulösen, beispielsweise eine Quittierung durch Erzeugen eines Quittierungsteleg- ramms oder eine Meldung betreffend eine Einschränkung („Energieeinsparung kann aus thermischen Gründen nur eingeschränkt umgesetzt werden") . Dies sind die Berichtsdaten 26, die von der Adaptervorrichtung 36 über das Datennetzwerk 20 in das CPS 22 ausgesendet werden. Die Auftrags-Generierung 56 kann auch die Laufzeitzustands-Wissensbasis 60 mit aktuellen Daten versehen, also diese dort speichern, um eine umfassende Beurteilung des Betriebs für zukünftige Entscheidungen zu unterstützen .
Das Steuerwerk 66 erzeugt dann die Steuersignale 32 in Abhän gigkeit von den Steueranweisungen, die von der Auftrags- Generierung 56 in Abhängigkeit von der ausgewählten Lösungs- möglichkeit 70 Λ erzeugt werden.
Die Abarbeitung interner Anforderungen (zum Beispiel quasianaloges, typisches Übermitteln eines Temperaturwerts) kann ebenfalls durch das Steuerwerk 66 angestoßen werden, wobei hierzu das Übermitteln gemäß Anforderungen des CPS 22 an die Adaptervorrichtung 36 angestoßen werden kann, wobei hier die entsprechenden Anfragedaten 24 wieder mittels der Anwendungs Wissensbasis 58 interpretiert werden können. Die Wissensbasen 58 und 62 können vor dem Laufzeitbetrieb der Komponente 16 und der Adaptervorrichtung 36 mit Daten versehen werden, die Anwendungs-Wissensbasis 58 hierbei entsprechend der Spezifikation des CPS 22, also zum Beispiel durch den Anlagenintegrator oder Gesamtsystemverantwortlichen. Die Engineering-Wissensbasis 62 kann entsprechend der Situation der jeweiligen Komponente befüllt werden, also zum Beispiel vom zuständigen Elektriker. Insgesamt kann so die Adaptervorrichtung 36 in dem Beispiel unter Nutzung der Anwendungs-Wissensbasis 58 erkennen, dass mit der eingangs beschriebenen Anfrage mit „Belüftung" und „Halle" die Adaptervorrichtung 36 beziehungsweise die Komponente 16 gemeint ist. Logischerweise können hierbei auch andere Teilsysteme, wie beispielsweise eine oder mehrere der Komponenten 14, angesprochen werden, da die Anfragekomponenten unabhängig erfolgt. Des Weiteren kann durch die Adaptervorrichtung 36 erkannt werden, dass eine Abschaltung als Zustand eingenommen werden soll. In der Folge wird geprüft, ob andere Bedingungen dagegen sprechen, zum Beispiel unzulässige Erwärmung von Motor und Leitungen. Da nach Sl ausgelegte Motoren ursprünglich nicht für häufigen Wiederanlauf ausgelegt und installiert sind, kann die Nutzung in der Betriebsart S2 (Kurzzeitbetrieb) zu Überhitzung führen. Dies ist abrufbar in der Laufzeitzustands-Wissensbasis 60 oder es kann eine Bedingung aus einem Wartungsvermerk in der Engineering- Wissensbasis 62 dagegen sprechen, dass aufgrund eines beispielsweise defekten Anlaufkondensators der Motor 28 keinesfalls abgeschaltet werden darf. Wird die Abschaltung freigegeben, kann anhand der Anwendungs-Wissensbasis 58 noch die Abfrage an benachbarte Teilsysteme generiert werden, ob diese zum selben Zeitpunkt wieder anlaufen müssen, falls ja, können die Teilsysteme einen, bei Belüftung unkritischen, um einige Sekunden gestaffelten Wiederanlauf vereinbaren, um keine Lastspitze in der Energieversorgung zu erzeugen. Auch hierzu ist dann keine zentrale Steuerung durch die Steuereinheit 18 nötig .
Durch das Bereitstellen der Adaptervorrichtung 36 ist ein neuer Ansatz für die Übersetzung zwischen der semantischkomplexen Welt des CPS 22 und der weitgehend semantikfreien Kommunikationsmöglichkeit eines Elektromotors 28 oder allgemein einer Komponente 16, die auf Steuersignale 32 einer Steuerungseinrichtung angewiesen ist, ermöglicht.
Die inhaltliche Gestaltung der Schnittstelle, also das Engineering der Adaptervorrichtung 36, kann durch Anlagen-lokales Personal erfolgen, sodass die Adaptervorrichtung 36 sehr flexibel einsetzbar und kurzfristig integrierbar ist. Es ist lediglich ein Wissensträger für die Gestaltung des aufnehmenden CPS 22, also beispielsweise ein IT- erantwortlicher der Anla- ge 10, sowie ein Wissensträger für die fragliche Komponente 16, also beispielsweise den Motor 28, und seine Installation nötig, also beispielsweise ein Anlagenelektriker. Diese beiden Personen können dann das Engineering für die Adaptervorrichtung 36 beispielsweise an einer Bedieneinrichtung vorneh- men und die gewählte Konfiguration über die Engineering- Schnittstelle 44 in der Adaptervorrichtung 36 speichern. Damit ist für eine nachträgliche Implementierung in Anlagen (wie es bei der Modernisierung einer Anlage vorkommen kann) , beziehungsweise auch deren Ertüchtigung zum Nutzen von In- dustrie-4.0-typischen Synergien, wie beispielsweise die Energieeinsparung und/oder Ressourcenschonung, besonders vorteilhaft .
Vorteilhaft ist auch die einfache Möglichkeit der Entschei- dung gemäß wechselnder Betriebsmaximen 76, 78, 80 unter gleichzeitiger Berücksichtigung der aktuellen Betriebsgegebenheiten der Komponente 16.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Adaptionskapsel für Elektromotoren zur Einbindung in cyberphysische Systeme bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Automatisierungsanlage
12 Anlagenfeld
14 CPS-Komponente
16 klassische Komponente
18 zentrale Steuereinheit
20 Datennetzwerk
22 cyber-physisches System (CPS)
24 Anfragedaten
26 Berichtsdaten
28 Elektromotor
30 Wechselrichter
32 Steuersignale
34 SensorSignale
36 Adaptervorrichtung
38 Komponentenschnittstelle
40 Kommunikationsschnittstelle
42 Versorgungsschnittstelle
44 Engineering-Schnittstelle
46 Prozessoreinrichtung
48 Versorgungsnetz
50 Interpretation
52 Abwägung
54 Entscheidung
56 Auftrags-Generierung
58 Anwendungs-Wissensbasis
60 Laufzeitzustands-Wissensbasis
62 Engineering-Wissensbasis
64 Messdatenschnittstelle
66 Steuerwerk
68 Anforderung
70 Lösungsmöglichkeiten
70 Λ ausgewählte Lösungsmöglichkeit 72 Betriebsgrenzen
74 Betriebszustand
76, 78, 80 Betriebsmaxime
82, 84, 86 Prioritätsranking
AK Adapterkapsel S10, S12,
S14, S16, S18 Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Adaptervorrichtung (36) zum Koppeln einer elektrischen Komponente (16) mit einem Datennetzwerk (20) eines cyber- physischen Systems (22), aufweisend:
- eine Kommunikationseinrichtung (40), die dazu ausgelegt ist, aus dem Datennetzwerk (20) Anfragedaten (24) zu empfangen, die ein von der technischen Ausstattung der Komponente (16) unabhängig beschriebenes Betriebsverhalten der Komponen- te (16) vorgeben;
- eine Interpretationseinrichtung (50), die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von den Anfragedaten (24) eine mit der technischen Ausstattung der Komponente (16) ausführbare Anforderung (68) zu ermitteln;
- eine Abwägungseinrichtung (52), die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Komponente (16) , die einen Betriebszustand (74) und/oder eine Betriebsgrenze (72) der Komponente (16) angeben, zu der Anforderung (68) eine zumindest ein Steuersignal (32) für die Komponente (16) vorgebende Lösungsmöglichkeit (70') zu erzeugen;
- ein Steuerwerk (66), das dazu ausgelegt ist, das zumindest eine Steuersignal (32) der Lösungsmöglichkeit (70') an eine Steuerschnittstelle (30) der Komponente (16) auszugeben.
2. Adaptervorrichtung (36) nach Anspruch 1, wobei die Interpretationseinrichtung (50) dazu ausgelegt ist, die Anfragedaten (24) auf ihre Relevanz für die Komponente (16) zu überprüfen und die Anforderung (68) nur zu als relevant erkannten Anfragedaten (24) zu erzeugen.
3. Adaptervorrichtung (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abwägungseinrichtung (52) dazu ausgelegt ist, zu der Anforderung (68) mehrere vorläufige Lösungsmöglichkeiten (70) zu ermitteln und jeder Lösungsmöglichkeit (70) einen jeweiligen Rankingwert bezüglich zumindest einer der folgenden Betriebsmaximen Energieeinsparung (76), Verfügbarkeit (78), Durchsatz, Schonung (80) zuzuordnen, und wobei eine der Abwägungseinrichtung (52) nachgeordnete Entschei- dungseinrichtung (54) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einer aktuellen Betriebsmaxime (76) die gemäß den
Rankingwerten für die aktuelle Betriebsmaxime (76) beste Lösungsmöglichkeit (70') auszuwählen und an das Steuerwerk (66) zu übermitteln.
4. Adaptervorrichtung (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Generierungseinrichtung (56) dazu ausgelegt ist, Berichtsdaten (26) über die Kommunikationseinrich- tung (40) in das Datennetzwerk (20) auszusenden, wobei die Berichtsdaten (26) die vom Steuerwerk (66) umgesetzte Lösungsmöglichkeit (70') und/oder das aktuelle an die Komponente (16) ausgegebene Steuersignal (32) beschreiben.
5. Adaptervorrichtung (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sensorschnittstelle (64) der Adaptervorrichtung (36) dazu ausgelegt ist, zumindest ein von dem Betriebszustand (74) der Komponente (16) abhängiges Sensorsignal (34) zu empfangen, und wobei die Sensorschnittstelle (64) zum Ermitteln eines Laufzeitzustands der Komponente (16) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Sensorsignal (34) zumindest einen Teil der den Betriebszustand (74) beschreibenden Betriebsdaten für die Abwägungseinrichtung (52) zu erzeugen.
6. Automatisierungsanlage (10) zum Durchführen eines Steue- rungs- und/oder Fertigungsprozesses in einem Anlagenfeld (12), aufweisend:
- zumindest eine in dem Anlagenfeld (12) angeordnete elektri- sehe Komponente (14, 16) zum Steuern und/oder Überwachen des
Prozesses ;
- eine über ein Datennetzwerk (20) mit der zumindest einen Komponente (14, 16) gekoppelte zentrale Steuereinheit (18), die dazu ausgelegt ist, den Prozess gemäß einer komponenten- übergreifend definierten Betriebsstrategie durchzuführen und in Abhängigkeit von der Betriebsstrategie komponentenunabhängige Anfragedaten (24) über das Datennetzwerk (20) an die zumindest eine Komponente (14, 16) auszusenden; dadurch gekennzeichnet, dass
von der zumindest einen Komponente (14, 16) zumindest eine davon (16) über eine Adaptervorrichtung (36) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche an das Datennetzwerk (20) angekop- pelt ist und die zentrale Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, die Anforderungsdaten (24) gemäß einem Kommunikationsstandard für ein cyber-physisches System auszusenden.
7. Automatisierungsanlage (10) nach Anspruch 6, wobei die Be- triebsstrategie umfasst, ein vorbestimmtes jeweiliges Optimierungskriterium in Bezug auf einen aus den folgenden
Betriebsmaximen zu erfüllen: Energieverbrauch (76), Durchsatz, Verfügbarkeit (78), Schonung (80).
8. Automatisierungsanlage (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, zwischen zumindest zwei der Optimierungskriterien umzuschalten.
9. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Komponente (16) an einem Datennetzwerk (20) eines cyber-physischen Systems (22 ) , wobei :
- eine Kommunikationseinrichtung (40) aus dem Datennetzwerk (20) Anfragedaten (24) empfängt, die ein von der technischen Ausstattung der Komponente (16) unabhängig beschriebenes Be- triebsverhalten der Komponente (16) vorgeben;
- eine Interpretationseinrichtung (50) in Abhängigkeit von den Anfragedaten (24) eine durch die technische Ausstattung der Komponente (16) ausführbare Anforderung (68) erzeugt;
- eine Abwägungseinrichtung (52) in Abhängigkeit von Be- triebsdaten der Komponente (16), die einen Betriebszustand
(74) und/oder eine Betriebsgrenze (72) der Komponente (16) angeben, zu der Anforderung (68) eine zumindest ein Steuersignal (32) für die Komponente (16) umfassende Lösungsmöglichkeit (70') ermittelt;
- ein Steuerwerk (66) das zumindest eine Steuersignal (32) der Lösungsmöglichkeit (70') an eine Steuerschnittstelle (30) der Komponente (16) ausgibt.
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