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Die Erfindung bezieht sich auf eine industrielle Steuerung, die mehrere Peripherieeinheiten mit Sensor-/Aktorelementen aufweist, welche für einen Datenverkehr mit einer zentralen Steuereinheit über Schnittstellen in Verbindung stehen.
Bei Anlagensteuerungen über ein Funknetz liegt das Hauptproblem bei der Anbindung von si- cherheitsrelevanten und/oder zeitkritischen Sensoren und Aktoren an eine zentrale Steuerung nicht in der Datenintegrität, da diese durch entsprechende Datensicherungsverfahren gewährleistet werden kann, sondern in der zeitlichen Verzögerung, welche letztlich auch durch die verwendeten Codierverfahren bedingt ist.
In industrieller Umgebung mit ständig wechselnden oder bewegten Objekten kann ein Übertra- gungsweg, d. h. der Weg zwischen einer Antenne der zentralen Steuerung und einer Antenne der peripheren Einheit vorübergehend blockiert werden, wobei die Datenübertragung so nachhaltig unterbrochen oder gestört wird, dass auch eine Forward-Error-Correction versagt und eine noch- malige Datenanfrage über ARQ durchgeführt wird. Auch wenn nach dieser Anfrage die Daten korrekt übertragen werden, so erhöht sich dennoch, vor allem in problematischen Empfangslagen, die mittlere Übertragungsdauer deutlich, so dass man davon Abstand genommen hat, Funknetze bei zeitkritischen und sicherheitsrelevanten Informationsübertragungen in der industriellen Steue- rungstechnik zu verwenden.
Sofern es nur um den Übertragungsweg zwischen einer zentralen Steuerung und einer einzi- gen peripheren Einheit geht, könnte man z. B. bei der zentralen Steuerung mehr als eine Antenne verwenden, d. h. mit einem Antennen-Diversity-Verfahren arbeiten, um zwei unterschiedliche Funkwege zu erhalten. Diese Lösung ist jedoch bei industriellen Steuerungen, wo oft eine grosse Anzahl von peripheren Einheiten benötigt wird, nicht oder nur mit grossem Aufwand und entsprechenden Kosten anzuwenden.
Die WO 92/13121 A1 beschreibt eine Spinnereianlage und deren Betrieb, wobei zwischen ei- nem Prozessleitrechner und verschiedenen Maschinensteuerungen ein Netzwerk vorgesehen ist.
Von dem Prozessleitrechner werden Steuerbefehle über das Netzwerk an die Maschinensteuerun- gen geleitet, welche erforderlichenfalls die Steuerbefehle in Steuersignale umwandeln. -Es kann auch ein zweites zusätzliches Netzwerk vorgesehen sein, doch sind über die Natur der Netzwerke keine anderen Aussagen getroffen, als dass eine Anbindung an das Netzwerk über ein Koaxialka- bel oder Lichtleiter erfolgen kann.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, eine industrielle Steuerung zu schaffen, bei wel- cher nicht nur eine sichere, sondern auch eine rasche Datenübertragung über Funk ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird mit einer industriellen Steuerung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäss jede Peripherieeinheit eine periphere Sende-/Empfangseinheit aufweist, der zentralen Steuereinheit zumindest zwei Funkeinheiten zugeordnet sind, deren Antennen eine unterschiedliche räumliche Aufstellung und/oder Ausrichtung aufweisen, der Datenverkehr zwi- schen Peripherieeinheiten und zentraler Steuereinheit über Funkschnittstellen zwischen den Sen- de-/Empfangseinheiten und den Funkeinheiten erfolgt, wobei für zumindest eine Peripherieeinheit eine Funkverbindung mit zumindest zwei Funkeinheiten ermöglicht ist, und diefunkverbindung ein den Verkehr der Funkeinheiten untereinander und deren Zugriff regelndes Protokoll aufweist.
Dank der Erfindung kann auch bei einer grösseren Anzahl von peripheren Einheiten mit gerin- gem Aufwand und bausteinartig eine Steuerung geschaffen werden, die nicht nur in bekannter Weise eine sichere Datenübertragung gestattet, sondern die auch den Anforderungen an eine rasche Datenübertragung genügt. Dies ist insbesondere dort von Vorteil, wo in ein laufendes Verfahren im Bedarfsfall rasch eingegriffen werden muss, z. B. falls ein Notstop auf einer Ferti- gungsstrasse erforderlich wird.
Zweckmässige Varianten der Erfindung sind durch ein FEC-Datensicherungsverfahren des Funksystems und/oder durch ein ARQ-Verfahren bei dem Funksystem gekennzeichnet. Derartige an sich bekannte Verfahren der Datensicherung haben sich gerade bei industriellen Steuerungen bewährt.
Der Zugriff der Funkeinheiten über ein Protokoll wird erleichtert, wenn das Funksystem nach einem an sich bekannten Zeit- und/oder Frequenz-Division-Verfahren arbeitet.
Im Sinne eines flexiblen und auch wechselnden Gegebenheiten anpassbaren Aufbaus des Funksystems ist es zweckmässig, wenn die Peripherieeinheiten nach Sicherheitskriterien klassifi- ziert sind, wobei für höher eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit zumindest zwei
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Funkeinheiten, für tief eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit lediglich einer Funk- einheit ermöglicht sind. Durch diese Klassifikation ist es möglich, lediglich jenen Peripherieeinhei- ten, an die zeitkritische Anforderungen gestellt werden, zumindest zwei Funkeinheiten zuzuordnen, für andere Peripherieeinheiten jedoch lediglich eine einzige Furikeinheit vorzusehen und dadurch Kosten zu sparen. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Klassifizierung der Peripherieeinheiten in einer Speicherliste der zentralen Steuereinheit abgelegt ist.
Den Anforderungen in industrieller Umgebung, auch hinsichtlich der Flexibilität wird genüge ge- tan, falls die Funkeinheiten und die zentrale Steuerung an einem seriellen Bus liegen.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden anhand einer beispielsweisen Ausfüh- rungsform näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. Diese zeigt schematisch eine industrielle Steuerung mit einer zentralen Steuereinheit, mehreren Peripherieeinheiten und Funk- einheiten.
In der Zeichnung sind sechs periphere Einheiten PE1... PE6 dargestellt, die beispielsweise im Zuge einer Produktionsstrasse, verschiedene Parameter überwachen sollen, wie z. B. Förderge- schwindigkeit, Oberflächentemperaturen, Stückzahlen etc. Die peripheren Einheiten können eben- so dazu eingerichtet sein, in Produktionsabläufe einzugreifen, z. B. zu bremsen, zu stoppen, Ge- genstände zu erfassen oder zu entfernen etc. Daher besitzt jede periphere Einheit PE1... PE6 ein Sensor-/Aktorelement SA1... SA6.
Eine zentrale Steuerung ZST soll in bekannter Weise einerseits Daten von Sensoren empfan- gen bzw. aufgrund dieser Daten und anderer vorgegebener Produktionsabläufe über Aktoren in das Geschehen eingreifen. Zu diesem Zweck ist eine zentrale Steuerung nach dem Stand der Technik über Kabel mit den entsprechenden peripheren Einheiten verbunden. Der Begriff zentrale Steuerung ist hinsichtlich des Zusatzes zentral" nicht eng zu sehen, d. h. die Steuerung kann de facto auch auf mehrere Elemente aufgeteilt sein. Jedenfalls ist nun im Sinne der Erfindung vorge- sehen, dass der Datenverkehr zwischen zentraler Steuerung und peripheren Elementen über Funkschnittstellen abläuft, wozu einerseits jede periphere Einheit PE1... PE6 eine Antenne PA1...
PA6 aufweist und mehrere, im vorliegenden Fall vier Funkeinheiten FE1... FE4 vorgesehen sind, die über einen seriellen Bus SBU mit der zentralen Steuereinheit ZST verbunden sind. Jede Funk- einheit FE1... FE4 besitzt eine Antenne ZA1 ...ZA4.
Wesentlich für die Erfindung ist nun, dass für ausgewählte oder alle peripheren Einheiten eine Funkverbindung nicht nur mit einer Funkeinheit, sondern mit zumindest zwei Funkeinheiten vorge- sehen ist. Im vorliegenden Fall können die peripheren Einheiten PE3, PE4 und PE5 Funkverkehr zu jeweils zwei Funkeinheiten unterhalten, nämlich die periphere Einheit PE3 mit den Funkeinhei- ten FE2 und FE3, und die peripheren Einheiten PE4 und PE5 mit den Funkeinheiten FE3 und FE4.
Der Funkverkehr erfolgt über ein Funksystem mit einem Protokoll, welches den Verkehr der Funkeinheiten FE1... FE4 untereinander ermöglicht, wobei der Zugriff der Funkeinheiten über ein Protokollelement geregelt ist. Zweckmässiger Weise wird ein Zeit- und/oder Frequenz-Division- Verfahren angewendet, wobei in bekannter Weise fehlerkorrigierende Codes verwendet werden, z.
B. ein FEC (Forward Error Correction)-Verfahren, gegebenenfalls gekoppelt mit einem ARQ (Au- tomatic Request)-Verfahren, so dass die Datenintegrität prinzipiell gesichert ist.
Da üblicherweise Frequenzen zur Anwendung kommen, die im Wesentlichen eine freie Sichtli- nie zwischen den jeweiligen Antennen erfordern, z. B. 2,4 GHz, kann es aufgrund von Abschattun- gen durch bewegte Objekte, mehrfache Flexionen etc. zu einer kritischen Verschlechterung eines Funkweges oder zu dessen Ausfall kommen. In der Zeichnung ist dies angedeutet durch ein be- wegtes Objekt BEO, dass zwischen die Antenne PA3 der peripheren Einheit PE3 und die Antenne ZA3 der Funkeinheit FE3 gelangt. Wie ersichtlich befindet sich jedoch die Antenne PA3 der peri- pheren Einheit PE3 auch in Reichweite der Funkeinheit FE2 bzw. deren Antenne ZA2. Die einzel- nen "Funkzellen" sind hier der Einfachheit halber kreisförmig gezeigt, doch es versteht sich, dass man die Antennen ZA1...
ZA4 den Gegebenheiten entsprechend unterschiedlich räumlich anord- nen wird bzw. deren Ausrichtung an die Gegebenheiten anpassen wird.
Natürlich muss durch das verwendete Protokoll gesichert sein, dass die einzelnen Funkeinhei- ten miteinander verkehren können und erreicht wird, dass z. B. diese Funkeinheiten zeit- oder frequenzversetzt senden.
Weiters muss natürlich der Fall in Betracht gezogen werden, dass die von einer peripheren Einheit, z. B. der Einheit PE4 ausgesandten Daten gleichzeitig zu mindestens zwei Funkeinheiten,
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hier den Funkeinheiten FE3 und FE4 gelangen, sodass gesichert sein muss, dass bei Empfang dieser Daten durch eine der beiden Funkeinheiten, die andere Einheit sodann die Information als überflüssig verwirft.
Die Peripherieeinheiten PE1... PE6 können nach Sicherheitskriterien klassifiziert werden, wo- bei hier insbesondere zeitkritische Elemente eine Rolle spielen. Man sieht dann vor, dass für höher eingestufte Peripherieeinheiten Funkverbindungen mit zumindest zwei physikalisch getrennten Funkwegen vorgesehen sind, für tiefer eingestufte Peripherieeinheiten jedoch lediglich ein Funk- weg mit je einer Funkeinheit, im vorliegenden Fall gilt dies für die peripheren Einheiten PE1, PE2 und PE6. Diese Klassifizierung wird zweckmässiger Weise in einer Speicherliste der zentralen Steuereinheit ZST abgelegt und kann dort auch leicht modifiziert werden, wenn dies geänderte Verhältnisse, z. B. der Umbau einer Produktionstrasse, erfordern.
Als Funksystem eignet sich, wie bereits erwähnt, beispielsweise ein solches, welches ein Time- Division-Verfahren verwendet, etwa das unter dem Namen "Bluetooth" bekannt gewordene Sys- tem, welches näher beschrieben ist, z. B. in "Bluetooth Core Specification", Version 1. 1 Bei diesem System muss allerdings im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass die einzelnen Untereinhei- ten, d. h. hier die Funkeinheiten FE1... FE4, die man auch #Master" nennen kann, im Gegensatz zu den "Slaves", nämlich den Sende-/Empfangseinheiten SE1... SE6 über ein gemeinsames Binde- glied, nämlich das entsprechende Protokollelement (bei Bluetooth: #Scatternet"), miteinander kommunizieren können.
Durch diese Fähigkeit ist es möglich, zwischen peripheren Einheiten und den Funkeinheiten, die der zentralen Steuerung zugeordnet sind, zumindest je zwei physikalische Funkpfade aufrecht zu erhalten, wobei durch Störung eines Funkpfades, z. B. durch Fading, keine für das System untragbare Verzögerung durch beispielsweise eine Rückfrage entsteht, da die Daten dann auf den anderen Funkpfad übertragen und sofort weitergeleitet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Industrielle Steuerung, die mehrere Peripherieeinheiten (PE1... PE6) mit Sensor-/Aktor- elementen (SA1... SA6) aufweist, welche für einen Datenverkehr mit einer zentralen Steu- ereinheit (ZST) über Schnittstellen und ein Funknetz in Verbindung stehen, dadurch ge- kennzeichnet, dass jede Peripherieeinheit (PE1... PE6) eine periphere Sende-/Empfangseinheit-(SE1... SE6) aufweist, der zentralen Steuereinheit (ZST) zumindest zwei Funkeinheiten (FE1... FE4) zugeordnet sind, deren Antennen (ZA1...
ZA4) eine unterschiedliche räumliche Aufstellung und/oder
Ausrichtung aufweisen, der Datenverkehr zwischen Peripherieeinheiten und zentraler Steuereinheit über Funk- schnittstellen zwischen den Sende-/Empfangseinheiten und den Funkeinheiten erfolgt, wobei für zumindest eine Peripherieeinheit (PE3, PE4, PE5) eine Funkverbindung mit zu- mindest zwei Funkeinheiten (FE2, FE3; FE3, FE4) ermöglicht ist, und die Funkverbindung ein den Verkehr der Funkeinheiten (FE1... FE4) untereinander und deren Zugriff regelndes
Protokoll aufweist.