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DE102021120239B4 - Distributor for cylinder control with preprocessing logic - Google Patents

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DE102021120239B4
DE102021120239B4 DE102021120239.6A DE102021120239A DE102021120239B4 DE 102021120239 B4 DE102021120239 B4 DE 102021120239B4 DE 102021120239 A DE102021120239 A DE 102021120239A DE 102021120239 B4 DE102021120239 B4 DE 102021120239B4
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Rafael Smidecki
Lutz Dennig
Christoph Stratmann
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IFM Electronic GmbH
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Abstract

Es wird ein intelligenter Verteiler 1 zur automatischen Einbindung mehrerer Zylinder 2 in ein Automatisierungssystem bereitgestellt, mit mehreren Anschluss-Ports APn, APn+1, die zur Energie- und Signalübertragung zum Anschluss von Sensoren 5 und/oder Aktoren 6 ausgebildet sind. Der Verteiler 1 weist weiter einen Energieanschluss 10 zur Stromaufnahme, eine Schnittstelle 11 zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuerung 20, sowie ein Anzeigeelement 20 je Anschluss-Port APn, APn+1 auf, wobei in den Verteiler 1 eine vorverarbeitende Logik 15 integriert ist und der Verteiler 1 einen Modus aufweist, der initial bei Anschluss eines Gerätes 5, 6 aktiviert wird, der Modus die Aktorik 6 und Sensorik 5 eines Zylinders 2 durch die Anbindung der jeweiligen Anschlussleitung an den Verteiler 1 automatisch bestimmt, plausibilisiert und einander zuordnet. Weiter wird über die Logik 15 das Aussenden und Empfangen spezifischer Hilfsströme über die Anschluss-Ports APn, APn+1 veranlasst und weiter werden diese Hilfsströme über die Logik 15 im Verteiler 1 ausgewertet. Dabei ist die Logik 15 derart ausgebildet, dass der Verteiler 1 durch entsprechende Kombinatorik einen Steuerventiltyp und/oder einen Zylindertyp ermitteln und einem entsprechenden Anschluss-Port APn, APn+1 automatisch zugordnet. Weiter kann die Logik 15 des Verteilers 1 über ein Soll-Ist-Vergleich und/oder über eine Zeitspanne eine Diagnose anstoßen und entsprechende Fehlercodes direkt am Verteiler 1 über ein Anzeigeelement 30 am jeweiligen Anschluss-Port APn, APn+1 anzeigt und an eine übergeordnete Steuerung 20 übermittelt, wobei die Logik 15 des Verteilers zudem automatisch erkennt, welche Ansteuerung zu welcher Endlage des Zylinders 2 führt.An intelligent distributor 1 is provided for the automatic integration of several cylinders 2 into an automation system, with several connection ports APn, APn+1, which are designed for energy and signal transmission for connecting sensors 5 and/or actuators 6. The distributor 1 also has a power connection 10 for power consumption, an interface 11 for communication with a higher-level controller 20, and a display element 20 for each connection port APn, APn+1, wherein a pre-processing logic 15 is integrated into the distributor 1 and the distributor 1 has a mode that is initially activated when a device 5, 6 is connected, the mode automatically determines, checks the plausibility of and assigns the actuators 6 and sensors 5 of a cylinder 2 by connecting the respective connection line to the distributor 1. Furthermore, the logic 15 initiates the sending and receiving of specific auxiliary currents via the connection ports APn, APn+1 and these auxiliary currents are further evaluated via the logic 15 in the distributor 1. The logic 15 is designed in such a way that the distributor 1 can determine a control valve type and/or a cylinder type using appropriate combinatorics and automatically assign it to a corresponding connection port APn, APn+1. Furthermore, the logic 15 of the distributor 1 can initiate a diagnosis via a target-actual comparison and/or over a period of time and display corresponding error codes directly on the distributor 1 via a display element 30 on the respective connection port APn, APn+1 and transmit them to a higher-level controller 20, whereby the logic 15 of the distributor also automatically recognizes which control leads to which end position of the cylinder 2.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verteiler-Modul zur automatischen Einbindung mehrerer Zylinder in ein Automatisierungssystem nach Anspruch 1.The invention relates to a distributor module for the automatic integration of several cylinders into an automation system according to claim 1.

Zur Steuerung von Automatisierungsprozessen werden in der Automatisierungsindustrie Feldgeräte, d.h. die Aktorik und/oder die Sensorik eines Prozesses häufig nicht einzeln an eine zentrale Steuereinheit, sondern gebündelt über einen Vorverteiler an die Steuerung angeschlossen. Damit wird der Verdrahtungsaufwand geringgehalten. Der Verteiler liefert Energie und bündelt alle ein- und ausgehende Signale. Die Steuerung nimmt dabei vorwiegend Steuer- und Sicherheitsprozesse war. Aufgrund der Vielzahl an einer Steuerung angeschlossener Geräte ist die Komplexität und der Programmieraufwand häufig sehr hoch. Ein Prozess besteht immer aus mehreren einzelnen Prozessschritten und wird durch die Reihenfolge und die zeitliche Abfolge dieser Schritte zueinander definiert.To control automation processes in the automation industry, field devices, i.e. the actuators and/or sensors of a process, are often not connected individually to a central control unit, but bundled to the controller via a pre-distribution board. This keeps the wiring effort to a minimum. The distributor supplies energy and bundles all incoming and outgoing signals. The controller mainly handles control and safety processes. Due to the large number of devices connected to a controller, the complexity and programming effort is often very high. A process always consists of several individual process steps and is defined by the order and chronological sequence of these steps in relation to one another.

Heutige Sensoren und/oder Aktoren überwachen einen Prozessschritt nicht nur binär, sondern erfassen kontinuierlich Daten. Mit einer entsprechenden Aufbereitung lassen sich durch Analyse und Zusammenführung der Daten zusätzliche Information über den Prozess gewinnen, die in Diagnose-Information umgewandelt werden kann und Aufschluss über den einzelnen Prozessschritt und/oder die Systemgesundheit eines Prozesses liefert.Today's sensors and/or actuators do not just monitor a process step in binary form, but also record data continuously. With appropriate processing, additional information about the process can be obtained by analyzing and combining the data, which can be converted into diagnostic information and provides information about the individual process step and/or the system health of a process.

Allerdings findet diese Art der Information noch viel zu selten den Weg in eine übergeordnete Steuerungs-Instanz.However, this type of information still far too rarely finds its way into a higher-level control authority.

Aus der DE 102012112427 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts für die Automatisierungstechnik bekannt, mit dem Betriebssoftware bei Inbetriebnahme des Feldgeräts in eine übergeordnete Recheneinheit übertragen wird. Allerdings kann eine solche Übertragung von Software fehlerbehaftet sein. Insgesamt wird das Verfahren als zu aufwändig angesehen.From the DE 102012112427 A1 A method for operating a field device for automation technology is known, with which operating software is transferred to a higher-level processing unit when the field device is put into operation. However, such a transfer of software can be error-prone. Overall, the method is considered to be too complex.

Ferner ist aus der DE 102021127384 A1 ein verteiltes Prozesssteuerungssystem zur Steuerung eines industriellen Prozesses bekannt, welches mittels Datenübermittlung erlaubt einen Prozess zu steuern.Furthermore, the DE 102021127384 A1 A distributed process control system for controlling an industrial process is known, which allows a process to be controlled by means of data transmission.

Aus der DE 102013107964 A1 ist eine Messanordnung bekannt, die mit einer übergeordneten Datenverarbeitungseinrichtung drahtlos über eine Funkverbindung in Verbindung steht. Funkverbindungen sind störanfällig.From the EN 102013107964 A1 A measuring arrangement is known that is connected wirelessly to a higher-level data processing device via a radio link. Radio links are susceptible to interference.

Aus der EP 3612900 B1 ist ein Verfahren zur Anlagenüberwachung bekannt, wobei mehrere Kommunikationsnetzwerke in Verbindung zueinander stehen, was aufwändig und fehleranfällig ist.From the EP3612900B1 A method for plant monitoring is known in which several communication networks are connected to each other, which is complex and error-prone.

Ein dezentraler Verteiler, welcher gezielt nach dem Prinzip „Plug & Play“, anschließen und loslegen, automatisch von den angeschlossenen Feldgeräten Daten erfasst, diese Daten verknüpft und zur Analyse der Systemgesundheit des Prozesses in Diagnose-Information umwandelt, ist nicht bekannt.A decentralized distributor that uses the “plug & play” principle to automatically collect data from the connected field devices, link this data and convert it into diagnostic information for analyzing the system health of the process is not known.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen und ein weniger aufwendiges und zugleich anwenderfreundliches Verteiler-Modul zur Zylinder-Analyse und -Ansteuerung bereitzustellen.
Mit dem Verteiler wird die Komplexität der Datenzuordnung- und/oder Aufbereitung in einer zentralen Steuerung vermindert, indem der Verteiler relevante Daten bündelt, Steuersignale automatisch über eine vorverarbeitende Intelligenz zuordnet und die analysierten, vorverarbeiteten Daten an eine übergeordnete Steuerungs-Instanz übermittelt.
An object of the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages and to provide a less complex and at the same time user-friendly distributor module for cylinder analysis and control.
The distributor reduces the complexity of data assignment and/or processing in a central control system by bundling relevant data, automatically assigning control signals via pre-processing intelligence and transmitting the analyzed, pre-processed data to a higher-level control instance.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims.

Es wird ein intelligenter Verteiler zur automatischen Einbindung und Erfassung mehrerer Zylinder in ein Automatisierungssystem bereitgestellt, mit mehreren Anschluss-Ports, die zur Energie- und Signalübertragung zum Anschluss von Sensoren und/oder Aktoren ausgebildet sind.An intelligent distributor is provided for the automatic integration and detection of several cylinders in an automation system, with several connection ports designed for energy and signal transmission for connecting sensors and/or actuators.

Weiter weist der Verteiler einen Energieanschluss zur Stromaufnahme, eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuerung, sowie ein Anzeigeelement je Anschluss-Port auf.The distributor also has a power connection for power consumption, an interface for communication with a higher-level control system, and a display element for each connection port.

Weiter ist in den Verteiler eine vorverarbeitende Logik integriert und der Verteiler weist einen Modus auf, der initial bei Anschluss eines Feldgerätes aktiviert wird. Furthermore, a pre-processing logic is integrated into the distributor and the distributor has a mode that is initially activated when a field device is connected.

Besonders vorteilhaft ist, dass für die erfindungsgemäße Funktion die Feldgeräte nicht speziell als IO-Link-Geräte ausgeführt sein müssen, da die Initialisierung nicht über IO-Link erfolgt. Erfindungsgemäß können daher auch Feldgeräte ohne IO-Link-Funktionalität eingesetzt werden.It is particularly advantageous that the field devices do not have to be specifically designed as IO-Link devices for the function according to the invention, since initialization does not take place via IO-Link. According to the invention, field devices without IO-Link functionality can therefore also be used.

Sofern der Modus durch Anschluss eines Feldgerätes aktiviert ist, bestimmt der Modus durch Hilfsströme automatisch die Aktorik und Sensorik eines Zylinders, plausibilisiert diese und ordnet diese den Prozessschritten zu.If the mode is activated by connecting a field device, the mode automatically determines the actuators and sensors of a cylinder using auxiliary currents, checks their plausibility and assigns them to the process steps.

Weiter wird über die Logik in einem ersten Schritt das Aussenden und Empfangen spezifischer Hilfsströme über die Anschluss-Ports veranlasst. Hierbei ist vorgesehen, dass diese Hilfsströme in einem zweiten Schritt über die Logik im Verteiler ausgewertet werden.In a first step, the logic initiates the sending and receiving of specific auxiliary currents via the connection ports. It is intended that these auxiliary currents are evaluated in a second step via the logic in the distributor.

Die Logik ist hierbei derart ausgebildet, dass der Verteiler durch entsprechende Kombinatorik einen Steuerventiltyp und/oder einen Zylindertyp eindeutig ermittelt, und einem entsprechenden Anschluss-Port automatisch zuordnet. Als Steuerventiltyp ist ein 3/2-Wegeventil oder 5/3-Wegeventil und die Unterscheidung von Beiden gemeint. Weiter ist als Zylindertyp die Wirkweise und die Unterscheidung zwischen bidirektional angetrieben oder federrückstellend gemeint.The logic is designed in such a way that the distributor uses appropriate combinations to clearly determine a control valve type and/or a cylinder type and automatically assigns it to a corresponding connection port. The control valve type refers to a 3/2-way valve or 5/3-way valve and the distinction between the two. The cylinder type also refers to the mode of operation and the distinction between bidirectionally driven or spring-returning.

Weiter kann die Logik des Verteilers über ein Soll-Ist-Vergleich und/oder über eine Zeitspanne eine Diagnose anstoßen und entsprechende Fehlercodes direkt am Verteiler über ein Anzeigeelement am jeweiligen Anschluss-Port anzeigen und an eine übergeordnete Steuerung übermitteln, wobei die Logik des Verteilers zudem automatisch erkennt, welche Ansteuerung zu welcher Endlage des Zylinders führt.Furthermore, the logic of the distributor can initiate a diagnosis via a target-actual comparison and/or over a period of time and display corresponding error codes directly on the distributor via a display element on the respective connection port and transmit them to a higher-level control system, whereby the logic of the distributor also automatically recognizes which control leads to which end position of the cylinder.

Die Lösung besteht aus einem dezentralen Verteiler-Modul, an das die Aktorik und die Sensorik eines zylindergesteuerten Automatisierungsprozesses angeschlossen wird. Dabei ist der Verteiler für die Ansteuerung und für die Überwachung von einem oder von mehreren unabhängig voneinander wirkenden Zylindern eines Prozesses geeignet.The solution consists of a decentralized distributor module to which the actuators and sensors of a cylinder-controlled automation process are connected. The distributor is suitable for controlling and monitoring one or more independently operating cylinders of a process.

An den Verteiler können sowohl Pneumatik- als auch Hydraulikzylinder oder eine Kombination von beiden Energieformen angeschlossen werden. In besonders vorteilhafter Weise können Zylinder beider Energieformen auch parallel an einem Verteiler angeschlossen sein und über diesen zusammen betrieben werden.Both pneumatic and hydraulic cylinders or a combination of both energy forms can be connected to the distributor. In a particularly advantageous manner, cylinders of both energy forms can also be connected in parallel to a distributor and operated together via this.

Im Verteiler werden an den Eingängen eingehende Daten und Signale gesammelt, gebündelt und den Ausgängen entsprechend zugeordnet. Die Kommunikation zu einer höheren Instanz erfolgt direkt mit nur einer Verbindungsleitung.In the distributor, incoming data and signals are collected at the inputs, bundled and assigned to the outputs accordingly. Communication to a higher instance takes place directly with just one connection line.

Zudem ist es vorgesehen, dass der Verteiler aufgrund seiner Dichtigkeit in die Prozessumgebung in unmittelbarer Nähe zum Prozess platziert werden kann. Dies führt zu kurzen Anschlussleitungen zum Verteiler. Insbesondere wenn mehrere Zylinder angeschlossen werden, verringert sich der Verkabelungsaufwand zur zentralen Steuerung und reduziert die dort sonst benötigte Anzahl an IO-Module.In addition, it is intended that the distributor can be placed in the immediate vicinity of the process due to its tightness in the process environment. This results in short connection lines to the distributor. In particular, if several cylinders are connected, the cabling effort to the central control is reduced and the number of IO modules that would otherwise be required there is reduced.

Insgesamt können mit dieser Lösung kleinere Kabelschächte verwendet werden. Die Verkabelung reduziert sich auf das Anstecken der Aktorik und/oder der Sensorik des Prozesses in einen Anschluss-Port des Verteilers. Dabei ist eine Programmierung der Schnittstelle nicht nötig, da die angeschlossenen Komponenten automatisch erkannt und miteinander verknüpft werden. Der hier sonst übliche Programmieraufwand von Schnittstellen entfällt mit dem erfindungsgemäßen Verteiler-Modul komplett.Overall, smaller cable ducts can be used with this solution. The cabling is reduced to plugging the actuators and/or sensors of the process into a connection port of the distributor. Programming the interface is not necessary, as the connected components are automatically recognized and linked together. The usual programming effort for interfaces is completely eliminated with the distributor module according to the invention.

In vorteilhafter Weise kann der Verteiler anhand des Betriebsstromes, den das sensorische Element aufnimmt, erkennen, ob ein sensorisches Element angeschlossen ist.Advantageously, the distributor can detect whether a sensory element is connected based on the operating current consumed by the sensory element.

Weiter kann der Verteiler anhand eines Prüfstroms erkennen, ob ein entsprechendes Ventil angeschlossen ist. Der Prüfstrom ist dabei jedoch sehr viel kleiner, als dass das Ventil geschaltet werden könnte. Weiter kann über diese Hilfsströme erkannt werden, welche Ventile und/oder welches sensorische Element zur automatischen Zuordnung angesteuert und ausgelesen werden kann. Weiter kann über diese Hilfsströme im Normalbetrieb erkannt werden, ob das sensorische Element oder das Ventil vom Verteiler getrennt wurde. Damit sind Fehlerfälle, wie z.B. Beschädigungen durch Kabelbruch, ein Wackelkontakt oder eine absichtliche Trennung, etc. erfassbar. In diesem Fall kann der Verteiler eine Fehlermeldung zu einer an die zentrale Steuerung angebundenen übergeordneten Steuerungs-Instanz übermitteln. Durch die genaue Angabe des Fehlers, bspw. „Kabelbruch an Zylinder xx“, „Sensor yy“, „Ventil zz“, kann der Defekt genau eingegrenzt werden. Der Fehler ist dadurch schnell ersichtlich und kann schnell behoben werden.The distributor can also use a test current to detect whether a corresponding valve is connected. However, the test current is much smaller than the valve could be switched. These auxiliary currents can also be used to detect which valves and/or which sensory element can be controlled and read out for automatic assignment. These auxiliary currents can also be used to detect during normal operation whether the sensory element or valve has been disconnected from the distributor. This makes it possible to detect errors such as damage caused by a broken cable, a loose connection or an intentional disconnection, etc. In this case, the distributor can transmit an error message to a higher-level control instance connected to the central control system. By specifying the exact error, e.g. "cable break on cylinder xx", "sensor yy", "valve zz", the defect can be precisely identified. The error can therefore be quickly identified and rectified.

Weiter kann der Verteiler Steuersignale automatisch den Endlagen eines Zylinders zuordnen. Durch Betätigen eines Steuerventils erkennt der Verteiler automatisch, welche Ansteuerung zu welcher Endlage führt.The distributor can also automatically assign control signals to the end positions of a cylinder. By operating a control valve, the distributor automatically recognizes which control leads to which end position.

In besonders vorteilhafter Weise erkennt der Verteiler automatisch den angeschlossenen Steuerventiltyp und/oder Zylindertyp und kann so eine eindeutige Zuordnung vornehmen. Als Steuerventiltyp ist ein 3/2-Wegeventil oder 5/3-Wegeventil und die Unterscheidung von Beiden gemeint. Weiter ist als Zylindertyp die Wirkweise und die Unterscheidung zwischen bidirektional angetrieben oder federrückstellend gemeint. Dabei erkennt der Verteiler je nach Steuerventil-Typ auch Kombinationen aus beiden Ausgängen.In a particularly advantageous way, the distributor automatically recognizes the connected control valve type and/or cylinder type and can thus make a clear assignment. The control valve type means a 3/2-way valve or 5/3-way valve and the distinction between the two. The cylinder type also means the mode of operation and the distinction between bidirectionally driven or spring-returning. Depending on the control valve type, the distributor also recognizes combinations of both outputs.

Weiter kann durch die so ermittelten Zuordnungen die Zylinderart als auch die Ansteuerungsweise erfasst werden. Die sich im System des Automatisierungsprozesses befindlichen Zylinder als auch die Ventile zur Ansteuerung der Zylinder werden eindeutig und automatisch durch das Steuermodul erfasst und auf die Komponenten zugewiesen. Durch die so ermittelten Zuordnungen muss die zentrale Steuerung dem Steuermodul nur mitteilen, in welcher Lage sich der Zylinder befinden soll, bspw. ob sich der Zylinder in der ersten Endlage oder in der zweiten Endlage befinden soll.Furthermore, the cylinder type and the control method can be recorded using the assignments determined in this way. The cylinders in the car's system The cylinders in the automation process and the valves for controlling the cylinders are clearly and automatically recorded by the control module and assigned to the components. Using the assignments determined in this way, the central control only needs to tell the control module in which position the cylinder should be, e.g. whether the cylinder should be in the first end position or the second end position.

Weiter kann in den vorgenannten Modis die Zeit ermittelt werden, welche der entsprechende Zylinder von der ersten in die zweite Endlage und zurück benötigt.Furthermore, in the aforementioned modes, the time required for the corresponding cylinder to move from the first to the second end position and back can be determined.

Ebenso kann bei einer Änderung der gewünschten Endlage über das Steuermodul die Zeitspanne erfasst werden, bis die Änderung erreicht ist. Start der Zeitmessung ist das Schalten eines Steuerventils. Stopp der Zeitmessung ist, wenn die gewünschte Endlage erreicht ist. Die gewünschte Endlage teilt die zentrale Steuerung dem Verteiler z.B. über den PDout mit. Der Verteiler schaltet entsprechend die Steuerventile. In einem Erkennungsmodus wird die Zeitspanne von Schalten eines Steuerventils bis zum Erreichen einer voreingestellten Endlage ermittelt. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten.Likewise, if the desired end position is changed, the control module can record the time until the change is reached. The time measurement starts when a control valve is switched. The time measurement stops when the desired end position is reached. The central control communicates the desired end position to the distributor, e.g. via the PDout. The distributor switches the control valves accordingly. In a detection mode, the time period from switching a control valve to reaching a preset end position is determined. There are two ways to do this.

Autosetup: der Verteiler steuert selbstständig alles an, was geschlossen ist und erkennt, welche Endlage mit welchem Steuerventil erreicht werden kann. Bei diesen Bewegungen werden ebenfalls Referenzzeiten aufgenommen und einzelnen Prozessschritten zugeordnet.Autosetup: the distributor automatically controls everything that is closed and recognizes which end position can be reached with which control valve. Reference times are also recorded for these movements and assigned to individual process steps.

PLC-Teach: ähnlich zu Autosetup A, mit dem Unterschied, dass das Steuersignal nicht vom Verteiler, sondern vom der zentralen Steuerung selbst ausgelöst wird und über den Verteiler durchgeschleift wird. Insbesondere bei komplexen Anlagen, bei denen mehrere Aktoren ineinandergreifen ist dieses Teach-Verfahren vorteilhaft. Zudem kann es im Produktionsbetreib, und somit unter Normallast ausgeführt werden. Weicht die Zeitspanne von der im Erkennungsmodus ermittelten Zeitspanne mehr als eine einstellbare Toleranz ab, dann kann auf bestimmte Fehler, bspw. der Verlust von Hilfsenergie (Druckluft, Hydraulikdruck), Blockage, fehlende Last, Verschleiß, etc., geschlossen werden. Diese Fehlermeldungen werden an die zentrale Steuerung weitergegeben.PLC-Teach: similar to Autosetup A, with the difference that the control signal is not triggered by the distributor, but by the central control itself and is looped through the distributor. This teaching method is particularly advantageous for complex systems in which several actuators interact with one another. It can also be carried out during production and therefore under normal load. If the time period deviates from the time period determined in detection mode by more than an adjustable tolerance, then certain errors can be inferred, e.g. loss of auxiliary energy (compressed air, hydraulic pressure), blockage, lack of load, wear, etc. These error messages are passed on to the central control.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

  • 1 ein erfindungsgemäßer Verteiler in zwei Ansichten;
  • 2 ein direkt an eine zentrale Steuerung angeschlossener Zylinder;
  • 3 ein schematischer Aufbau zur Einbindung mehrere Zylinder in ein Automatisierungssystem mittels einem erfindungsgemäßen Verteiler.
They show schematically:
  • 1 a distributor according to the invention in two views;
  • 2 a cylinder directly connected to a central control system;
  • 3 a schematic structure for integrating several cylinders into an automation system by means of a distributor according to the invention.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference numerals designate like or comparable components.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Verteiler 1 in Draufsicht und Seitenansicht mit Maßangaben in Millimetern. Der Verteiler 1 weist mehrere Anschluss-Ports APn, APn+1, einen Energieanschluss 10 zur Stromaufnahme, eine Schnittstelle 11 zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuerung, sowie ein jedem Anschluss zugeordnetes Anzeigeelement auf. Die Anschluss-Ports APn, APn-1 sind als Schnittstelle zum Anschluss von Sensoren 5 und/oder Aktoren 6 eines mehrere Zylinder 1 umfassenden Zylindersteuerungsprozesses vorgesehen, so dass ein Prozess bestehend aus mehreren Zylindern 2 ganzheitlich an einen Verteiler 1 angeschlossen werden kann. In den Verteiler 1 ist eine vorverarbeitende Logik 15 integriert. Der Verteiler 1 weist einen Modus auf, der initial bei Anschluss eines zylindersteuernden oder zylinderüberwachenden Feldgerätes aktiviert wird. Der Modus sieht eine automatische Erkennung, Plausibilisierung und Zuordnung der angeschlossenen Feldgeräte zu den Prozessschritten vor, so dass sich der Programmieraufwand im Vergleich zu einer herkömmlichen Verdrahtung und Programmierung vereinfacht und die Diagnose gesamtheitlich über den gesamten Zylindersteuerungsprozess hinweg erfolgt. Die Prozessschritte bzw. die Steuerabfolge, die Bewegungsrichtung sowie der Zustand „offen“, „geschlossen“ und/oder „eine Zwischenstellung“ der Zylinder wird dabei automatisch erfasst. 1 shows a distributor 1 according to the invention in a top view and side view with dimensions in millimeters. The distributor 1 has several connection ports APn, APn+1, a power connection 10 for power consumption, an interface 11 for communication with a higher-level control, and a display element assigned to each connection. The connection ports APn, APn-1 are provided as an interface for connecting sensors 5 and/or actuators 6 of a cylinder control process comprising several cylinders 1, so that a process consisting of several cylinders 2 can be connected holistically to a distributor 1. A preprocessing logic 15 is integrated into the distributor 1. The distributor 1 has a mode that is initially activated when a cylinder-controlling or cylinder-monitoring field device is connected. The mode provides for automatic detection, plausibility check and assignment of the connected field devices to the process steps, so that the programming effort is simplified compared to conventional wiring and programming and the diagnosis is carried out holistically across the entire cylinder control process. The process steps or the control sequence, the direction of movement as well as the state “open”, “closed” and/or “an intermediate position” of the cylinder are recorded automatically.

2 zeigt einen Zylinder 2 der nach dem Stand der Technik in bekannter Weise direkt an eine zentrale Steuerung (SPS) 20 angeschlossenen ist. Die zwei Endlagen des Zylinders 2 werden jeweils über Sensoren 5 in den Endlagen überwacht. Gesteuert wird der Zylinder über eine entsprechend angebundene Aktorik 6 direkt durch die zentrale Steuerung 20. 2 shows a cylinder 2 which is connected in a known manner to a central control system (PLC) 20 according to the state of the art. The two end positions of the cylinder 2 are each monitored by sensors 5 in the end positions. The cylinder is controlled directly by the central control system 20 via an appropriately connected actuator 6.

3 zeigt schematisch einen Aufbau zur Einbindung mehrerer Zylinder 2 in ein Automatisierungssystem mittels Verwendung des erfindungsgemäßen Verteilers 1 nach 1. Der gestrichelte Bereich zeigt einen, in Sich geschlossenen Zylindersteuerungs- und/oder Überwachungsprozess bestehend aus mehr als einem Zylinder 2. Der Verteiler 1 überwacht zentral den Prozess, wandelt eingehende Sensor- und Aktor-Signale in Diagnose-Information um, analysiert den Zylindersteuerungsprozess ganzheitlich und liefert der angebundenen zentralen Steuerung 20 ganzheitliche Information über die Systemgesundheit des Prozesses. An den Verteiler 1 ist die zur Zylinderansteuerung und Zylinderüberwachung jeweils notwendige Aktorik 6 und Sensorik 6 über Anschlussleitungen angeschlossen. Alle Zylinderendlagen werden durch Sensoren 5, welche im Bereich der Zylinderendlagen an den Zylindern 2 angebracht sind, überwacht. Zur Betätigung eines Zylinders 2 wird ein zugeordneter Aktor 6, d.h. ein Steuerventil geschalten6, durch welches ein druckübertragendes Medium, bspw. Druckluft oder Hydrauliköl strömt. Der Verteiler 1 kann die Zylinder 2 über die Ventile 6 ansteuern und die sensorisch erfasste Zylinderstellung eines jeden Zylinders 2 über die am Zylinder 2 angebrachte Sensorik 5 auslesen. Im Verteiler 1 finden Informationen über Soll- und Ist-Zuständen zusammen, so dass Abweichungen und Diagnosedaten, bspw. Druckluftverlust, Abnutzung und Verschleiß, fehlende Last, etc. ermittelt und über eine im Verteiler 1 integrierte vorerarbeitenden Logik 15 ausgewertet werden. Der Verteiler 1 ist über eine Direktleitung mit einer zentralen Steuerung 20 verbunden. Die Kommunikation des Verteilers 1 mit der zentralen Steuerung 20 erfolgt über diese Leitung bidirektional. 3 shows schematically a structure for integrating several cylinders 2 into an automation system by using the distributor 1 according to the invention according to 1 . The dashed area shows a self-contained cylinder control and/or monitoring process consisting of more than one cylinder 2. The distributor 1 centrally monitors the process, converts incoming sensor and actuator signals into diagnostic information, analyses the cylinder control process completely uniform and provides the connected central controller 20 with holistic information about the system health of the process. The actuators 6 and sensors 6 required for cylinder control and cylinder monitoring are connected to the distributor 1 via connecting cables. All cylinder end positions are monitored by sensors 5 which are attached to the cylinders 2 in the area of the cylinder end positions. To actuate a cylinder 2, an associated actuator 6, i.e. a control valve, is switched6 through which a pressure-transmitting medium, e.g. compressed air or hydraulic oil, flows. The distributor 1 can control the cylinders 2 via the valves 6 and read out the sensor-detected cylinder position of each cylinder 2 via the sensors 5 attached to the cylinder 2. Information about target and actual states is brought together in the distributor 1 so that deviations and diagnostic data, e.g. compressed air loss, wear and tear, missing load, etc. are determined and evaluated using a pre-processing logic 15 integrated in the distributor 1. The distributor 1 is connected to a central controller 20 via a direct line. The communication between the distributor 1 and the central controller 20 takes place bidirectionally via this line.

3 zeigt beispielhaft einen Prozessaufbau mit vier Zylinder. Selbstverständlich sich auch andere Ausführungen denkbar, welche mehr, oder weniger Zylinder, wenigstens aber zwei Zylinder aufweisen. Nachfolgend werden die Funktionen der Erfindung sowie weitere Ausführungsformen näher erläutert. 3 shows an example of a process structure with four cylinders. Of course, other designs are also conceivable, which have more or fewer cylinders, but at least two cylinders. The functions of the invention and other embodiments are explained in more detail below.

Die Erfindung betrifft ein dezentrales Verteilermodul 1 zur Ansteuerung, und damit zur Betätigung und zur Überwachung von Zylindern 2. Die Zylinder 2 können sowohl Pneumatik- wie auch Hydraulikzylinder sein, oder eine Kombination von beiden.The invention relates to a decentralized distribution module 1 for controlling, and thus for operating and monitoring cylinders 2. The cylinders 2 can be both pneumatic and hydraulic cylinders, or a combination of both.

Ein Zylinder 2, dessen Funktion überwacht wird, hat typischerweise an beiden Enden ein sensorisches Element 5, bspw. einen Zylinderschalter, der das Erreichen einer Endlage des Zylinderkolbens anzeigt.A cylinder 2 whose function is monitored typically has a sensory element 5 at both ends, e.g. a cylinder switch, which indicates when the cylinder piston has reached an end position.

Zur Betätigung des Zylinders 2 wird i.d.R. ein Steuerventil geschalten, durch welches ein druckübertragendes Medium, bspw. Druckluft oder Hydrauliköl strömt.To actuate cylinder 2, a control valve is usually switched through which a pressure-transmitting medium, e.g. compressed air or hydraulic oil, flows.

Der Verteiler 1 kann Zylinder 2 über Pilotventile 6 ansteuern und die sensorisch erfasste Zylinderstellung eines jeden Zylinders 2 auslesen. In den Verteiler 1 finden Informationen über Soll- und Ist-Zuständen zusammen, so dass Abweichungen und Diagnosedaten, bspw. Druckluftverlust, Abnutzung und Verschleiß, fehlende Last, etc. ermittelt und im Verteiler 1 mittels einer vorerarbeitenden Logik 15 ausgewertet werden können.The distributor 1 can control cylinder 2 via pilot valves 6 and read the sensor-detected cylinder position of each cylinder 2. Information about target and actual states is collected in the distributor 1 so that deviations and diagnostic data, e.g. loss of compressed air, wear and tear, lack of load, etc. can be determined and evaluated in the distributor 1 using a pre-processing logic 15.

Vorteilhafterweise kann der Verteiler 1 nicht nur einen, sondern gleich mehrere Zylinder 2 unabhängig voneinander ansteuern und überwachen. Das Verteilermodul 1 stellt pro Zylinder 2 zwei Eingänge für die sensorische Erfassung und zwei Ausgänge zur Betätigung eines Steuerventils 6 zur Verfügung.Advantageously, the distributor 1 can control and monitor not just one but several cylinders 2 independently of one another. The distributor module 1 provides two inputs for sensor detection and two outputs for actuating a control valve 6 per cylinder 2.

Der Verteiler 1 stellt die Energieversorgung und die Kommunikation der über den Verteiler 1 angeschlossenen Geräte 5,6 sicher. Der Verteiler 1 ist an die zentrale Steuerung 20 über eine Kommunikationsschnittstelle mittels einer Direktleitung angebunden und kann auch hierüber mit Energie teilversorgt werden. Zur Betätigung der Steuerventile 6 ist eine gesonderte, zweite Stromversorgung, wie z.B. IO-Link-Master Port B, vorgesehen. Die Kommunikation des Verteilers 1 mit der zentralen Steuerung 20 erfolgt über die Leitung mittels einer Direktverbindung wie bspw. IO-Link oder über ein Bus-System.The distributor 1 ensures the power supply and communication of the devices 5, 6 connected via the distributor 1. The distributor 1 is connected to the central control 20 via a communication interface using a direct line and can also be partially supplied with power via this. A separate, second power supply, such as IO-Link master port B, is provided to operate the control valves 6. The communication between the distributor 1 and the central control 20 takes place via the line using a direct connection such as IO-Link or via a bus system.

Durch eine getrennte, gesonderte Stromversorgung kann die Aktorik 6 in vorteilhafter Weise z.B. durch Not-Abschaltung der zweiten Stromversorgung in einen definierten, sicheren Zustand wechseln. Zylinderantriebe werden in der Regel so eingebaut, dass bei Stromverlust der Aktorik 6 die Federrückstellung eines Zylinders 2 oder eines Steuerventils 6 den Antrieb in einen definierten Zustand bringt. Die an das Steuermodul d.h. an den Verteiler 1 angebundene Sensorik 5 sowie die Datenanalyse und Diagnostik ist von dieser Not-Abschaltung - stromloser Zustand - nicht betroffen. Daher kann die Diagnose der angebundenen Sensorik 5 in dieser Situation weiter betrieben werden. Somit können auch im sicheren, stromlosen Zustand entsprechende Fehlerzustände detektieren und unbeschränkt an die zentrale Steuerung 20 übermittelt werden.By means of a separate, dedicated power supply, the actuators 6 can advantageously switch to a defined, safe state, e.g. by emergency shutdown of the second power supply. Cylinder drives are generally installed in such a way that if the actuators 6 lose power, the spring return of a cylinder 2 or a control valve 6 brings the drive into a defined state. The sensors 5 connected to the control module, i.e. to the distributor 1, as well as the data analysis and diagnostics are not affected by this emergency shutdown - power-free state. The diagnosis of the connected sensors 5 can therefore continue in this situation. This means that even in the safe, power-free state, corresponding error states can be detected and transmitted without restriction to the central control 20.

Weitere Vorteile der Erfindung sind:Further advantages of the invention are:

a. Funktions- und Verkabelungserkennunga. Function and wiring detection

Der Verteiler 1 erkennt die an den Verteiler 1 angeschlossene Aktorik 6 und Sensorik 5 mittels Hilfsströme. Durch die Hilfsströme ist bekannt ob Aktorik 5 oder Sensorik 6 angeschlossen ist. Durch die Bewegung kann der Verteiler 1 eine automatische Zuordnung von zusammenhängenden Signalen vornehmen, z.B. einen Sensor 5 einem entsprechenden Steuerventil 6 zuordnen.The distributor 1 detects the actuator 6 and sensor 5 connected to the distributor 1 using auxiliary currents. The auxiliary currents indicate whether actuator 5 or sensor 6 is connected. The movement enables the distributor 1 to automatically assign related signals, e.g. assign a sensor 5 to a corresponding control valve 6.

Beim Anschluss der Aktorik 5 und Sensorik 6 kann durch eine plausibilitätsgeprüfte Zuordnung keine Verwechslung zwischen den beiden Sensor-Eingängen bzw. zwischen den beiden Aktor-Ausgängen vorkommen. Die Zuordnung läuft automatisch im Verteiler 1 ab.When connecting the actuators 5 and sensors 6, a plausibility-checked assignment prevents confusion between the two sensor inputs or between the two actuator outputs. The assignment takes place automatically in distribution list 1.

Weiter vorteilhaft ist, dass bei der Planung oder Programmierung der zentralen Steuerung nicht mehr zwischen 3/2-Wegeventil und 5/3-Wegeventil unterschieden werden muss, da der Verteiler durch entsprechende Kombinatorik den entsprechenden Steuerventiltyp (3/2-Wegeventil oder 5/3-Wegeventil) automatisch ermitteln und erkennen kann. Der Programmierer muss also nur zwischen der ersten Endlage und der zweiten Endlage unterscheiden und kann die zwischengeschaltete Logik bzw. die Verkabelung außer Acht lassen.Another advantage is that when planning or programming the central control system, it is no longer necessary to distinguish between 3/2-way valves and 5/3-way valves, as the distributor can automatically determine and recognize the corresponding control valve type (3/2-way valve or 5/3-way valve) using appropriate combinations. The programmer therefore only has to distinguish between the first end position and the second end position and can ignore the intermediate logic or wiring.

b. Kabelbrucherkennungb. Cable break detection

Mit der Überwachung von Betriebs- und Hilfsströmen erkennt der Verteiler 1, ob ein Kabel zu den Sensoren 5 und Steuerventilen 6 lose, gebrochen oder aufgetrennt ist. Das ermöglicht eine genaue Diagnose und schnellere Fehlerangabe bzw. trägt zur schnelleren Fehlernachverfolgung und -behebung bei. In Summe kann mithilfe dieser Abfrage die Stillstandszeit der Anlage im Fehlerfall reduziert werden.By monitoring operating and auxiliary currents, the distributor 1 detects whether a cable to the sensors 5 and control valves 6 is loose, broken or disconnected. This enables precise diagnosis and faster fault indication and contributes to faster fault tracking and rectification. In summary, this query can be used to reduce the downtime of the system in the event of a fault.

c. Diagnosec. Diagnosis

Alle erfasste Information sowie die Soll- und Ist-Werte laufen am Verteiler 1 dezentral zusammen. Diese Information ermöglicht es dem Verteiler 1 eine detaillierte Diagnose über den Zustand und die Funktionalität jedes einzelnen Zylinder 2 zu erstellen und weiter, diese spezifische Zylinderinformation in eine übergeordnete Diagnose zu überführen, so dass eine gesamtheitliche Diagnoseinformation über alle an den Verteiler 1 angeschlossenen Feldgeräte über den zu überwachenden Zylindersteuerungsprozess vorliegt. Insbesondere können fehlende Hilfsenergie, bspw. Druckluft oder Hydraulikdruck, Blockage, fehlende Last oder Verschleiß aus einem Wertevergleich diagnostiziert, analysiert und aufbereitet werden.All recorded information as well as the target and actual values are collected decentrally at the distributor 1. This information enables the distributor 1 to create a detailed diagnosis of the status and functionality of each individual cylinder 2 and to transfer this specific cylinder information into a higher-level diagnosis so that comprehensive diagnostic information is available for all field devices connected to the distributor 1 about the cylinder control process to be monitored. In particular, a lack of auxiliary energy, e.g. compressed air or hydraulic pressure, blockage, lack of load or wear can be diagnosed, analyzed and processed from a value comparison.

d. geringer Verkabelungs- und Programmieraufwandd. low cabling and programming effort

Der dezentrale Anschluss von Sensorik 5 und Aktorik 6 an den Verteiler 1 führt zu kürzeren Verbindungsleitungen, kleineren Kabelschächten und zu einer geringeren Anzahl an IO-Modulen an der zentralen Steuerung. So können vier Zylinder 2 mit einem Kabel, statt wie bisher mit sechzehn Kabeln verwaltet werden.The decentralized connection of sensors 5 and actuators 6 to the distributor 1 results in shorter connecting cables, smaller cable ducts and a smaller number of IO modules on the central control system. This means that four cylinders 2 can be managed with one cable instead of the previous sixteen cables.

Durch die automatische Zuordnung über den Verteiler 1 verringert sich der Programmieraufwand im Vergleich zur herkömmlichen Verdrahtung und Programmierung. Mit dem Verteiler 1 wird der Aufbau eines Systems zur Zylinderüberwachung und zur Zylinderansteuerung sehr vereinfacht. Gleichzeitig wird ein weniger aufwändiges Verfahren nach dem Prinzip „Plug & Play“ zur Verfügung gestellt.The automatic assignment via distributor 1 reduces the programming effort compared to conventional wiring and programming. With distributor 1, the construction of a system for cylinder monitoring and cylinder control is made much easier. At the same time, a less complex process based on the "plug & play" principle is provided.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Verteiler, VerteilermodulDistributor, distributor module
22
Zylindercylinder
55
Sensor, SensorikSensor, sensor technology
66
Aktor, Aktorik, VentilActuator, actuators, valve
1010
EnergieanschlussEnergy connection
1111
Schnittstelleinterface
1515
vorverarbeitende Logikpreprocessing logic
2020
zentrale, übergeordnete Steuerungcentral, higher-level control
3030
AnzeigeelementDisplay element
APnAPn
Anschluss, -Port, IO-Link-Anschlussconnection, port, IO-Link connection
APn+1APn+1
weitere Anschlüsse, -Ports, IO-Link-Anschlüsseadditional connections, ports, IO-Link connections

Claims (1)

Verteiler (1) zur automatischen Einbindung mehrerer Zylinder (2) in ein Automatisierungssystem, wobei die Ansteuerung der Zylinder (2) über eine Aktorik (6) und die Überwachung der Zylinder (2) über Sensoren (5) erfolgt, mit mehreren Anschluss-Ports (APn, APn+1), die zur Energie- und Signalübertragung zum Anschluss von Sensoren 5 und/oder Aktoren (6) ausgebildet sind, mit einem Energieanschluss (10) zur Stromaufnahme, mit einer Schnittstelle (11) zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuerung (20), sowie mit einem Anzeigeelement (20) je Anschluss-Port (APn, APn+1), wobei in den Verteiler (1) eine vorverarbeitende Logik (15) integriert ist und der Verteiler (1) einen Modus aufweist, der initial bei Anschluss eines zylindersteuernden oder zylinderüberwachenden Feldgerätes (5, 6) aktiviert wird, der Modus die Aktorik (6) und Sensorik (5) eines Zylinders (2) durch die Anbindung der jeweiligen Anschlussleitung an den Verteiler (1) automatisch bestimmt, plausibilisiert und einander zuordnet, wobei über die Logik (15) das Aussenden und Empfangen spezifischer Hilfsströme über die Anschluss-Ports (APn, APn+1) veranlasst wird und diese Hilfsströme über die Logik (15) im Verteiler (1) ausgewertet werden, wobei die Logik (15) derart ausgebildet ist, dass der Verteiler (1) durch entsprechende Kombinatorik einen Steuerventiltyp und/oder einen Zylindertyp ermittelt und einem entsprechenden Anschluss-Port (APn, Apn+1) automatisch zuordnet, wobei die Logik (15) des Verteilers (1) über ein Soll-Ist-Vergleich und/oder über eine Zeitspanne eine Diagnose anstößt und entsprechende Fehlercodes direkt am Verteiler (1) über ein Anzeigeelement (30) am jeweiligen Anschluss-Port (APn, APn+1) anzeigt und an eine übergeordnete Steuerung (20) übermittelt, wobei die Logik (15) des Verteilers automatisch erkennt, welche Ansteuerung zu welcher Endlage des Zylinders (2) führt.Distributor (1) for the automatic integration of several cylinders (2) into an automation system, wherein the control of the cylinders (2) is carried out via an actuator (6) and the monitoring of the cylinders (2) is carried out via sensors (5), with several connection ports (APn, APn+1) which are designed for energy and signal transmission for connecting sensors 5 and/or actuators (6), with a power connection (10) for current consumption, with an interface (11) for communication with a higher-level control (20), and with a display element (20) for each connection port (APn, APn+1), wherein a pre-processing logic (15) is integrated into the distributor (1) and the distributor (1) has a mode which is initially activated when a cylinder-controlling or cylinder-monitoring field device (5, 6) is connected, the mode automatically determines, checks the plausibility of the actuators (6) and sensors (5) of a cylinder (2) by connecting the respective connection line to the distributor (1). to each other, wherein the logic (15) initiates the sending and receiving of specific auxiliary currents via the connection ports (APn, APn+1) and these auxiliary currents are evaluated via the logic (15) in the distributor (1), wherein the logic (15) is designed such that the distributor (1) determines a control valve type and/or a cylinder type by means of appropriate combinatorics and automatically assigns it to a corresponding connection port (APn, Apn+1), wherein the logic (15) of the distributor (1) uses a target-actual comparison and/or over a period of time to determine a Diagnosis is initiated and corresponding error codes are displayed directly on the distributor (1) via a display element (30) on the respective connection port (APn, APn+1) and transmitted to a higher-level control system (20), whereby the logic (15) of the distributor automatically recognizes which control leads to which end position of the cylinder (2).
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