DE10304903A1 - Vorrichtung zur Automatisierung und/oder Steuerung von Werkzeug- oder Produktionsmaschinen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Automatisierung und/oder Steuerung von Werkzeug- oder Produktionsmaschinen, wobei mindestens ein von mindestens einer Maschine (3a, 3b) örtlich entfernter Rechner (1) nach Art eines Bedienhandgeräts (BHG) über mindestens ein Bussystem (2) drahtgebunden oder drahtlos mit jeder Maschine (3a, 3b) zum uni- oder bidirektionalen Daten- und Steuerverkehr miteinander verbindbar ist, wobei alle Steuerungsfunktionen der Maschine (3a, 3b) in das mindestens eine örtlich entfernte Bediengerät integrierbar sind. Die Vorrichtung ermöglicht somit eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Automatisierung und/oder Steuerung von Werkzeug- oder Produktionsmaschinen.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Automatisierung und/oder Steuerung von Werkzeug- oder Produktionsmaschinen, wobei mindestens ein von mindestens einer Maschine örtlich entfernter Rechner über mindestens ein Bussystem mit jeder Maschine zum uni- oder bidirektionalen Daten- und Steuerverkehr miteinander verbindbar ist.
- Die Technik des direkten Datenaustauschs zwischen Werkzeug- oder Produktionsmaschinen, wobei unter Produktionsmaschinen auch Roboter zu verstehen sind und einem übergeordneten Rechner ist seit ihrer ersten Nutzung ständig weiterentwickelt worden. Maschinen müssen zunehmend intelligenter werden, um eine möglichst hohe Produktivität zu erreichen. Die Forderung nach höhere Produktivität wird durch eine entsprechende Automatisierungs- und Steuerungstechnik erfüllt. Anstelle der früher üblichen zentralen Systeme haben sich zunehmend dezentrale Systeme durchgesetzt, wobei ein Automatisierungs- und Steuersystem je Maschine über Bussysteme mit den verschiedenen Komponenten der Maschine kommuniziert. Ein weiterer Schritt zur höheren Produktivität war der Einsatz von Kommunikationseinrichtungen, welche die Maschinen untereinander und mit einem Leitsystem verbindet.
- Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zeigt das "MC-CNC-Handbuch", Hans B. Kief, 1995/96, Karl Hansa-Verlag, München, Wien, Seite 416 ff. Unter DNC versteht man eine Betriebsart bei dem mehrere NC/CNC-Maschinen und/oder Produktionsmaschinen an einen gemeinsamen Zentralrechner angeschlossen sind. Nach dem heute praktizierten DNC-Konzept werden die Steuerfunktionen der einzelnen Maschinen komplett auf der internen Hardware der jeweiligen Maschine berechnet. Bei der älteren, ursprünglichen Idee des DNC-Konzepts verbleibt eine Rumpfsteuerung in jeder Maschine. Der Zentralrechner übernimmt bei diesem DNC-Konzept eine Vorbereitung oder Aufbereitung der Daten für die Rumpfsteuerung.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Automatisierung und/oder Steuerung von Werkzeug- oder Produktionsmaschinen zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass alle Steuerungsfunktionen der Maschine in den mindestens einen örtlich entfernten Rechner integrierbar sind, der als Handbediengerät mit integrierter Steuerungsfunktionalität ausgebildet ist.
- Einen Standard-PC oder ein Notebook als Rechner zu nutzen, ist in der DE-Anmeldung 102 43 771.8 bereits beschrieben worden.
- Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem redundant und sicher ausführbar ist. Hierdurch wird eine besonders hohe Verfügbarkeit der Vorrichtung sichergestellt.
- Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Bussystem ein Ethernet Bussystem verwendbar ist. Ein Ethernet Bussystem zeichnet sich durch eine besonders hohe Datendurchsatzrate aus.
- Dadurch, dass das Bussystem einen sicheren Funkweg beinhaltet, ist eine große Mobilität für den Bediener ermöglicht.
- Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass jeweils auf einem Rechner die Steuerungsfunktion mehrerer Maschinen parallelprozessig abarbeitbar sind. Die Verwendung nur eines Rechners zur Steuerung mehrerer Maschinen erlaubt eine besonders kostengünstige Realisierung der Vorrichtung.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abarbeitung der Steuerungsfunktion auf mehrere Rechner verteilbar ist. Sollen die Steuerungsfunktionen einer großen Anzahl von Maschinen zentral ablaufen, so kann es notwendig werden, falls ein Rechner mit dieser Aufgabe überfordert ist, die zahlreichen Steuerungsfunktion auf mehrere Rechner parallelprozessig zu verteilen.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine mit einem UltraThinClient ohne eigene Intelligenz versehbar ist. Soll an der Maschine eine Vorortbedienung möglich sein, so bietet sich der Einsatz eines UltraThinClient ohne eigene Intelligenz an, der die Eingaben des Bedieners in Bustelegramme umwandelt und die ankommenden Telegramme mit den Anzeigeinformation (z.B. die Pixeldaten für einen Monitor) entgegennimmt.
- Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass zur Energieversorgung der Maschinen eine zentrale elektrische Einspeisevorrichtung vorsehbar ist. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet es sich an, die normalerweise maschinenbezogenen Einspeisevorrichtungen von mehreren Maschinen zu einer zentralen elektrischen Einspeisevorrichtung zusammenzufassen um hierdurch eine Kostensenkung zu erzielen.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und -
2 die Softwarearchitektur des Rechners. - In einem Blockschaltbild gemäß
1 ist ein von den Maschinen3a und3b örtlich entferntes Bedienhandgerät BHG für numerische Steuerungen über ein Bussystem2 mit der Maschine3a und der Maschine3b verbunden. Das Bedienhandgerät BHG hat dabei nicht nur Bedien- und Anzeigekompetenz, sondern beinhalten Steuerungsfunktionalität und kann daher als an die Maschinenumgebung angepasster Rechner1 angesehen werden. - Zur Eingabe von Informationen dienen dabei Tastaturfelder TF1 und TF2, ein Handrad HR und ein NOT-AUS-Taster N. Die Visualisierung erfolgt über ein Display D. Bedienhandgeräte können gemäß ergonomischen Gesichtspunkten verschiedenartigst gestaltet sein. Ein handelsübliches Bedienhandgerät ist das "Handheld Terminal SINUMERIK HT6" der Siemens AG.
- Mit Hilfe eines Bussystems
2 findet ein uni- oder bidirektionaler Daten- und Steuerverkehr zwischen dem Rechner1 und Maschinen3a und3b statt. In die Maschine3a ist eine E/A-Einheit (Ein/Ausgabe-Einheit)4a , welche mehrere E/A-Module umfasst, von denen der Übersichtlichkeit halber nur ein E/A-Modul12a beziffert ist und ein U1traThinClient5a integriert. Jeweils ein E/A-Modul ist direkt mit den Sensoren und Aktoren der Maschine3a verbunden. Unter Sensoren sind hierbei z.B. Drehgeber, Lineargeber, Beschleunigungssensoren, Schalter, Kontakte bzw, allgemein Messsysteme zu verstehen. Unter Aktoren sind z.B. die Abtriebe der Maschine zu verstehen. In die Maschine3b ist eine entsprechende E/A-Einheit4b , welche mehrere entsprechende E/A-Module umfasst, von denen der Übersichtlichkeit halber nur ein E/A-Modul12b beziffert ist und ein entsprechender UltraThinClient5b integriert. Selbstverständlich weist die Maschine3a und3b auch noch andere Komponenten auf, die jedoch für das Verständnis der Erfindung nur eine nachrangige Rolle spielen und deshalb der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. - Die gesamte Intelligenz der gezeigten Anordnung inklusive der Steuerungssoftware, für z.B. die Achsenbewegungen der Maschinen, befindet sich im Rechner
1 . Dieser ist über das Bussystem2 und die E/A-Einheiten4a und4b mit den Sensoren und Aktoren der Maschine3a bzw.3b verbunden. Ein Sensorsignal, z.B. der Maschine3a wird, vorausgesetzt, das Bussystem2 verfügt über eine entsprechend hohe Datendurchsatzrate, fast unverzögert an den Rechner1 übermittelt und in den Steuerungs- und Regelfunktionen des Rechners1 weiter verarbeitet. Gegebenenfalls wird anschließend vom Rechner1 ein entsprechendes Steuersignal über das Bussystem2 und die E/A-Einheiten4a und4b an die Aktoren der Maschinen3a bzw.3b übermittelt. - Das Bussystem
2 muss wie bereits schon vorher erwähnt eine hohe Datendurchsatzrate besitzen. In der Praxis bewert hat sich hier das Ethernet-Bussystem, wobei es für diesen Anwendungsfall naheliegend ist, diesen Bus doppelt zu verlegen. Ein Bus für die Sensoren und Aktoren der Maschine, hier steht die Echtzeitfähigkeit im Vordergrund, und ein zweiter für die Bedienung, hier steht die Übertragung vieler Daten im Vordergrund. Da das Bussystem2 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung essenzieller Bestandteil der Steuerung der Maschinen ist, ist es der höheren Verfügbarkeit und der Sicherheit der Datenübertragung halber sinnvoll, das Bussystem2 redundant auszulegen. - Für eine eventuell gewünschte zusätzliche Vorortbedienung können sogenannte UltraThinClients
5a und5b Verwendung finden, die über keine eigene Intelligenz verfügen, sondern nur die Eingaben des Bedieners in Bustelegramme umwandeln und die ankommenden Telegramme wie Anzeigeinformationen (z.B. die Pixeldaten für den Monitor) entgegennehmen. Mit Hilfe eines eventuell zusätzlich vorhandenen Terminals10 , der von den Maschinen3a und3b und dem Rechner1 örtlich entfernt stehen kann und im wesentlichen ebenfalls in Form eines UltraThinClient5a oder5b ausgeführt sein kann, können Prozessdaten visualisiert und verändert werden bzw. auf Daten und Programme im Rechner1 zugegriffen werden. - In dem in
1 gezeigten Blockschaltbild wird beispielhaft von zwei Maschinen3a und3b und einem Rechner1 ausgegangen. Prinzipiell sind jedoch Ausführungsformen mit beliebig vielen Maschinen denkbar. Sollte die Rechenleistung eines einzelnen Rechners1 nicht ausreichend sein, so können auch mehrere Rechner zur Steuerung der Maschinen an das Bussystem2 angeschlossen werden, auf denen parallelprozessig die Abarbeitung der Steuerungsfunktionen erfolgt. - In einem Blockschaltbild gemäß
2 ist die Softwarestruktur des Rechners1 dargestellt. In2 ist dabei beispielhaft eine Ausführungsform für zwei Maschinen3a und3b und einem Rechner1 gemäß1 dargestellt. Dieser wird von einem Betriebssystem9 verwaltet. Für jede Maschine3a und3b existiert in der Software ein der jeweiligen Maschine zugeordneter HMI-Server (Human Maschine Interface-Server)6a bzw.6b , ein Steuerungsfunktionsprogramm7a bzw.7b und ein Werkstückprogramm8a bzw.8b . Entsprechend dem in2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der HMI-Server6a , das Steuerungsfunktionsprogramm7a und das Werkstückprogramm8a der in1 gezeigten Maschine3a zugeordnet. Der HMI-Server6b , das Steuerungsfunktionsprogramm7b und das Werkstückprogramm8b ist der in1 gezeigten Maschine3b zugeordnet. Ein Prozesssteuerungsprogramm11 übernimmt die Steuerung eines übergeordneten Gesamtprozesses zwischen den Maschinen3a und3b . Der HMI-Server6a bzw.6b hat dabei die Aufgabe den ihm jeweilig zugeordneten auf der Maschine3a bzw.3b gemäß1 befindlichen UltraThinClient5a bzw.5b zu verwalten und zu steuern. Die Steuerung bzw. Regelung von z.B. NC/PLC (Numerical Control/Programmable Logic Control) geführten Achsenbewegungen der Maschine3a bzw.3b werden für jede Maschine separat in den entsprechenden zugeordneten Steuerungsfunktionsprogrammen7a bzw.7b durchgeführt. - Jeder Maschine
3a bzw.3b ist ein Werkstückprogramm inklusive zugehöriger Daten (z.B. Werkzeugkorrekturdaten, Geometrie des Werkzeugs etc.) zugeordnet. Entsprechend ist der Maschine3a das Werkstückprogramm8a und der Maschine3b das Werkstückprogramm8b zugeordnet. Das Werkstückprogramm8a berechnet z.B. ausgangsseitig die Sollachsenpositionen der Maschinen achsen, welche eingangsseitig vom Steuerungsfunktionsprogramm7a eingelesen werden. Entsprechendes geschieht zwischen dem Werkstückprogramm8b und dem Steuerungsfunktionsprogramm7b . - Innerhalb einer solchen zentralen Steuerungs- und Automatisierungsvorrichtung mit dezentralen E/A-Einheiten sinkt der Anteil der Automatisierungstechnik innerhalb einer Maschine beträchtlich. Infolge können z.B., in der unmittelbaren Umgebung der Maschinen aufgestellte, sogenannte Vor-Ort-Schaltschränke durch kleinere ersetzt werden oder ganz entfallen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass bei der Automatisierungs- und Steuerungsvorrichtung, die Antriebskomponenten der Maschine prinzipiell dezentral anordnet werden können während die erforderlichen elektrischen Einspeisemodule für die Antriebskomponenten mehrerer Maschinen zu einer zentralen elektrischen Einspeisevorrichtung zusammenfasst werden können. Anstelle der heute üblichen Versorgung der Maschinen mit dreiphasigem Wechselstrom, wird die sogenannte Zwischenkreisspannung (typisch 600V Gleichstrom), die normalerweise in jeder Maschine aus dem Wechselstrom zur Energieversorgung der Antriebskomponenten gebildet wird, zu den Maschinen von der zentralen Einspeisevorrichtung direkt verlegt. Ein Zusatznutzen ergibt sich dabei dadurch, dass die Energie, die beispielsweise an einer Maschine durch Abbremsen einer Spindel frei wird, über einen elektrischen Umrichter direkt zum Betrieb der anderen Maschinen genutzt werden kann.
- Das Bussystem
2 muss nicht notwendigerweise drahtgebunden sein, sondern kann als Funknetz ausgebildet sein, wobei dazu jedoch hohe Sicherheitsanforderungen an ein solches Netz zu stellen sind, wie diese durch Übertragungsverfahren gemäß derDE 199 20 299 gewährleistet sind.
Claims (9)
- Vorrichtung zur Automatisierung und/oder Steuerung von Werkzeug- oder Produktionsmaschinen, wobei mindestens ein von mindestens einer Maschine (
3a ,3b ) örtlich entfernter Rechner (1 ) über mindestens ein Bussystem (2 ) mit jeder Maschine (3a ,3b ) zum uni- oder bidirektionalen Daten- und Steuerverkehr miteinander verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steuerungsfunktionen der Maschine (3a ,3b ) in den mindestens einen örtlich entfernten Rechner (1 ) integrierbar sind, der als Handbediengerät (HBG) mit integrierter Steuerungsfunktionalität ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem (
2 ) redundant und sicher ausführbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bussystem (
2 ) ein Ethernet Bussystem verwendbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem (
2 ) einen sicheren Funkweg beinhaltet. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Rechner (
1 ) ein Personal Computer oder eine Workstation verwendbar ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeweils einem Rechner (
1 ) die Steuerungsfunktionen mehrerer Maschinen (3a ,3b ) parallelprozessig abarbeitbar sind. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab arbeitung der Steuerungsfunktionen auf mehrere Rechner (
1 ) verteilbar ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (
3a ,3b ) mit einem UltraThinClient (5a ,5b ) ohne eigene Intelligenz versehbar ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieversorgung der Maschinen (
3a ,3b ) eine zentrale elektrische Einspeisevorrichtung vorsehbar ist.
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