EP4402544A1 - Steuervorrichtung zur maschinensteuerung und sensordatenauswertung - Google Patents

Steuervorrichtung zur maschinensteuerung und sensordatenauswertung

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Publication number
EP4402544A1
EP4402544A1 EP22773643.6A EP22773643A EP4402544A1 EP 4402544 A1 EP4402544 A1 EP 4402544A1 EP 22773643 A EP22773643 A EP 22773643A EP 4402544 A1 EP4402544 A1 EP 4402544A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control device
sensor data
interface
application program
sensors
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22773643.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Doettling
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.)
Pilz GmbH and Co KG
Original Assignee
Pilz GmbH and Co KG
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 Pilz GmbH and Co KG filed Critical Pilz GmbH and Co KG
Publication of EP4402544A1 publication Critical patent/EP4402544A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/04—Program control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Program control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0421—Multiprocessor system
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B19/4155—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by program execution, i.e. part program or machine function execution, e.g. selection of a program
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    • G05B2219/31229—Supervisor, leader, workstation controller, automation, machine control

Definitions

  • Control device for machine control and sensor data evaluation
  • the present invention relates to a control device for machine control and sensor data evaluation.
  • Control devices (hereinafter also referred to as “control” for short) are known in principle in the field of automation technology. Their task is to control and regulate technical systems, machines or processes. Due to their flexibility and adaptability, programmable logic controllers (PLCs) have established themselves for complex or dynamically changing control and regulation tasks in process and automation technology.
  • PLCs programmable logic controllers
  • a simple programmable logic controller includes at least one central computing module (with the main processor) and at least one input and one output module.
  • Sensors are connected to the input module, which detect a current state of a technical system or machine to be controlled or a state of the environment of this.
  • the arithmetic module evaluates the sensor data recorded by the input module and generates control commands that are forwarded to the output module.
  • the output module is connected to corresponding actuators, which control the technical system or machine based on the control commands.
  • the sensors connected to the input assembly are referred to below as basic and composite sensors.
  • basic sensors refer to components that are used to measure a physical variable and to convert it into an electrical variable. Examples of this are proximity sensors or reflection light barriers.
  • a compound sensor is the combination of several basic sensors in one housing, for example a light grid.
  • Basic and composite sensors thus indicate a specific value or a defined status (binary status).
  • Basic and composite sensors known from automation technology are, for example, light sensors, light grids, proximity sensors, ultrasonic sensors, level sensors or similar devices.
  • smart sensors are increasingly being used in automation technology. Smart sensors (sensor systems) are characterized by the fact that they prepare and further process measured variables in the sensor and provide complex data at network-capable interfaces. Smart sensors can, for example, include object recognition and identification and can thus record complex processes in order to implement access and area monitoring systems. Smart sensors require correspondingly powerful evaluation devices and applications that evaluate the complex sensor data and convert them into the input signals relevant for machine control.
  • Special evaluation units can be connected to a number of smart sensors via corresponding network interfaces in order to link the data from a number of sensors to one another and to provide an aggregated output signal (sensor data fusion).
  • the sensor data evaluation of the smart sensors carried out by the dedicated evaluation unit is usually carried out independently of the signals recorded by the basic and network sensors of the machine control. Rather, a linking of this data only takes place in the control device, which receives both the input signals of the basic and composite sensors and the aggregated output signals of the sensor data evaluation of the smart sensors.
  • the aggregated output signals are generally treated by the control device like other input signals that indicate a specific state.
  • DE 10 2005 020 028 A1 shows, for example, object detection using a plurality of sensors.
  • at least two sensors are networked via a data bus in order to forward an overall detection result (aggregated output signal) to a higher-level controller, which carries out machine control based on the detection.
  • DE 10 2010 007 520 B3 shows a safety controller with a large number of connections for sensors and a method for reliably monitoring a monitoring area with a number of sensors connected to the safety controller.
  • the safety controller receives the sensor data from the connected sensors, in particular different sensors, with all options from transmitting simple sensor data, such as a binary signal, to transmitting the entire Raw data from a complex sensor is conceivable.
  • the sensor data received are calculated into a common object detection signal, taking into account a configured weighting, which is output via a safety output of the safety controller.
  • DE 10 2019 116 664 A1 shows a system in which sensor data from a number of sensors is recorded and evaluated by an evaluation unit (master IO-Link) and the evaluated signal is made available to a machine controller (PLC).
  • master IO-Link evaluation unit
  • PLC machine controller
  • a control device for machine control and sensor data evaluation having: a first interface for connection to basic and composite sensors of the machine control; a second interface for connection to sensors for sensor data evaluation; a central processing unit; and an operating system for executing user programs using the central processing unit, wherein the user programs have at least a first user program and a second user program, and wherein the first user program is a user program for machine control, which executes a control function based on an evaluation of the basic and composite sensors, and wherein the second application program is an application program for sensor data evaluation, which evaluates sensor data received via the second interface.
  • the control device has an operating system that allows the execution of various user programs.
  • a first user program (also referred to below as a PLC application) is a standard control program that performs an automation task in the sense of a machine control.
  • the first user program works, for example, according to the well-known EVA (input/processing/output) principle, in which input states are first recorded and processed and then output states are set.
  • EVA input/processing/output
  • the operating system also runs a second user program, which evaluates sensor data recorded via the second interface.
  • the second user program is not a control program as such, but a data processing program which contains, for example, algorithms for signal processing or pattern recognition. Consequently, the second user program is not designed to directly control the machine to be controlled by the control device, but rather to process the sensor data in order to derive application-relevant or control-relevant information from them. The derived information can in turn be used by the first user program to control the machine.
  • a control device thus executes at least two application programs that perform different tasks and are fed from different input sources.
  • the integration into one unit has the advantage that data from the controller (automation data) and sensor data from complex sensors (smart sensors) can be combined, exchanged and compared without additional interfaces.
  • a uniform evaluation can thus take place without the sensor data of the complex sensors first having to be combined into a (binary) status signal.
  • a separate evaluation unit for the sensor data evaluation of complex sensors can thus be omitted, including any expenses for installation and commissioning.
  • the sensor data from the complex sensors can be evaluated taking into account the input signals from the basic and composite sensors present at the controller.
  • a sensor data fusion can not only take place between aggregated signals, but already at the level of the raw sensor data.
  • the sensor data fusion can be performed on other levels, for example on the pure data level, the feature level and/or the decision level. This can significantly improve the quality of the evaluation.
  • results can be achieved that would not be possible at all without such a fusion of sensor data.
  • the advantages of sensor data fusion are: flexibility in use, increase in sensor detection capability and/or reliability, improvement in sensor measurement accuracy or enlargement of the field of view, resolution of ambiguities or occlusions, saving on expensive sensors through the use of inexpensive sensors whose signals be merged into a complex evaluation signal.
  • the control device thus combines machine control and sensor data evaluation in one unit (in one housing as a uniform device), with the two tasks (machine control/sensor data evaluation) being implemented by separate user programs that run on a common operating system .
  • Existing user programs for both machine control and sensor data evaluation can advantageously continue to be used. In this way, effective machine control can be implemented comprehensively and efficiently.
  • the task mentioned at the outset is thus completely solved.
  • the second user program makes the evaluated sensor data available to the first user program, which in particular uses the evaluated sensor data to control the machine.
  • the first user program can thus access the results of the sensor data evaluation determined by the second user program directly for the machine control. In this way, the machine control can be set up more efficiently, more comprehensively and more flexibly.
  • the operating system is set up to execute the first user program and the second user program in parallel with one another.
  • the operating system is thus set up for parallel execution of user programs.
  • Parallel execution enables the two user programs to access data from the other program easily and without latency.
  • a hardware structure set up for efficient execution of parallel processes can be optimally utilized. For example, with the EAV principle, calculation pauses that typically occur during the input and output processes can be used by executing the algorithms for the sensor data evaluation. The control device thus becomes more effective overall.
  • the first interface is an interface for I/O communication via a fieldbus, in particular an IO-Link interface.
  • Basic and composite sensors can thus be connected to the control device in a known manner via the first interface.
  • the control device can thus fall back on already existing structures.
  • a control device according to the present disclosure can easily be integrated into an existing system by replacing the control device (or the processing unit) as such, but not the sensors or the modules via which the base and Composite sensors are connected to the control device.
  • An existing sensor system made up of basic and composite sensors can therefore continue to be used without modification.
  • Smart sensors on the other hand, can easily be retrofitted to existing systems, with the actual control-relevant sensors remaining unchanged.
  • IO-Link is a globally standardized IO technology for communicating with sensors and actuators in the industrial environment.
  • the first interface is designed as a module of the control device and is coupled to the central processing unit via an internal bus connection.
  • the sensor data can be evaluated in real-time and the evaluated sensor data can be linked to the first user program in real time. In this way, even complex scenarios that require a combination of the basic and composite sensor data with the data from the smart sensors can be easily implemented.
  • the second interface is a standardized IP-based interface, for example an OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) interface.
  • OPC UA Open Platform Communications Unified Architecture
  • IP-based interfaces allow a wide range of sensors (and other components) to be connected via a uniform interface and to transport a wide variety of data.
  • the connectivity of the control device can be achieved via such an interface advantageously be improved so that it can also receive complex data in almost any amount.
  • the second interface is a cable-based and/or radio-based interface.
  • the control device is thus not limited to a specific type of data transmission, but can acquire data from sensors via various connections. This allows sensors to be connected to the control device in a particularly simple manner.
  • the first user program and the second user program are connected to one another via an internal data interface.
  • the first user program and the second user program can be linked to one another particularly efficiently, quickly, robustly and securely via an internal data interface, for which purpose known mechanisms of common operating systems, such as interprocess communication (IPC), can be used.
  • IPC interprocess communication
  • a linking of basic and network sensors of the machine control with smart sensors can thus be implemented particularly easily (cross-level sensor data fusion).
  • control device has a working memory and the operating system assigns the first user program and the second user program to a shared memory area within the working memory.
  • An internal data interface between the first user program and the second user program can be implemented in a simple manner by accessing a shared memory area.
  • This internal data interface can be set up particularly efficiently and without latency.
  • a particularly fast and reliable exchange between the first user program and the second user program can thus be implemented, with such an exchange also being possible in real time.
  • the control device has a third interface via which the control device transmits the sensor data and/or the evaluated sensor data from the basic and composite sensors to a device external to the control device, in particular a cloud device, preferably filtered.
  • the embodiment has the advantage that the results of the sensor data evaluation can be forwarded to other devices or to the cloud without each smart sensor having to be connected to this device itself.
  • Information about the evaluated basic and composite sensors can also be provided in an IP-based network.
  • the control device can thus be set up as a gateway and, if necessary, as a filter and can selectively provide information on the sensor data evaluation as well as information on the evaluated basic and composite sensors in a network.
  • a possible filter device within the control device can prevent the raw data from the sensors from being transmitted to external devices. This ensures that no sensitive sensor data leaves the company's internal sphere of influence, which means that better data sovereignty can be achieved.
  • the third interface can correspond to the second interface.
  • control device is a safety controller and the first user program carries out a safety-related machine control and/or the second user program carries out a safety-related sensor data evaluation.
  • a safety controller is a controller with special design elements in terms of inputs, processing and outputs in order to be able to ensure the required level of safety and availability when used in safety-critical systems.
  • the execution of a user program for machine control must be carried out according to certain criteria and must meet special requirements and normative specifications.
  • safety-related sensor data evaluation which is subject to certain normative specifications in safety-critical systems.
  • Changes to the user programs that require a safety-related machine control or a safety-related sensor data implement evaluation are regularly accompanied by the need for renewed certification. It is therefore desirable to make as few changes as possible to the user programs in order to be able to continue using existing user programs. Since the first application program and the second application program can initially be detached and independent of one another, it is possible to continue using existing application programs on a control device according to the invention without modification.
  • a safety controller with the claimed structure can thus be implemented in a particularly simple and cost-effective manner.
  • control device has at least one safety-related device which ensures fail-safe evaluation of the basic and composite sensors and/or fail-safe evaluation of sensor data.
  • the control device thus has at least one device that enables it to execute safety-related user programs. This can involve, for example, a redundant design of those components that are responsible for the safety-oriented execution of the user program, including input and output. It is also conceivable that an external device ensures the safety-oriented design.
  • the operating system can also be set up to run a third application program independently of the first application program and the second application program, which runs non-safety-related machine controls and/or sensor data evaluation.
  • the third user program can be a standard (ST) user program that does not perform any safety-related functions.
  • ST standard
  • a consistent separation of safety-related and non-safety-related user programs has the advantage that these components can be developed and certified completely independently of each other.
  • the second user program can be set up to access the sensor data at random.
  • the second user program is therefore not restricted to a specific type of access to the interface. Rather, the access can be freely selected by the second user program, so that it can receive and provide data as required. In particular, the second user program is therefore not dependent on cyclic processing of the sensor data.
  • the operating system can be set up to establish a connection to a further control device, and the second application program can be set up to partially carry out the sensor data evaluation on the further control device.
  • the second application program it is possible for the second application program to cooperate with a further control device.
  • This cooperation can include the distributed execution of the second application program on a plurality of control devices.
  • the second user program can also be set up to work together with corresponding user programs on the further control device.
  • the computationally intensive sensor data evaluation can advantageously be distributed over a number of control devices.
  • this makes it possible to retrofit sensor data evaluation in existing control system networks.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an industrial control system with a control device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of an internal structure of a control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an internal structure of a control device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the control system 1 shown comprises a modular, programmable logic controller (PLC) 2 which has a number of input and output modules 3 and a central processing unit 4 .
  • Basic and composite sensors 5 are connected to the input and output modules 3 on the one hand and actuators 6 on the other.
  • the basic and composite sensors 5 generate input signals depending on the status of a technical system or machine or its environment and transmit the input signals to the input modules.
  • the processing unit 4, which receives the input signals detected by the input modules, evaluates them and combines them in order to generate output signals, by means of which the actuators 6 are controlled.
  • the industrial control system according to FIG. 1 includes so-called smart sensors 7, which prepare and process measured variables independently.
  • the preparation and processing is carried out by an evaluation unit 8 that is separate from the controller 2 and to which the smart sensors 7 are connected. From the results of the evaluation, the evaluation unit 8 generates an input signal for the controller 2, which is received by the latter, for example via a further input module.
  • the input signal provided by the evaluation unit 8 corresponds in type to an input signal of a basic or composite sensor and can be processed by the controller 2 in the same way as a signal from the connected basic and composite sensors 5.
  • the smart sensors 7 are perceived as normal sensors by the controller as a result of the pre-processing by the separate evaluation unit 8.
  • FIG. 2 shows an industrial control system having a control device according to an embodiment of the present invention.
  • the control system is denoted in its entirety here by the reference number 100 and the control device by the reference number 10 .
  • the control device 10 corresponds in its basic structure to the previously described control device 2.
  • the control device 10 is also a modular, programmable logic controller with input modules and output modules. Four input modules 12 and one output module 14 are shown as examples.
  • the control device 10 includes a processing unit 16, which is coupled to the input and output modules 12, 14 via a bus, not shown here. The structure and the function of the central processing unit 16 will be explained in more detail below. It goes without saying that the control device 10 is not limited to the embodiment shown here, but can contain further modules and components. Likewise, the control device 10 according to the invention is not limited to a modular control device, but can relate to all controls that contain an input module, an output module and a processing unit.
  • Actuators 20 can be connected to the output modules 14 of the control device 10 .
  • the actuators 20 carry out control functions depending on corresponding output signals. As shown here as an example, this can be a motor control.
  • an actuator 20 it is also conceivable for an actuator 20 to be in the form of a contactor, which is arranged in a power supply of a machine and which, depending on an output signal from the control device 10, de-energizes the machine.
  • a contactor which is arranged in a power supply of a machine and which, depending on an output signal from the control device 10, de-energizes the machine.
  • the output signal can also mean that an action is triggered if there is no output signal, i. H. the contactor drops out when there is no output signal.
  • the processing unit 16 generates the output signals depending on the input signals.
  • the processing unit 16 executes a first application program A for this purpose.
  • the first user program A also referred to below as PLC application
  • PLC application preferably processes a defined number of instructions cyclically.
  • the PLC application first reads in a process image of the inputs (PAE).
  • PAE process image of the inputs
  • the process image of the inputs reflects the signal states present at the input modules at the time of acquisition.
  • the PLC application is then processed instruction by instruction, with the processing device 16 no longer accessing the inputs (input modules) themselves, but only accessing the PAE, which is stored in a memory.
  • the central processing unit 16 in the control device 10 is set up to execute a further application program B (second application program).
  • the second application program B is used for sensor data evaluation, in particular smart sensors 22.
  • Smart sensors 22 are sensors that provide complex sensor data and make them available via special, in particular standardized IP interfaces.
  • a camera system can be cited as an example of a smart sensor, which provides the recorded image material in digital form as complex sensor data, for example as a continuous data stream.
  • Other smart sensors can be radar systems, for example, which output tuples with different individual values as sensor data in a continuous or discrete data stream or data telegram, with the tuple describing a position, a movement, an outer contour or some other property of an object.
  • the sensor data of smart sensors which can be several kilobytes or even megabytes in size depending on the sensor type, can be roughly divided into object data, sensor output data, sensor parameters, and configuration and diagnostic data.
  • the sensor data are made available to control device 10 via a second interface 24 .
  • the second interface 24 differs in type from the first interface (input modules).
  • the second interface 24 can preferably be a standardized IP-based interface for establishing a connection to an IP-based network 26 .
  • the second interface 24 can be an OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) interface, for example.
  • OPC UA is a collection of standards for communication and data exchange in the field of industrial automation. With the help of OPC-UA, both the transport of machine-to-machine data and interfaces and the semantics of data can be described, with the complete architecture being structured in a service-oriented manner.
  • the second interface 24 can establish a connection to a wired transmission medium or a radio-based transmission medium and is basically designed to be able to transmit larger amounts of data. Furthermore, the second interface 24 can be a real-time capable interface with fixed and guaranteed transmission properties, such as TSN or MQTT.
  • the sensor data transmitted to the control device 10 are read in by the second application program B and processed. It is possible here for the second user program B to record and process sensor data from a number of sensors. The processing may involve the execution of various algorithms, such as pattern recognition algorithms or image data processing. In addition, a fusion of the data from different sensors can take place.
  • the sensor data evaluation can include the generation of 3D point clouds for navigation tasks and their forwarding.
  • the sensor data evaluation can also include the detection of objects, the determination of object parameters (size, direction, speed) or an object classification.
  • the sensor data evaluation can relate to the dynamic determination of distances between objects and the provision of this information for path planning for a robot controller. It goes without saying that the sensor data evaluation is not limited to these examples, but can also relate to other data processing methods that extract application or control-relevant information from sensor data.
  • the results of the sensor data evaluation can be made available to the SPS application or can be transmitted to other devices via the second interface or another interface.
  • the results of the sensor data evaluation can contain, for example, switch-off information for connected actuators, which is provided to the PLC application as an additional input signal. This means that the results of the sensor data evaluation via the PLC application can have a direct impact on the machine control.
  • the results of the sensor data Data evaluation can also be transferred to other facilities for further processing or for diagnostic purposes.
  • the first application program A and the second application program B are advantageously coupled to one another via an internal data interface.
  • the internal data interface can be an inter-process/inter-thread interface or an interface that is realized by a shared access option to a shared memory area.
  • the results of the sensor data evaluation can be made available to the PLC application via the internal data interface. It is also conceivable that the second user program B, after reading in the sensor data from the second interface 24, makes them available as raw data to the PLC application.
  • the second application program B can be able to access data from the basic and composite sensors 18 in order to take this into account in the sensor data evaluation.
  • the latter enables a fusion of the data from the smart sensors 22 including the data from the basic and composite sensors 18.
  • This inclusion can also be used to forward the data from the basic and composite sensors 18 to other devices or the cloud 26.
  • the base and composite sensors 18, which usually do not have their own IP interface, can provide their data in an IP-based network 28.
  • the smart sensors 22 can also send their data directly via the IP-based network 28 to other devices for further evaluation. For example, computationally intensive algorithms such as those required for machine learning to extract further information from the sensor data can be run in the cloud 26 . Evaluations that are not subject to real-time requirements are particularly suitable for this. It is also conceivable that data from the smart sensors 22 are processed selectively by external devices and by the control device 10 . This makes it possible to send only insensitive sensor data to an external device, while sensitive sensor data is processed internally by the control device 10 (data sovereignty). In addition to the smart sensors 22 and the control device 10 together with the basic/connected sensors 18 , configuration and diagnostic devices 30 can also be connected to the IP-based network 28 . The smart sensors 22 can advantageously communicate directly with these devices. Additionally, the controller 10 equipped with the second interface 24 allows the base and composite sensors 18 to provide diagnostic and/or configuration information. This contributes to improving the uniform and holistic configuration and diagnosis of the control system 100.
  • FIG. 10 shows in a schematic representation the internal structure of a control device 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the internal structure is represented here as a layer model, in which individual aspects of the architecture of the control device 10 are conceptually assigned to a layer.
  • the lowest layer S1 includes the interfaces via which the control device 10 is connected to external devices and the periphery. This includes both the input modules (first interface), the output modules and an IP-based interface (second interface).
  • the control device 10 receives data from the connected sensor system, which includes both the basic and composite sensors 18 and the smart sensors 22 , via these interfaces.
  • the second layer S2 includes the physical processing units and is essentially made up of central processing units (processors) and system resources (memory, etc.).
  • the arithmetic units can, in particular, be multi-core processors or multi-core microcontrollers, which enable processes and threads to be executed in parallel and thus promote the concurrency of programs.
  • Also assigned to this layer are any safety-related devices that can ensure fail-safety in a safety controller.
  • the safety-related devices are, in particular, redundancy and diversity devices.
  • the third layer S3 forms the operating system of the control device 10.
  • the operating system consists of a large number of programs that allow loading, executing, interrupting and terminating user programs, the management and allocation of processor time, and memory space allocation and management .
  • the operating system can contain hardware drivers that allow user programs to access hardware components.
  • the operating system can also have additional devices that contribute to extended fail-safety.
  • the operating system is set up at least to execute two application programs that are different in type, the operating system preferably being able to execute the two application programs concurrently.
  • the uppermost layer S4 is formed by the user programs, which have at least one user program A for the machine control and one user program B for the sensor data evaluation.
  • the first application program A is preferably a PLC program that sequentially executes a series of instructions, with a first instruction in the cycle including the reading of inputs and the last instruction in the cycle including the output to the outputs.
  • the second user program B is designed to process sensor data cyclically or continuously.
  • the second user program B can have random access to the second interface, via which it can receive data from sensors.
  • the user program B can be set up to request data from the second interface at any point in time.
  • the user program B is therefore not restricted to a specific, in particular cyclic processing of the sensor data.
  • the second application program B can be set up to provide a continuous output of evaluation results or raw data.
  • the sensor data evaluation itself can contain various algorithms, depending on the type of sensor system connected, in order to extract application or control-relevant information from the sensor data.
  • the operating system preferably executes the first application program A and the second application program B in parallel. Furthermore, the operating system can provide an internal interface (indicated here by the transverse double arrow)! len, via which the first application program A can exchange data with the second application program B, essentially without latency. It is also conceivable that the data exchange only takes place in one direction, for example only data is transmitted from user program A to user program B or vice versa. In this way, the independence of at least one user program can be achieved. In addition, the operating system is responsible for ensuring data exchange between the user programs and the associated interfaces, as indicated here by the vertical arrows.
  • the operating system is fundamentally not limited to a specific type of operating system, as long as it is set up to run the at least two user programs and to enable the data flow to the interfaces shown.
  • the operating system is preferably a real-time operating system (RTOS) or has facilities that enable an application program to be executed in real time.
  • RTOS real-time operating system
  • real-time means that the operating system can safely process requests from a user program or the arrival of signals via the interfaces within a period of time that can be determined in advance.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an internal structure of a control device 10 according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the structure shown is essentially based on the same layer model as has been described in relation to FIG. 3 .
  • both the interfaces and user programs are divided into safety-related and non-safety-related user programs or interfaces in this exemplary embodiment, as a result of which a defined independence of these components from one another is set up.
  • both standard functions ST standard
  • safety-related functions FS fail-safe
  • ST standard
  • FS fail-safe
  • ST functions can also be performed by a fail-safe FS controller, it makes sense to isolate the user programs responsible for them so that, from the point of view of functional safety, data and evaluation can influence each other can be avoided.
  • the interfaces to the sensors which must also be set up separately. Otherwise, the layers S2 and S3 can remain unchanged, since they are to be aligned uniformly for a safety-related application.
  • both application programs A for the machine control and application programs B for the sensor data evaluation are provided as FS application programs and as ST application programs.
  • an FS and an ST variant can be provided for each type of user program.
  • the interfaces which here have both an FS interface and an ST interface.
  • there is only one FS interface It is also conceivable that there is only one FS interface.
  • the consistent separation of FS and ST elements has the advantage that the FS components can be completely independent of the ST components. This principle is also reflected in the internal data interfaces between the user programs shown here. Here too, if possible, there should be no connection between FS user programs and ST user programs.
  • a controller that includes both safety-critical control functions and normal control functions can be implemented in a particularly flexible and simple manner.

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Abstract

Steuervorrichtung (10) zur Maschinensteuerung und Sensordatenauswertung. Die Steuervorrichtung (10) weist eine erste Schnittstelle zur Verbindung mit Basis- und Verbundsensoren (18) der Maschinensteuerung und eine zweite Schnittstelle zur Verbindung mit Sensoren für die Sensordatenauswertung auf. Ferner verfügt die Steuervorrichtung (10) über eine zentrale Verarbeitungseinheit (16), auf der ein Betriebssystem ausgeführt wird, welches mindestens ein erstes Anwenderprogramm (A) und ein zweites Anwenderprogramm (B) ausführt. Das erste Anwenderprogramm ist ein Anwenderprogramm zur Maschinensteuerung, welches anhand einer Auswertung der Basis- und Verbundsensoren (18) eine Steuerfunktion ausführt. Das zweite Anwenderprogramm ist ein Anwenderprogramm zur Sensordatenauswertung, welches über die zweite Schnittstelle empfangene Sensordaten auswertet.

Description

Steuervorrichtung zur Maschinensteuerunq und Sensordatenauswertunq
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zur Maschinensteuerung und Sensordatenauswertung.
[0002] Steuervorrichtungen (im Folgenden auch kurz als „Steuerung“ bezeichnet) sind im Bereich der Automatisierungstechnik grundsätzlich bekannt. Ihre Aufgabe ist das Steuern und Regeln von technischen Anlagen, Maschinen oder Prozessen. Aufgrund ihrer Flexibilität und Anpassbarkeit haben sich speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) für komplexe oder sich dynamisch ändernde Steuerungs- und Regelungsaufgaben der Prozess- und Automatisierungstechnik durchgesetzt. Eine einfache speicherprogrammierbare Steuerung umfasst mindestens eine zentrale Rechenbaugruppe (mit dem Hauptprozessor) sowie je mindestens eine Eingangs- und eine Ausgangsbaugruppe.
[0003] An die Eingangsbaugruppe werden Sensoren angeschlossen, die einen gegenwärtigen Zustand einer zu steuernden technischen Anlage oder Maschine bzw. einen Zustand der Umgebung dieser erfassen. Die Rechenbaugruppe wertet die Sensordaten, die von der Eingangsbaugruppe erfasst worden sind, aus und erzeugt Steuerbefehle, die an die Ausgangsbaugruppe weitergeleitet werden. Die Ausgangsbaugruppe ist mit entsprechenden Aktoren verbunden, die basierend auf den Steuerbefehlen eine Ansteuerung der technischen Anlage oder Maschine vornehmen.
[0004] Die an die Eingangsbaugruppe angeschlossenen Sensoren werden im Folgenden als Basis- und Verbundsensoren bezeichnet. Basissensoren bezeichnen hierbei Bauelemente, die zur Messung einer physikalischen Größe und zur Umwandlung dieser in eine elektrische Größe dienen. Beispiele hierfür sind Näherungssensoren oder Reflexionslichtschranken. Ein Verbundsensor ist die Kombination mehrerer Basissensoren in einem Gehäuse zum Beispiel ein Lichtgitter. Basis- und Verbundsensoren zeigen somit einen konkreten Wert oder einen definierten Zustand (Binärzustand) an. Aus der Automatisierungstechnik bekannte Basis- und Verbundsensoren sind beispielsweise Lichttaster, Lichtgitter, Näherungssensoren, Ultraschallsensoren, Füllstandssensoren o. ä. Einrichtungen. [0005] Neben Basis- und Verbundsensoren werden in der Automatisierungstechnik zunehmend smarte Sensoren eingesetzt. Smarte Sensoren (Sensorsysteme) zeichnen sich dadurch aus, dass sie Messgrößen bereits im Sensor aufbereiten und weiterverarbeiten und komplexe Daten an netzwerkfähigen Schnittstellen bereitstellen. Smarte Sensoren können beispielsweise eine Objekterkennung und Identifizierung beinhalten und damit komplexe Vorgänge erfassen, um Zugangs- und Bereichsüberwachungssysteme zu realisieren. Smarte Sensoren erfordern entsprechend leistungsstarke Auswerteeinrichtungen und Applikationen, die die komplexen Sensordaten auswerten und in die für eine Maschinensteuerung relevanten Eingangssignale umsetzen.
[0006] Spezielle Auswerteeinheiten können mit mehreren smarten Sensoren über entsprechende Netzwerkschnittstellen verbunden sein, um die Daten mehrerer Sensoren miteinander zu verknüpfen und ein aggregiertes Ausgangssignal bereitzustellen (Sensordatenfusion). Die von der dedizierten Auswerteeinheit vorgenommene Sensordatenauswertung der smarten Sensoren erfolgt in der Regel unabhängig von den erfassten Signalen der Basis- und Verbundsensoren der Maschinensteuerung. Vielmehr findet eine Verknüpfung dieser Daten erst in der Steuervorrichtung statt, die sowohl die Eingangssignale der Basis- und Verbundsensoren empfängt als auch die aggregierten Ausgangssignale der Sensordatenauswertung der smarten Sensoren. Hierbei werden die aggregierten Ausgangssignale von der Steuervorrichtung in der Regel wie weitere Eingangssignale, die einen bestimmten Zustand anzeigen, behandelt.
[0007] DE 10 2005 020 028 A1 zeigt beispielsweise eine Objektdetektion mittels mehrerer Sensoren. Hier werden mindestens zwei Sensoren über einen Datenbus vernetzt, um ein Gesamtdetektionsergebnis (aggregiertes Ausgangssignal) an eine übergeordnete Steuerung, die basierend auf der Detektion eine Maschinensteuerung ausführt, weiterzuleiten.
[0008] DE 10 2010 007 520 B3 zeigt eine Sicherheitssteuerung mit einer Vielzahl von Anschlüssen für Sensoren sowie ein Verfahren zur sicheren Überwachung eines Überwa- chungsbereichs mit mehreren an die Sicherheitssteuerung angeschlossenen Sensoren. Die Sicherheitssteuerung empfängt die Sensordaten der angeschlossenen, insbesondere verschiedenen Sensoren, wobei alle Möglichkeiten von einer Übertragung einfacher Sensordaten, wie bspw. einem binären Signal, bis hin zu einer Übertragung der gesamten Rohdaten eines komplexen Sensors denkbar ist. Die empfangenen Sensordaten werden unter Berücksichtigung einer konfigurierten Gewichtung zu einem gemeinsamen Objektfeststellungssignal verrechnet, welches über einen Sicherheitsausgang der Sicherheitssteuerung ausgegeben wird.
[0009] DE 10 2019 116 664 A1 zeigt ein System, bei dem Sensordaten mehrerer Sensoren von einer Auswerteeinheit (Master IO-Link) erfasst und ausgewertet werden und das ausgewertete Signal einer Maschinensteuerung (SPS) bereitgestellt wird.
[0010] Vor dem aufgezeigten Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuervorrichtung anzugeben, die eine effektive Maschinensteuerung ermöglicht und dabei verschiedene Sensordaten unterschiedlicher Sensoren effektiv erfasst und berücksichtigt.
[0011] Gelöst für diese Aufgabe durch eine Steuervorrichtung zur Maschinensteuerung und Sensordatenauswertung, aufweisend: eine erste Schnittstelle zur Verbindung mit Basis- und Verbundsensoren der Maschinensteuerung; eine zweite Schnittstelle zur Verbindung mit Sensoren für die Sensordatenauswertung; eine zentrale Verarbeitungseinheit; sowie ein Betriebssystem zur Ausführung von Anwenderprogrammen unter Nutzung der zentralen Verarbeitungseinheit, wobei die Anwenderprogramme mindestens ein erstes Anwenderprogramm und ein zweites Anwenderprogramm aufweisen, und wobei das erste Anwenderprogramm ein Anwenderprogramm zur Maschinensteuerung ist, welches anhand einer Auswertung der Basis- und Verbundsensoren eine Steuerfunktion ausführt, und wobei das zweite Anwenderprogramm ein Anwenderprogramm zur Sensordatenauswertung ist, welches über die zweite Schnittstelle empfangene Sensordaten auswertet.
[0012] Es ist somit eine Idee der vorliegenden Erfindung, Maschinensteuerung und Sensordatenauswertung in einer Einrichtung zu kombinieren. Die Steuervorrichtung verfügt hierfür über ein Betriebssystem, welches die Ausführung verschiedener Anwenderprogramme zulässt. Ein erstes Anwenderprogramm (im Folgenden auch SPS- Applikation genannt) ist ein übliches Steuerprogramm, welches eine Automatisierungsaufgabe im Sinne einer Maschinensteuerung erfüllt. Das erste Anwenderprogramm arbeitet bspw. nach dem bekannten EVA-(Eingabe/Verarbeitung/Ausgabe)-Prinzip, bei dem zunächst Eingabezustände erfasst und verarbeitet werden und anschließend Ausgabezustände gesetzt werden. Bei dem ersten Anwenderprogramm handelt es sich somit um ein üblicherweise auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausführbares Programm.
[0013] Zusätzlich zum ersten Anwenderprogramm führt das Betriebssystem zudem ein zweites Anwenderprogramm aus, welches über die zweite Schnittstelle aufgenommene Sensordaten auswertet. Bei dem zweiten Anwenderprogramm handelt es sich im Gegensatz zum ersten Anwenderprogramm nicht um ein Steuerprogramm als solches, sondern um ein Datenverarbeitungsprogramm, welches beispielsweise Algorithmen zur Signalverarbeitung oder Mustererkennung beinhaltet. Das zweite Anwenderprogramm ist folglich nicht dafür ausgelegt, unmittelbar eine Ansteuerung der von der Steuervorrichtung zu steuernden Maschine auszuführen, sondern die Sensordaten zu verarbeiten, um anwendungsrelevante oder steuerungsrelevante Informationen daraus abzuleiten. Die abgeleiteten Informationen können wiederum vom ersten Anwenderprogramm für die Ansteuerung der Maschine verwendet werden.
[0014] Eine Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung führt somit wenigstens zwei Anwenderprogramme aus, die unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen und aus unterschiedlichen Eingabequellen gespeist werden. Die Integration in eine Einheit hat den Vorteil, dass Daten der Steuerung (Automatisierungsdaten) und Sensordaten komplexer Sensoren (smarte Sensoren) ohne zusätzliche Schnittstellen kombiniert, ausgetauscht und verglichen werden können. Es kann somit eine einheitliche Auswertung erfolgen, ohne dass zunächst die Sensordaten der komplexen Sensoren zu einem (binären) Zustandssignal zusammengefasst werden müssen. Eine separate Auswerteeinheit für die Sensordatenauswertung komplexer Sensoren kann somit entfallen, einschließlich etwaiger Aufwände für Installation und Inbetriebnahme.
[0015] Ferner ist es möglich, dass die Auswertung der Sensordaten der komplexen Sensoren unter Berücksichtigung der an der Steuerung anliegenden Eingangssignale der Basis- und Verbundsensoren erfolgt. Mit anderen Worten kann eine Sensordatenfusion nicht nur zwischen aggregierten Signalen erfolgen, sondern bereits auf der Ebene der Rohsensor- daten. Somit kann die Sensordatenfusion auf anderen Ebenen zum Beispiel auf der reinen Datenebene, der Feature-Ebene und/oder der Entscheidungsebene durchgeführt werden. Hierdurch kann die Qualität der Auswertung deutlich verbessert werden. Ferner ist es denkbar, dass Ergebnisse erzielbar sind, die ohne eine solche Fusion von Sensordaten überhaupt nicht möglich wären.
[0016] Grundsätzlich sind die Vorteile der Sensordatenfusion: Flexibilität in der Anwendung, Steigerung des Sensordetektionsvermögens und/oder der Zuverlässigkeit, Verbesserung der Sensormessgenauigkeit oder Vergrößerung des Sichtbereichs, Auflösung von Mehrdeutigkeiten oder Verdeckungen, Einsparen von teuren Sensoren durch die Verwendung kostengünstiger Sensoren, deren Signale zu einem komplexen Auswertungssignal fusioniert werden.
[0017] Da beide Anwenderprogramme auf demselben Betriebssystem ausgeführt werden, ist es möglich, auf Einrichtungen des Betriebssystems zurückzugreifen, um einen Datenaustausch zwischen den beiden Anwenderprogrammen zu ermöglichen. Damit ist es möglich, eine erweiterte Datenauswertung in Echtzeit auszuführen. Ferner kann ein Datenabgleich unmittelbar bei der Auswertung erfolgen.
[0018] Schließlich ist es möglich, bei einer Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bereits bekannte, standardisierte Sensoren, Aktoren und Kommunikationsmittel wiederzuverwenden und mit Daten komplexer Sensoren zu verknüpfen.
[0019] Die Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert somit Maschinensteuerung und Sensordatenauswertung in einer Einheit (in einem Gehäuse als einheitliches Gerät), wobei die beiden Aufgaben (Maschinesteue- rung/Sensordatenauswertung) durch getrennte Anwenderprogramme realisiert werden, die auf einem gemeinsamen Betriebssystem ausgeführt werden. Vorhandene Anwenderprogramme sowohl für die Maschinensteuerung als auch die Sensordatenauswertung können dabei vorteilhaft weiterverwendet werden. Auf diese Weise kann eine effektive Maschinensteuerung umfassend und effizient realisiert werden. Die eingangs genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst. [0020] In einer bevorzugten Ausgestaltung stellt das zweite Anwenderprogramm die ausgewerteten Sensordaten dem ersten Anwenderprogramm zur Verfügung, wobei dieses insbesondere die ausgewerteten Sensordaten zur Maschinensteuerung heranzieht.
[0021] Das erste Anwenderprogramm kann somit für die Maschinensteuerung unmittelbar auf die von dem zweiten Anwenderprogramm ermittelten Ergebnisse der Sensordatenauswertung zurückgreifen. Die Maschinensteuerung kann auf diese Weise effizienter, umfassender und flexibler eingerichtet sein.
[0022] In einer weiteren Ausgestaltung ist das Betriebssystem eingerichtet, das erste Anwenderprogramm und das zweite Anwenderprogramm parallel zueinander auszuführen.
[0023] Das Betriebssystem ist somit zu einer parallelen Ausführung von Anwenderprogrammen eingerichtet. Die parallele Ausführung ermöglicht es, dass die beiden Anwenderprogramme auf Daten des jeweils anderen Programms auf einfache Weise und ohne Latenz zurückgreifen können. Ferner kann eine auf effiziente Ausführung von parallelen Vorgängen eingerichtete Hardwarestruktur optimal ausgenutzt werden. Beispielsweise können beim EAV-Prinzip typischerweise auftretende Berechnungspausen während der Ein- und Ausgabevorgänge durch das Ausführen der Algorithmen für die Sensordatenauswertung genutzt werden. Die Steuervorrichtung wird somit insgesamt effektiver.
[0024] In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Schnittstelle eine Schnittstelle für I/O- Kommunikation über einen Feldbus, insbesondere eine IO-Link-Schnittstelle.
[0025] Über die erste Schnittstelle können somit Basis- und Verbundsensoren in bekannter Weise an die Steuervorrichtung angeschlossen werden. Die Steuervorrichtung kann somit auf bereits vorhandene Strukturen zurückgreifen. Insbesondere kann eine Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ohne weiteres in ein bestehendes System integriert werden, indem die Steuervorrichtung (bzw. die Verarbeitungseinheit) als solche ausgetauscht wird, nicht jedoch die Sensorik oder die Module, über die die Basis- und Verbundsensoren an die Steuervorrichtung angeschlossen sind. Eine vorhandene Sensorik aus Basis- und Verbundsensoren kann somit ohne Veränderung weiter genutzt werden. Smarte Sensoren wiederum können auf einfache Weise bei bestehenden Anlagen nachgerüstet werden, wobei die eigentliche steuerungsrelevante Sensorik unverändert bleibt. IO-Link ist eine weltweit standardisierte IO-Technologie, um mit Sensoren und auch Aktoren im industriellen Umfeld zu kommunizieren.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Schnittstelle als ein Modul der Steuervorrichtung ausgebildet und über eine interne Busverbindung mit der zentralen Verarbeitungseinheit gekoppelt.
[0027] Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dass für die Realisierung der neuen Steuervorrichtung lediglich die Verarbeitungseinheit ausgetauscht werden muss. Bestehende Eingangsmodule (und/oder Ausgangsmodule) können weiterverwendet werden.
[0028] In einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Schnittstelle eine echtzeitfähige Schnittstelle.
[0029] Durch das Empfangen der Sensordaten über eine echtzeitfähige Schnittstelle kann eine echtzeitfähige Auswertung der Sensordaten erfolgen sowie eine Verknüpfung der ausgewerteten Sensordaten mit dem ersten Anwenderprogramm in Echtzeit. Auf diese Weise lassen sich auch komplexe Szenarien, die eine Kombination der Basis- und Verbundsensordaten mit den Daten der smarten Sensoren erfordern, auf einfache Weise realisieren.
[0030] In einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Schnittstelle eine standardisierte IP-basierte Schnittstelle, beispielsweise eine OPC-UA-(Open Platform Communications Unified Architecture)-Schnittstelle.
[0031] IP-basierte Schnittstellen erlauben den Anschluss vielfältiger Sensoren (und anderer Komponenten) über eine einheitliche Schnittstelle und den Transport verschiedenster Daten. Über eine solche Schnittstelle kann die Konnektivität der Steuervorrichtung vorteilhaft verbessert werden, sodass diese auch komplexe Daten in nahezu beliebiger Menge empfangen kann.
[0032] In einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Schnittstelle eine kabelbasierte und/oder funkbasierte Schnittstelle.
[0033] Die Steuervorrichtung ist somit nicht auf eine bestimmte Art der Datenübertragung festgelegt, sondern kann über verschiedene Verbindungen Daten von Sensoren erfassen. Damit lassen sich Sensoren besonders einfach mit der Steuervorrichtung verbinden.
[0034] In einer weiteren Ausgestaltung sind das erste Anwenderprogramm und das zweite Anwenderprogramm über eine interne Datenschnittstelle miteinander verbunden.
[0035] Über eine interne Datenschnittstelle können das erste Anwenderprogramm und das zweite Anwenderprogrammen besonders effizient, schnell, robust und sicher miteinander verknüpft werden, wobei hierfür auf bekannte Mechanismen gängiger Betriebssysteme, wie beispielsweise Interprozesskommunikation (IPC), zurückgegriffen werden kann. Eine Verknüpfung von Basis- und Verbundsensoren der Maschinensteuerung mit smarten Sensoren kann somit besonders einfach realisiert werden (ebenenübergreifende Sensordatenfusion).
[0036] In einer weiteren Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung einen Arbeitsspeicher auf und das Betriebssystem weist dem ersten Anwenderprogramm und dem zweiten Anwenderprogramm einen gemeinsamen Speicherbereich innerhalb des Arbeitsspeichers zu.
[0037] Durch den Zugriff auf einen gemeinsamen Speicherbereich kann auf einfache Weise eine interne Datenschnittstelle zwischen dem ersten Anwenderprogramm und dem zweiten Anwenderprogramm realisiert werden. Diese interne Datenschnittstelle kann besonders effizient und ohne Latenz eingerichtet sein. Somit kann ein besonders schneller und zuverlässiger Austausch zwischen dem ersten Anwenderprogramm und dem zweiten Anwenderprogramm realisiert werden, wobei ein solcher Austausch auch in Echtzeit möglich ist. [0038] In einer weiteren Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung eine dritte Schnittstelle auf, über die die Steuervorrichtung die Sensordaten und/oder die ausgewerteten Sensordaten der Basis- und Verbundsensoren an eine zur Steuervorrichtung externe Einrichtung, insbesondere eine Cloud-Einrichtung, vorzugsweise gefiltert, überträgt.
[0039] Die Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Ergebnisse der Sensordatenauswertung an weitere Einrichtungen oder in die Cloud weitergeleitet werden können, ohne dass jeder smarte Sensor selbst mit dieser Einrichtung verbunden sein muss. Ebenso können Informationen über die ausgewerteten Basis- und Verbundsensoren in einem IP-basierten Netzwerk bereitgestellt werden. Die Steuervorrichtung kann somit als Gateway und gegebenenfalls als Filter eingerichtet sein und sowohl Informationen der Sensordatenauswertung als auch Informationen über die ausgewerteten Basis- und Verbundsensoren selektiv in einem Netzwerk bereitstellen. Durch eine mögliche Filtereinrichtung innerhalb der Steuervorrichtung kann eine Übertragung der Rohdaten der Sensoren an externe Einrichtungen unterbunden werden. So lässt sich erreichen, dass keine sensiblen Sensordaten den betriebsinternen Einflussbereich verlassen, wodurch eine bessere Datensouveränität erreicht werden kann. Die dritte Schnittstelle kann der zweiten Schnittstelle entsprechen.
[0040] In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung eine Sicherheitssteuerung und das erste Anwenderprogramm führt eine sicherheitsgerichtete Maschinensteuerung aus und/oder das zweite Anwenderprogramm führt eine sicherheitsgerichtete Sensordatenauswertung aus.
[0041] Eine Sicherheitssteuerung ist eine Steuerung mit besonderen Design-Elementen seitens der Eingänge, der Verarbeitung und der Ausgänge, um beim Einsatz in sicherheitskritischen Systemen das geforderte Maß an Sicherheit und Verfügbarkeit gewährleisten zu können. Bei Sicherheitssteuerung hat die Ausführung eines Anwenderprogramms zur Maschinensteuerung nach bestimmten Kriterien zu erfolgen und muss dabei besonderen Anforderungen und normativen Vorgaben genügen. Gleiches gilt für eine sicherheitsgerichtete Sensordatenauswertung, die bei sicherheitskritischen Systemen bestimmten normativen Vorgaben unterliegt. Veränderungen an den Anwenderprogrammen, die eine sicherheitsgerichtete Maschinensteuerung oder eine sicherheitsgerichtete Sensordaten- auswertung implementieren, gehen regelmäßig mit der Notwendigkeit einer erneuten Zertifizierung einher. Daher ist es wünschenswert, möglichst wenig Veränderungen an den Anwenderprogrammen vorzunehmen, um bestehende Anwenderprogramme weiterverwenden zu können. Indem das erste Anwenderprogramm und das zweite Anwenderprogramm zunächst losgelöst und unabhängig voneinander sein können, ist es möglich, bestehende Anwenderprogramme ohne Änderung auf einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung weiterzuverwenden. Damit lässt sich eine Sicherheitssteuerung mit der beanspruchten Struktur besonders einfach und kostengünstig realisieren.
[0042] In einer weiteren Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung wenigstens eine sicherheitsgerichtete Einrichtung auf, die eine fehlersichere Auswertung der Basis- und Verbundsensoren und/oder eine fehlersichere Sensordatenauswertung gewährleistet.
[0043] Die Steuervorrichtung weist somit zumindest eine Einrichtung auf, die sie zum Ausführen von sicherheitsgerichteten Anwenderprogrammen befähigt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine redundante Auslegung derjenigen Komponenten handeln, die für die sicherheitsgerichtete Ausführung des Anwenderprograms einschließlich Ein- und Ausgabe verantwortlich sind. Denkbar ist auch, dass eine externe Einrichtung die sicherheitsgerichtete Ausführung gewährleistet.
[0044] In einer weiteren Ausgestaltung kann das Betriebssystem ferner eingerichtet sein, ein drittes Anwenderprogramm unabhängig von dem ersten Anwenderprogramm und dem zweiten Anwenderprogramm auszuführen, welches eine nicht-sicherheitsgerichtete Maschinensteuerungen und/oder Sensordatenauswertung ausführt.
[0045] Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, ein weiteres Anwenderprogramm, vorzugsweise parallel, zum ersten und zweiten Anwenderprogramm auszuführen. Das dritte Anwenderprogramm kann ein Standard-(ST)-Anwenderprogramm sein, dass keine sicherheitsgerichteten Funktionen wahrnimmt. Eine konsequente Trennung der sicherheitsgerichteten und der nicht-sicherheitsgerichteten Anwenderprogramme hat den Vorteil, dass diese Komponenten vollständig unabhängig voneinander entwickelt und zertifiziert werden können. [0046] In einer weiteren Ausgestaltung kann das zweite Anwenderprogramm eingerichtet sein, wahlfrei auf die Sensordaten zuzugreifen.
[0047] Gemäß dieser Ausgestaltung ist das zweite Anwenderprogramm somit nicht auf eine bestimmte Zugriffsart auf die Schnittstelle beschränkt. Vielmehr ist der Zugriff von dem zweiten Anwenderprogramm frei wählbar, sodass dieses nach Bedarf Daten empfangen und bereitstellen kann. Das zweite Anwenderprogramm ist somit insbesondere nicht auf eine zyklische Verarbeitung der Sensordaten angewiesen.
[0048] In einer weiteren Ausgestaltung kann das Betriebssystem eingerichtet sein, eine Verbindung zu einer weiteren Steuervorrichtung herzustellen, und das zweite Anwenderprogramm kann eingerichtet sein, die Sensordatenauswertung teilweise auf der weiteren Steuervorrichtung auszuführen.
[0049] Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass das zweite Anwenderprogramm mit einer weiteren Steuervorrichtung kooperiert. Diese Kooperation kann das verteilte Ausführen des zweiten Anwenderprogramms auf mehreren Steuervorrichtung beinhalten. Alternativ kann das zweite Anwenderprogramm auch eingerichtet sein, mit entsprechenden Anwenderprogrammen auf der weiteren Steuervorrichtung zusammenzuarbeiten. Auf diese Weise kann die rechenintensive Sensordatenauswertung vorteilhaft auf mehrere Steuervorrichtungen verteilt werden. Dies ermöglicht es insbesondere eine Sensordatenauswertung bei bereits bestehenden Steuersystemverbünden nachzurüsten.
[0050] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0051] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines industriellen Steuerungssystems gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines industriellen Steuerungssystems mit einer Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer internen Struktur einer Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer internen Struktur einer Steuervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
[0052] Mit Bezug auf Fig. 1 wird zunächst ein bekanntes industrielles Steuerungssystem kurz beschrieben. Das dargestellte Steuerungssystem 1 umfasst eine modulare, speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 2, die mehrere Eingangs- und Ausgangsmodule 3 sowie eine zentrale Verarbeitungseinheit 4 aufweist. An die Eingangs- und Ausgangsmodule 3 sind einerseits Basis- und Verbundsensoren 5 angeschlossen und andererseits Aktoren 6. Die Basis- und Verbundsensoren 5 erzeugen Eingangssignale in Abhängigkeit des Zustands einer technischen Anlage oder Maschine bzw. deren Umgebung und übertragen die Eingangssignale an die Eingangsmodule. Die Verarbeitungseinheit 4, welche die von den Eingangsmodulen erfassten Eingangssignale aufnimmt, wertet diese aus und verknüpft diese, um Ausgangssignale zu erzeugen, mittels derer die Aktoren 6 angesteuert werden.
[0053] Zusätzlich umfasst das industrielle Steuerungssystem gemäß Fig. 1 sogenannte smarte Sensoren 7, die selbstständig Messgrößen aufbereiten und verarbeiten. Die Aufbereitung und Verarbeitung erfolgt durch eine von der Steuerung 2 separate Auswerteeinheit 8, an die die smarten Sensoren 7 angeschlossen sind. Die Auswerteeinheit 8 erzeugt aus den Ergebnissen der Auswertung ein Eingangssignal für die Steuerung 2, welches von dieser bspw. über ein weiteres Eingangsmodul aufgenommen wird. Das von der Auswerteeinheit 8 bereitgestellte Eingangssignal entspricht der Art nach einem Eingangssignal eines Basis-oder Verbundsensors und kann von der Steuerung 2 in gleicher Weise verarbeitet werden, wie ein Signal der angeschlossenen Basis- und Verbundsensoren 5. Mit anderen Worten werden die smarten Sensoren 7 durch die Vorverarbeitung durch die separate Auswerteeinheit 8 von der Steuerung als normale Sensoren wahrgenommen. Dass ein Eingangssignal von einem smarten Sensor 7 stammt, ist somit für die Steuerung 2 in der beschriebenen Konstellation nicht unterscheidbar. Ebenso sieht die separate Auswerteeinheit 8 nicht die von den Basis- und Verbundsensoren bereitgestellten Eingangssignale. Die smarten Sensoren 7 sind somit durch die Auswerteeinheit 8 von der eigentlichen Maschinensteuerung entkoppelt.
[0054] Fig. 2 zeigt im Gegensatz dazu ein industrielles Steuerungssystem mit einer Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Steuerungssystem ist in seiner Gesamtheit hier mit der Bezugsziffer 100 und die Steuervorrichtung mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
[0055] Die Steuervorrichtung 10 entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau der zuvor beschriebenen Steuervorrichtung 2. Die Steuervorrichtung 10 ist hier ebenfalls eine modulare, speicherprogrammierbare Steuerung mit Eingangsmodulen und Ausgangsmodulen. Exemplarisch sind vorliegend vier Eingangsmodule 12 und ein Ausgangsmodul 14 dargestellt. Ferner umfasst die Steuervorrichtung 10 eine Verarbeitungseinheit 16, die mit den Eingangs- und Ausgangsmodulen 12,14 über einen hier nicht dargestellten Bus gekoppelt ist. Der Aufbau und die Funktion der zentralen Verarbeitungseinheit 16 wird nachfolgend noch näher erläutert. Es versteht sich, dass die Steuervorrichtung 10 nicht auf die hier dargestellte Ausführung beschränkt ist, sondern weitere Module und Komponenten beinhalten kann. Ebenso ist die erfindungsgemäße Steuervorrichtung 10 nicht auf eine modulare Steuervorrichtung beschränkt, sondern kann alle Steuerungen betreffen, die eine Eingangsbaugruppe, eine Ausgangsbaugruppe und eine Verarbeitungseinheit beinhalten.
[0056] An die Steuervorrichtung 10 sind über die Eingangsmodule 12 (erste Schnittstelle) verschiedene Basis- und Verbundsensoren 18 angeschlossen. Die Basis- und Verbundsensoren 18 können über digitale oder analoge Schnittstellen (I/Os) oder über spezielle, für die I/O-Kommunikation bereitgestellte Feldbusschnittstellen (z.B. I/O-Link) an die Eingangsmodule 12 gekoppelt sein. Die Basis- und Verbundsensoren 18 sind Bauele- mente, die zur Messung einer physikalischen Größe und zur Umwandlung dieser in eine elektrische Größe dienen. Beispiele für Basissensoren sind Lichttaster, Näherungssensoren, Ultraschallsensoren, Füllstandssensoren, Reflexionslichtschranken o. ä. Einrichtungen. Verbundsensoren bezeichnen Sensoren, die aus einer Kombination mehrerer Basissensoren in einem Gehäuse gebildet werden und sind zum Beispiel Lichtgitter o. ä. Einrichtung, die auf einer kombinierten Messung physikalischer Größen basieren.
[0057] An die Ausgangsmodule 14 der Steuervorrichtung 10 können Aktoren 20 angeschlossen werden. Die Aktoren 20 führen in Abhängigkeit von entsprechenden Ausgangssignalen Steuerungsfunktionen aus. Dies kann, wie hier exemplarisch dargestellt, eine Motoransteuerung sein. Denkbar ist jedoch auch, dass ein Aktor 20 als Schütz ausgebildet ist, der in einer Stromversorgung einer Maschine angeordnet ist und der in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Steuervorrichtung 10 die Maschine stromlos schaltet. In Abhängigkeit des Ausgangssignals kann auch bedeuten, dass eine Aktion ausgelöst wird, wenn das Ausgangssignal ausbleibt, d. h. der Schütz abfällt, wenn kein Ausgangssignal anliegt.
[0058] Die Verarbeitungseinheit 16 erzeugt die Ausgangssignale in Abhängigkeit der Eingangssignale. Hierfür führt die Verarbeitungseinheit 16 ein erstes Anwenderprogramm A aus. Das erste Anwenderprogramm A (im Folgenden auch als SPS-Applikation bezeichnet) arbeitet vorzugsweise zyklisch eine definierte Anzahl an Anweisungen ab. In einem ersten Schritt liest die SPS-Applikation dabei zunächst ein Prozessabbild der Eingänge (PAE) ein. Das Prozessbild der Eingänge spiegelt die zum Zeitpunkt der Erfassung an den Eingangsmodulen anliegenden Signalzustände wieder. Anschließend wird die SPS-Applikation Anweisung für Anweisung abgearbeitet, wobei hierbei die Verarbeitungseinrichtung 16 nicht mehr auf die Eingänge (Eingangsmodule) selbst, sondern nur noch auf das PAE, welches in einem Speicher hinterlegt ist, zugreift. Sollen im Laufe der Abarbeitung Ausgänge (Ausgangssignal am Ausgangsmodul) verändert werden, so erfolgt dies zunächst in einem besonderen Speicherbereich, dem sogenannten Prozessabbild der Ausgänge (PAA). Erst nach der letzten Anweisung der SPS- Applikation werden die Zustände aus dem PAA an die eigentlichen Ausgänge (Ausgangsmodule) weitergegeben. Nach der Ausgabe beginnt ein weiterer Zyklus mit dem Einlesen eines neuen PAE. [0059] Im Gegensatz zu einer normalen Steuervorrichtung ist die zentrale Verarbeitungseinheit 16 bei der Steuervorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dazu eingerichtet, ein weiteres Anwenderprogramm B (zweites Anwenderprogramm) auszuführen. Das zweite Anwenderprogramm B dient der Sensordatenauswertung insbesondere smarter Sensoren 22. Smarte Sensoren 22 sind solche Sensoren, die komplexe Sensordaten bereitstellen und diese über spezielle, insbesondere standardisierte IP-Schnittstellen, verfügbar machen. Als ein Beispiel für einen smarten Sensor kann ein Kamerasystem genannt werden, welches als komplexe Sensordaten das erfasste Bildmaterial in digitaler Form bereitstellt, bspw. als ein kontinuierlicher Datenstream. Andere smarte Sensoren können beispielsweise Radarsysteme sein, die als Sensordaten Tupel mit verschiedenen Einzelwerten in einem kontinuierlichen oder diskreten Datenstream oder Datentelegram ausgeben, wobei das Tupel eine Position, eine Bewegung, eine äußere Kontur oder eine anderweitige Eigenschaft eines Objekts beschreibt.
[0060] Im Allgemeinen können die Sensordaten smarter Sensoren, die abhängig vom Sensortyp mehrere Kilobyte oder gar Megabyte groß sein können, grob in Objektdaten, Sensorausgangsdaten, Sensorparameter sowie Konfigurations- und Diagnosedaten unterteilt werden. Die Sensordaten werden der Steuervorrichtung 10 über eine zweite Schnittstelle 24 bereitgestellt. Die zweite Schnittstelle 24 unterscheidet sich dabei der Art nach von der ersten Schnittstelle (Eingangsmodule). Vorzugsweise kann die zweite Schnittstelle 24 eine standardisierte IP-basierte Schnittstelle zur Herstellung einer Verbindung zu einem IP-basierten Netzwerk 26 sein. Die zweite Schnittstelle 24 kann beispielsweise eine OPC- UA-(Open Platform Communications Unified Architecture)-Schnittstelle sein. Die OPC-UA ist eine Sammlung von Standards für die Kommunikation und den Datenaustausch im Umfeld der Industrieautomation. Mithilfe von OPC-UA können sowohl der Transport von Machine-to-Machine-Daten als auch Schnittstellen und die Semantik von Daten beschrieben werden, wobei die komplette Architektur serviceorientiert aufgebaut ist.
[0061] Die zweite Schnittstelle 24 kann eine Verbindung zu einem kabelgebundenen Übertragungsmedium oder einem funkbasierten Übertragungsmedium herstellen und ist grundsätzlich dafür ausgelegt, auch größere Datenmengen übertragen zu können. Ferner kann die zweite Schnittstelle 24 eine echtzeitfähige Schnittstelle mit festgelegten und garantierten Übertragungseigenschaften sein, wie beispielsweise TSN oder MQTT. [0062] Die an die Steuervorrichtung 10 übertragenen Sensordaten werden von dem zweiten Anwenderprogramm B eingelesen und verarbeitet. Hierbei ist es möglich, dass das zweite Anwenderprogramm B Sensordaten mehrerer Sensoren aufnimmt und verarbeitet. Die Verarbeitung kann das Ausführen verschiedener Algorithmen beinhalten, beispielsweise Algorithmen zur Mustererkennung oder Bilddatenverarbeitung. Darüber hinaus kann eine Fusion der Daten verschiedener Sensoren stattfinden.
[0063] Die Sensordatenauswertung kann das Erzeugen von 3D-Punktwolken für Navigationsaufgaben und deren Weiterleitung beinhalten. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Sensordatenauswertung auch das Detektieren von Objekten, das Bestimmen von Objektparametern (Größe, Richtung, Geschwindigkeit) oder eine Objektklassifizierung beinhalten. Ferner kann die Sensordatenauswertung das dynamische Bestimmen von Abständen zwischen Objekten betreffen und das Bereitstellen dieser Informationen für eine Pfadplanung für eine Robotersteuerung. Es versteht sich, dass die Sensordatenauswertung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern auch andere Datenverarbeitungsmethoden betreffen kann, die aus Sensordaten anwendungs- oder steuerungsrelevante Informationen extrahieren.
[0064] Bei komplexen und rechenintensiven Sensordatenauswertungen kann es hilfreich sein, Rechenkapazität je nach Bedarf hinzuzufügen. So ist es denkbar, bei modular aufgebauten Steuerungskonzepten komplexe und rechenintensive Datenauswertungen auf mehrere Steuerungen (Steuerungsköpfe) zu verteilen (Skalierbarkeit). Hierbei lässt sich die Skalierbarkeit weiter steigern, indem das Anwenderprogramm zur Sensordatenauswertung so ausgelegt wird, dass es auf Steuerungen mit unterschiedlichen Leistungsklassen lauffähig ist.
[0065] Die Ergebnisse der Sensordatenauswertung können der SPS-Applikation zur Verfügung gestellt werden oder über die zweite Schnittstelle oder eine anderweitige Schnittstelle an andere Einrichtungen übertragen werden. Die Ergebnisse der Sensordatenauswertung können beispielsweise eine Abschaltinformation für angeschlossene Aktoren beinhalten, die der SPS-Applikation als weiteres Eingangssignal bereitgestellt wird. Damit können die Ergebnisse der Sensordatenauswertung über die SPS-Applikation unmittelbar Einfluss auf die Maschinensteuerung nehmen. Darüber hinaus können die Ergebnisse der Sensorda- tenauswertung auch an andere Einrichtungen zur weiteren Verarbeitung oder zu Diagnosezwecken übertragen werden.
[0066] Vorteilhaft sind das erste Anwenderprogramm A und das zweite Anwenderprogramm B über eine interne Datenschnittstelle miteinander gekoppelt. Die interne Datenschnittstelle kann eine Interprozess-/Interthread-Schnittstelle sein oder eine Schnittstelle, die durch eine gemeinsame Zugriffsmöglichkeit auf einen gemeinsam nutzbaren Speicherbereich realisiert ist. Über die interne Datenschnittstelle können die Ergebnisse der Sensordatenauswertung der SPS-Applikation bereitgestellt werden. Denkbar ist auch, dass das zweite Anwenderprogramm B nach dem Einlesen der Sensordaten von der zweiten Schnittstelle 24 diese als Rohdaten der SPS Applikation verfügbar macht.
[0067] Umgekehrt ist es möglich, dass das zweite Anwenderprogramm B auf Daten der Basis- und Verbundsensoren 18 zurückgreifen kann, um diese bei der Sensordatenauswertung zu berücksichtigen. Letzteres ermöglicht eine Fusion der Daten der smarten Sensoren 22 unter Einbeziehung der Daten der Basis- und Verbundsensoren 18. Diese Einbeziehung kann auch dazu genutzt werden, die Daten der Basis- und Verbundsensoren 18 an andere Einrichtungen oder die Cloud 26 weiterzuleiten. Damit können auch die Basis- und Verbundsensoren 18, die üblicherweise nicht über eine eigene IP- Schnittstelle verfügen, ihre Daten in einem IP-basierten Netzwerk 28 bereitstellen.
[0068] Die smarten Sensoren 22 können ihre Daten ergänzend auch über das IP-basierte Netzwerk 28 direkt an weitere Einrichtungen zur weiteren Auswertung senden. Beispielsweise können rechenintensive Algorithmen, wie sie für maschinelles Lernen benötigt werden, um weitere Informationen aus den Sensordaten zu extrahieren, in der Cloud 26 ausgeführt werden. Hierfür eignen sich insbesondere Auswertungen, die keinen Echtzeit- Anforderungen unterliegen. Denkbar ist auch, dass Daten der smarten Sensoren 22 selektiv von externen Einrichtungen und von der Steuervorrichtung 10 verarbeitet werden. Damit ist es möglich, nur unsensible Sensordaten an externe Einrichtung zu verschicken, während sensible Sensordaten intern von der Steuervorrichtung 10 verarbeitet werden (Datensouveränität). [0069] Neben den smarten Sensoren 22 und der Steuervorrichtung 10 samt Basis- /Verbundsensoren 18 können an das IP-basierte Netzwerk 28 auch Konfigurations- und Diagnoseeinrichtungen 30 angeschlossen sein. Vorteilhaft können die smarten Sensoren 22 direkt mit diesen Einrichtungen kommunizieren. Darüber hinaus ermöglicht es die mit der zweiten Schnittstelle 24 ausgestattete Steuervorrichtung 10, dass die Basis- und Verbundsensoren 18 Diagnose- und/oder Konfigurationsinformationen bereitstellen. Dies trägt zur Verbesserung der einheitlichen und ganzheitlichen Konfiguration und Diagnose des Steuerungssystems 100 bei.
[0070] Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die interne Struktur einer Steuervorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die interne Struktur ist hier als ein Schichtenmodell wiedergegeben, bei dem einzelne Aspekte der Architektur der Steuervorrichtung 10 konzeptionell einer Schicht zugeordnet sind.
[0071] Die unterste Schicht S1 umfasst die Schnittstellen, über die die Steuervorrichtung 10 mit externen Einrichtungen und der Peripherie verbunden ist. Dies umfasst hier sowohl die Eingangsmodule (erste Schnittstelle), die Ausgangsmodule sowie eine IP-basierte Schnittstelle (zweite Schnittstelle). Über diese Schnittstellen empfängt die Steuervorrichtung 10 Daten der angeschlossenen Sensorik, die sowohl die Basis- und Verbundsensoren 18 als auch die smarten Sensoren 22 beinhaltet.
[0072] Die zweite Schicht S2 umfasst die physikalischen Verarbeitungseinheiten und setzt sich im Wesentlichen aus zentralen Recheneinheiten (Prozessoren) und Systemressourcen (Speicher, etc.) zusammen. Die Recheneinheiten können insbesondere Multicore- Prozessoren oder Multicore- Mikrocontroller sein, die eine parallele Ausführung von Prozessen und Threads ermöglichen und damit eine Nebenläufigkeit von Programmen begünstigen. Ebenfalls sind dieser Schicht etwaige sicherheitsgerichtete Einrichtungen zugeordnet, die bei einer Sicherheitssteuerung die Fehlersicherheit gewährleisten können. Die sicherheitsgerichteten Einrichtungen sind insbesondere Einrichtungen der Redundanz und Diversität. [0073] Die dritte Schicht S3 bildet das Betriebssystem der Steuervorrichtung 10. Das Betriebssystem setzt sich aus einer Vielzahl von Programmen zusammen, die das Laden, Ausführen, Unterbrechen und Beenden von Anwenderprogrammen, die Verwaltung und Zuteilung von Prozessorzeit sowie die Speicherplatzzuordnung und -Verwaltung ermöglichen. Darüber hinaus kann das Betriebssystem Hardware-Treiber beinhalten, die einen Zugriff der Anwenderprogramme auf Hardwarekomponenten ermöglichen. Insbesondere bei Sicherheitssteuerung kann das Betriebssystem auch zusätzliche Einrichtung aufweisen, die zu einer erweiterten Fehlersicherheit beitragen. Für eine Steuervorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist das Betriebssystem zumindest eingerichtet, zwei, der Art nach verschiedene Anwenderprogramme auszuführen, wobei das Betriebssystem die beiden Anwenderprogramme vorzugsweise nebenläufig ausführen kann.
[0074] Die oberste Schicht S4 bilden die Anwenderprogramme, die mindestens ein Anwenderprogramm A für die Maschinensteuerung und ein Anwenderprogramm B für die Sensordatenauswertung aufweisen. Das erste Anwenderprogramm A ist vorzugsweise ein SPS-Programm, das sequenziell nacheinander eine Reihe von Anweisung ausführt, wobei eine erste Anweisung im Zyklus das Einlesen von Eingängen beinhaltet und die letzte Anweisung im Zyklus die Ausgabe an die Ausgänge umfasst. Das zweite Anwenderprogramm B hingegen ist dafür ausgelegt, Sensordaten zyklisch oder kontinuierlich zu verarbeiten. Hierfür kann das zweite Anwenderprogramm B einen wahlfreien Zugriff auf die zweite Schnittstelle haben, über die es Daten von Sensoren empfangen kann. Wahlfrei bedeutet somit, dass das Anwenderprogramm B eingerichtet sein kann, zu einem beliebigen Zeitpunkt Daten von der zweiten Schnittstelle anzufordern. Das Anwenderprogramm B ist somit nicht auf eine bestimmte, insbesondere zyklische Abarbeitung der Sensordaten festgelegt. Ebenso kann das zweite Anwenderprogramm B eingerichtet sein, eine kontinuierliche Ausgabe von Auswertungsergebnissen oder Rohdaten bereitzustellen. Die Sensordatenauswertung selbst kann verschiedene Algorithmen in Abhängigkeit der Art der angeschlossenen Sensorik beinhalten, um anwendungs- oder steuerungsrelevante Informationen aus den Sensordaten zu extrahieren.
[0075] Das Betriebssystem führt das erste Anwenderprogramm A und das zweite Anwenderprogramm B vorzugsweise parallel aus. Ferner kann das Betriebssystem eine interne Schnittstelle (hier durch den querverlaufenden Doppelpfeil angedeutet) bereitste!- len, über die das erste Anwenderprogramm A mit dem zweiten Anwenderprogramm B, im Wesentlichen latenzfrei, Daten austauschen kann. Denkbar ist auch, dass der Datenaustausch nur in eine Richtung erfolgt, bspw. nur Daten vom Anwenderprogramm A an das Anwenderprogram B übertragen werden oder umgekehrt. Auf diese Weise kann die Unabhängigkeit zumindest eines Anwenderprogramms erreicht werden. Zudem ist das Betriebssystem verantwortlich einen Datenaustausch zwischen den Anwenderprogrammen und den jeweils zugehörigen Schnittstellen zu gewährleisten, wie hier durch die vertikalen Pfeile angedeutet ist.
[0076] Das Betriebssystem ist grundsätzlich nicht auf eine bestimmte Art von Betriebssystem beschränkt, solange dieses dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei Anwenderprogramme auszuführen und den aufgezeigten Datenfluss zu den Schnittstellen zu ermöglichen. Vorzugsweise ist das Betriebssystem ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) bzw. verfügt über Einrichtungen, die die Ausführung eines Anwenderprogramms in Echtzeit ermöglichen. Echtzeit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Betriebssystem Anfragen eines Anwenderprogramms oder das Eintreffen von Signalen über die Schnittstellen innerhalb einer im Voraus bestimmbaren Frist gesichert verarbeiten kann.
[0077] Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer internen Struktur einer Steuervorrichtung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte Struktur basiert im Wesentlichen auf dem gleichen Schichtenmodell, wie es in Bezug auf Fig. 3 beschrieben worden ist.
[0078] Im Gegensatz zu der in Fig. 3 gezeigten Struktur sind bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl die Schnittstellen als auch Anwenderprogramme in sicherheitsgerichtete und nicht-sicherheitsgerichtete Anwenderprogramme bzw. Schnittstellen unterteilt, wodurch eine definierte Unabhängigkeit dieser Komponenten zueinander eingerichtet wird. Durch die Unterteilung können von der Steuervorrichtung sowohl Standardfunktionen ST (Standard) als auch sicherheitsgerichtete Funktionen FS (Fail-Safe=ausfallsicher) auf effiziente Weise wahrgenommen werden. Während grundsätzlich Standardfunktionen ST auch von einer fehlersicheren FS-Steuerung wahrgenommen werden können, ist es sinnvoll, die dafür zuständigen Anwenderprogramme zu isolieren, sodass unter dem Gesichtspunkt der funktionalen Sicherheit eine gegenseitige Beeinflussung von Daten und Auswertung vermieden werden kann. Gleiches gilt für die Schnittstellen zu den Sensoren, die ebenfalls getrennt einzurichten sind. Im Übrigen können die Schichten S2 und S3 unverändert bleiben, da diese einheitlich für eine sicherheitsgerichtete Applikation auszurichten sind.
[0079] In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind sowohl Anwenderprogramme A für die Maschinensteuerung als auch Anwenderprogramme B für die Sensordatenauswertung als FS-Anwenderprogramme und als ST-Anwenderprogramme vorgesehen. Mit anderen Worten können für jeden Typ von Anwenderprogramm eine FS und eine ST Variante vorgesehen sein. Es versteht sich, dass nicht immer alle Varianten vorhanden sein müssen. Gleiches gilt für die Schnittstellen, die hier sowohl eine FS-Schnittstelle als auch eine ST-Schnittstelle aufweisen. Denkbar ist auch, dass nur eine FS-Schnittstelle vorhanden ist. Die konsequente Trennung von FS- und ST-Elementen hat jedoch den Vorteil, dass die FS-Komponenten vollständig unabhängig von den ST-Komponenten sein können. Dieses Prinzip spiegelt sich auch in den hier dargestellten internen Datenschnittstellen zwischen den Anwenderprogrammen wieder. Auch hier sollte möglichst keine Verbindung zwischen FS-Anwenderprogrammen und ST-Anwenderprogrammen vorhanden sein.
[0080] Mit der in Fig. 4 dargestellten Architektur kann besonders flexibel und einfach eine Steuerung realisiert werden, die sowohl sicherheitskritische Steuerungsfunktionen als auch normale Steuerfunktionen umfasst.
[0081] Mit den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden exemplarisch Ausführungen der Erfindung gezeigt. Es versteht sich, dass einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele in den jeweils anderen Ausführungsbeispiel Verwendung finden können. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht durch die hier gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern allein durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims

22
Patentansprüche Steuervorrichtung (10) zur Maschinensteuerung und Sensordatenauswertung, aufweisend: eine erste Schnittstelle (12) zur Verbindung mit Basis- und Verbundsensoren (18) der Maschinensteuerung; eine zweite Schnittstelle (24) zur Verbindung mit Sensoren (22) für die Sensordatenauswertung; eine zentrale Verarbeitungseinheit (16); sowie ein Betriebssystem zur Ausführung von Anwenderprogrammen unter Nutzung der zentralen Verarbeitungseinheit (16), wobei die Anwenderprogramme mindestens ein erstes Anwenderprogramm (A) und ein zweites Anwenderprogramm (B) aufweisen, und wobei das erste Anwenderprogramm (A) ein Anwenderprogramm zur Maschinensteuerung ist, welches anhand einer Auswertung der Basis- und Verbundsensoren (18) eine Steuerfunktion ausführt, und wobei das zweite Anwenderprogramm (B) ein Anwenderprogramm zur Sensordatenauswertung ist, welches über die zweite Schnittstelle (24) empfangene Sensordaten auswertet. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das zweite Anwenderprogramm (B) eingerichtet ist, die ausgewerteten Sensordaten dem ersten Anwenderprogramm (A) zur Verfügung zu stellen. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Anwenderprogramm (A) eingerichtet ist, die ausgewerteten Sensordaten zur Maschinensteuerung heranzuziehen. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Betriebssystem dazu eingerichtet ist, das erste Anwenderprogramm (A) und das zweite Anwenderprogramme (B) parallel zueinander auszuführen. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Schnittstelle (12) eine Schnittstelle für I/O-Kommunikation über einen Feldbus, insbesondere eine standardisierte IO-Link-Schnittstelle ist. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Schnittstelle (12) als ein Modul der Steuervorrichtung (10) ausgebildet ist und über eine interne Busverbindung mit der zentralen Verarbeitungseinheit (16) gekoppelt ist. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Schnittstelle (24) eine echtzeitfähige Schnittstelle ist. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Schnittstelle (24) eine standardisierte IP-basierte Schnittstelle ist, insbesondere eine OPC- UA-Schnittstelle. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Schnittstelle (24) eine kabelbasierte und/oder eine funkbasierte Schnittstelle ist. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Anwenderprogramm (A) und das zweite Anwenderprogramm (B) über eine interne Datenschnittstelle miteinander verbunden sind. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend einen Arbeitsspeicher, und wobei das Betriebssystem eingerichtet ist, dem ersten An- wenderprogramm (A) und dem zweiten Anwenderprogramm (B) einen gemeinsamen Speicherbereich innerhalb des Arbeitsspeicher zuzuweisen. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , ferner aufweisend eine dritte Schnittstelle, wobei die dritte Schnittstelle eingerichtet ist, die Sensordaten und/oder die ausgewerteten Sensordaten der Basis- und Verbundsensoren (18) an eine zur Steuervorrichtung externe Einrichtung, insbesondere einer Cloud- Einrichtung, vorzugsweise gefiltert, zu übertragen. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Steuervorrichtung eine Sicherheitssteuerung ist und das erste Anwenderprogramm (A) eine sicherheitsgerichtete Maschinensteuerung ausführt und/oder das zweite Anwenderprogramm (B) eine sicherheitsgerichtete Sensordatenauswertung ausführt. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuervorrichtung wenigstens eine sicherheitsgerichtete Einrichtung aufweist, die eine fehlersicher Auswertung der Basis- und Verbundsensoren (18) und/oder eine fehlersichere Sensordatenauswertung gewährleistet. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Betriebssystem ferner eingerichtet ist, ein drittes Anwenderprogramm unabhängig von dem ersten Anwenderprogramm (A) und dem zweiten Anwenderprogramm (B) auszuführen, welches eine nicht-sicherheitsgerichtete Maschinensteuerung und/oder Sensordatenauswertung ausführt. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das zweite Anwenderprogramm (B) eingerichtet ist, wahlfrei auf die Sensordaten zuzugreifen. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Betriebssystem eingerichtet ist, eine Verbindung zu einer weiteren Steuervorrichtung herzustellen, und wobei das zweite Anwenderprogramm (B) eingerichtet ist, die Sensordatenauswertung teilweise auf der weiteren Steuervorrichtung auszuführen.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022119620A1 (de) * 2022-08-04 2024-02-15 Sick Ag Prozessüberwachungssystem

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10133612A1 (de) * 2001-07-13 2003-02-06 Prometec Gmbh Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine, sowie Verfahren zur numerischen Steuerung und Verfahren zur Überwachung einer Werkzeugmaschine
DE102005020028A1 (de) 2005-04-29 2006-11-02 Leuze Electronic Gmbh & Co Kg Verfahren zur Objektdetektion mittels mehrerer Sensoren
DE102010007520B3 (de) 2010-02-11 2011-05-05 Sick Ag Sicherheitssteuerung mit einer Vielzahl von Anschlüssen für Sensoren
DE202012013193U1 (de) * 2012-06-26 2015-05-06 INTER CONTROL Hermann Köhler Elektrik GmbH & Co KG Vorrichtung für eine sicherheitskritische Anwendung
KR101923100B1 (ko) * 2015-12-10 2018-11-28 지멘스 악티엔게젤샤프트 Plc 히스토리언과 통합된 분산 임베디드 데이터 및 지식 관리 시스템
DE102018008674A1 (de) 2018-11-05 2020-05-07 Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH Automatisierungsgerät mit integrierter Netzwerk-Analyse und Cloud-Anbindung
DE102019203921A1 (de) 2019-03-22 2020-09-24 Zf Friedrichshafen Ag Automatisierungsanordnung, Verfahren zum Betrieb der Automatisierungsanordnung sowie Computerprogramm
DE202019102522U1 (de) 2019-05-06 2020-08-17 Frederik Lange Steuergerät mit Bildauswertung
EP3739396A1 (de) * 2019-05-15 2020-11-18 Siemens Aktiengesellschaft System zur bewegungsführung eines manipulators aufweisend einen ersten und einen zweiten prozessor
DE102019116664B4 (de) 2019-06-19 2024-03-14 Ifm Electronic Gmbh Verfahren zur applikationsspezifischen Anpassung eines Sensors an eine Prozessumgebung der Automatisierungstechnik

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