DE2940857A1 - Schaltungsanordnung fuer eine programmierbare steuerungseinrichtung mit prozessankopplung - Google Patents

Description

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Schaltungsanordnung für eine programmierbare Steuerungseinrichtung mit Prozeßankopplung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine programmierbare Steuerungseinrichtung mit Prozeßankopplung, wobei die programmierbare Steuerungseinrichtung eine Recheneinheit und einen Programmspeicher mit je einem AbMldspeicherteil für Ein-/bzw. Ausgabedaten enthält und über ein Interface und einen Adreßbus sowie einen Ein-/Ausgabe-Datenbus an einer Ein-/Ausgabeeinheit für die Prozeßankopplung angeschlossen ist, unter Zwischenschaltung von galvanischen Entkopplungselementen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere für Werkzeugmaschinensteuerungen anwendbar.

Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen werden in zunehmendem I.iaße von in der Steuerung integrierten Rechnern gesteuert. Dabei wird die in der Prozeßrechentechnik übliche Punktionstrennung zwischen Zentraleinheit und peripheren Eingabe- und Auagabebaugruppen angewendet.

Dies ist vor allem deshalb erforderlich, um die Störbeeinfluaaung von der Zentraleinheit fernzuhalten.

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Werkzeugmaschinen aind starken äußeren elektriachen Störbeeinfluaaungen unterworfen, die eine räumliche Trennung dea Vier kzeugmaac hie nachalt ac hrankea (St arkatromac haltschrank) von dem die Rechnerateuerung enthaltenen Steuerungateilea erfordert. Die Rechnerateuerung mit ihren störempfindlichen Baugruppen, wie dem Schreib-Leae-Speicher, der Recheneinheit und den Daten- und Adreßbualeitungen zur Kopplung der Baugruppen miteinander iat besonders gegen äußere Störbeeinflussungen abzuschirmen.

Ein wesentlicher Paktor für Störungen sind die Ein- und Ausgangsleitungen, die von der Rechnersteuerung zum Werkzeugmaschinenschaltschrank führen. Um die über diese Leitungaverbindungen vom Starkatromachaltachrank eingeachleuaten Störungen fernzuhalten, werden aämtliche Ein- und Auagänge der Rechnersteuerung galvanisch von der übrigen Anlage getrennt, d. h., in jede der Verbindungaleitungen zwiachen Starkstromachaltschrank und Rechnerateuerungateil werden galvaniache Entkopplungselemente geschaltet. Dies können elektromechanische Relais oder auch die in letzter Zeit als Halbleiterbauelemente entwickelten Optokoppler aein.

Bekannte CNC-Steuerungen benötigen einen verhältniamäßig hohen Aufwand für die galvaniache Trennung der vom Rechnersteuerungsteil zum Starkstromachaltachrank führenden Verbindungaleitungen, da pro Ein-/Ausgabeaignalleitung ein galvanisches lintkopplungselement benötigt wird.

Durchschnittlich sind bei einer zu steuernden Werkzeugmaschine etwa zweihundert Signalleitungen erforderlich, so daß neben dieser Anzahl von Entkopplungaelementen, die hohen Kostenaufwand mit sich bringen, außerdem für deren elektrische Anateuerung ein zusätzlicher Energie- und Platzbedarf entsteht. 3s sind bereits CNC-Steuerungen bekannt, welche diese Nachteile dadurch umgehen, daß zwischen Rechnerateuerungateil und Starkatromschaltschrank nur ein Verbindungskabel mit einer relativ geringen Anzahl von Leitungen vorgesehen ist, womit auch die Problematik der galvanischen Entkopplung auf ein Minimum an Aufwand reduziert iat.

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Der Signalauatauach über daa Verbindungskabel rait wenigen Leitungen erfolgt dabei nach Art einea "Multiplexers" durch eine zusätzlich vorgesehene Signal-Übertragungs- und Empfangaeinheit. Der Vorteil der vereinfachten Übertragungaatrecke mit höherer Sicherheit gegen Störungen ist damit nur durch zusätzlichen Schaltungsaufwand-den Multiplexbetrieb-für die Übertragung der anstehenden unterschiedlichen Signale auf gleichen Leitungen erreicht werden.

Der störsichere Signalaustausch zwiachen Rechnerateuerungsteil und Starkatromachaltachrank ala Problem der Prozeßankopplung an eine programmierbare Steuerungaeinrichtung wird in den bekannten CNC-Steuerungen ala aeparates Problem der Signalübertragung behandelt und als solches auch separat technisch gelöst. Dies wird auch dadurch deutlich, daß die Datenverarbeitung und -anpasaung als Schaltungskomplex in der programmierbaren Steuerungseinrichtung liegt, indem die im Rechnersteuerungateil verarbeiteten Daten über Adreß- und Datenbusleitungen auf die Ein-/Ausgabe-Einheit übertragen werden. Die Anpassung der Buastruktur des Rechnersteuerungsteiles an die Busstruktur der Prozeßseite geschieht durch eine Interface-Schaltung.

Die Ein-/Ausgabeeinheit dient als Ankopplungateil für die äußeren Übertragungsleitungen.

Alle diese genannten Datenverarbeitungs- und -anpassungsmaßnahmen bis hin zur Ein-/Ausgabe-Einheit sind einem Schaltungskomplex zugeordnet d. h. Bestandteil des störgeschützten programmierbaren Steuerungsteiles. Die bekannten CNC-Steuerungen arbeiten für die Ein- und Ausgabe nach dem Interruptprinzip, d. h., die internen Schaltungsverbindungen zwischen Recheneinheit und Speicher werden unterbrochen, sofern veränderte Prozeßsignale eingegeben bzw. verarbeitete Signale an den Prozeß ausgegeben werden müssen, und es wird eine Verbindung vom Speicher zur Ein-/Auagabeeinheit hergestellt. PUr diese Punktionen ist eine Interruptbildungseinheit notwendig, welche aufgrund anstehender Bedingungen die

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Entscheidung für einen "Interrupt" fällt und die Herstellung entsprechender Schaltungsverbindungen auslöst. Diese Interrupt-Arbeitsweise garantiert zwar maximale Rechenzeiten, da die Recheneinheit nur dann in ihrer Arbeit unterbrochen wird, wenn Ein- und Ausgaben erforderlich sind, dafür ist aber die Zeit zwischen den Ein-/Ausgabevorgängen relativ lang, so daß damit die Gefahr der Signalstörung größer wird, weil fehlerhafte Ein- bzw. Ausgabesignale erst beim nächsten Ein-/Ausgabevorgang richtiggestellt werden. In dieser Zeit können aber bereits Folgefehler durch Ausführung falscher Punktionen an dem zu steuernden Prozeß eingetreten sein.

Die Erfindung hat eine programmierbare Schaltungsanordnung mit größerer Sicherheit gegen Störungen, welche auf der Signalübertragungsstrecke vom Prozeß zum programmierbaren Steuerungateil auftreten können zum Ziel bei zusätzlicher Verringerung des Schaltungsaufwandes, höherer Zuverlässigkeit und geringerem Wartungsaufwand,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung für eine programmierbare Steuerungseinrichtung mit Prozeßankopplung, wobei die programmierbare Steuerungseinrichtung eine Recheneinheit und einen Programmspeicher mit je einem Abbildapeicher für Ein-/bzw. Ausgabedaten enthält und über ein Interface und einen Adreßbus sowie einen Ein-/Ausgabedatenbus an einer Ein-/Ausgabeeinheit für die Prozeßankopplung angeschlossen ist, unter Zwischenschaltung von galvanischen Entkopplungselementen zu schaffen, bei der die Ein- und Ausgaben in fest vorgegebenen kurzen Zeitabständen erfolgen und die Ein-/Ausgabe-Einheit außerhalb des störgeschützten Bereiches angeordnet werden soll.

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die programmierbare Steuerungseinrichtung von einem Taktgeber in einem sich wiederholenden Zyklus steuerbar ist, der eine erste Folge von Schaltverbindungen zwischen dem Programmspeicher und der Recheneinheit und eine zweite Folge von Schaltverbindungen zwischen dem Programmspeicher und der Ein-/Äusgabe-Einheit enthält, wobei die Ein-/Ausgabe-Einheit von der programmierbaren Steuerungseinrichtung räumlich getrennt im Prozeßsteuerschrank angeordnet ist, indem der Ein-/Ausgabe-Datenbus und der Adreßbus vom Interface direkt bis in den nicht störgeschützten Prozeßsteuerschrank geführt ist und nur in diese Busleitung zwischen Interface und Ein-/Ausgabeeinheit galvanische Entkopplungselemente geschaltet sind.

Vorzugsweise ist die Ein-/Ausgabeeinheit im Prozeßateuerschrank gleichzeitig als Verteilerschaltung für die Prozeßleitungen ausgebildet.

Als galvanische Entkopplungselemente sind vorteilhafterweise Optokoppler eingesetzt, welche in die Busleitungen für die Eingebedaten vor deren Anschluß am Interface und in die Busleitungen für die Ausgabedaten und Adressen vor deren Anschluß an der Ein-/Ausgabeeinheit geschaltet sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt eine programmierbare Steuerungseinrichtung mit Prozeßankopplung.

Von der programmierbaren Steuerungseinrichtung ist eine Recheneinheit 1 und ein Schreib-Lese-Speicher 2 gezeigt, die über einen Adreßbus 3 mit 16 Leitungen und einen Datenbus 4 mit 8 Leitungen miteinander in Verbindung stehen. Der Schreib-Lese-Speicher 2 enthält einen Abbilspeicherteil 2.1 für die Eingangssignale, einen Abbildspeicherteil 2.2 für die Ausgaggssignale sowie einen Speicherbereich 2.3 für Schaltgleichungm

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und einen Speicherbereich 2.4 für das Steuerprogramm. Der Datenbus 4 und der Adreßbus 3 führen auf eine Interface-Schaltung 5, die intern aus Anpaßschaltungen 6, 7 und 9 besteht. Die Anpaßschaltung β verbindet den Datenbus 4 mit einem aus 8 Leitungen bestehenden Prozeßdatenbus 10 für die Ausgangssignale, die Anpaßschaltung 7 verbindet den Datenbus 4 mit einem ebenfalls aus 8 Leitungen bestehenden Prozeßdatenbus 11 für die Eingangssignale und die Anpaßschaltung 9 verbindet den Adreßbus 3 mit einem aus 8 Leitungen bestehenden Prozeßadreßbus 12. An der Interface-Schaltung 5 ist in jede der 8 Leitungen des Prozeßdatenbus 11 für die Eingangasignale ein Optokoppler 13 zwischengeschaltet.

Die programmierbare Steuerungseinrichtung mit der beschriebenen Ankopplung der Prozeßdatenbusse 10, 11 und des Prozeßadreßbus 12 an den steuerungsinternen Datenbus 4 bzw. Adreßbus 3 in der Interface-Schaltung 5 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 14 störgeschützt untergebracht. Die Prozeßdatenbusse 10, 11 sowie der Prozeßadreßbus 12 sind aus diesem störgeschützten Gehäuse 14 herausgeführt und in einem räumlich entfernt in unmittelbarer Nähe der zu steuernden Werkzeugmaschine stehenden Starkstromschaltschrank 15 geleitet. Jede der 8 Leitungen der Prozeßdatenbusse 10, 11 und des Prozeßadreßbus 12 ist über Verstärker 17, 18, 19 an eine Ein-/ Ausgabe-Einheit 20 angeschlossen. In jede der Eingangsleitungen am Verstärker 17 vom Prozeßdatenbus 10 ist ein Optokoppler und in jede der Eingangsleitungen am Verstärker 19 vom Prozeßadreßbus 12 ist ein Optokoppler 22 zwischengeschaltet. Die Ein-/Ausgabe-Einheit 20 enthält eine Reihe Ausgangs-Verteilerschaltungen 23, 24, 25 und eine Reihe Eingangs-Verteilerschaltungen 26, 27, 28. Von den Verstärkern 17 führt der Prozeßdatenbus 10 für die Ausgangssignale auf die Ausgangs-Verteilerschaltungen 23, 24, 25, an die auch der Prozeßadreßbus 12 angeschlossen ist.

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.9-

Die Einganga-Verteilerachaltungen 26, 27, 28 aind am Prozeßdatenbua 11 für die Eingangaaignale angachloaaen und liegen außerdem am Prozeßadreßbua 12.

Jede der Auaganga-Verteilerachaltung 23, 24, 25 beaitzt 8 Auagangaleitungen und jede der Einganga-Verteilerachaltung 26, 27, 28 beaitzt 8 Eingangaleitungen. Dieae Auaganga- bzw. Eingangaleitungen aind unmittelbar mit den Prozeßachaltelementen im Starkatromachaltachrank 15 bzw. an der V/erkzeugmaachine verbunden. Die Auaganga- und Einganga-Verteilerschaltungen 23 bia 28 enthalten Flip-Flopa ala aignalapeichernde Elemente.

Die Wirkungaweiae der erfindungagemäßen programmierbaren Steuerungaeinrichtung mit Prozeßankopplung iat folgende:

Die Recheneinheit 1 entnimmt nach Maßgabe dea im Speicherbereich 2.4 dea Schreib-Leae-Speichera 2 geapeicherten Steuerprogramma die im Abbildapeicherteil 2.1 atehenden Eingangaaignale vom Prozeß und verarbeitet dieae nach den im Speicherbereich 2.3 geapeicherten Schaltgleichungen. Die Ergebniaae werden in den Abbildapeicherteil 2.2 übertragen und atehen dort ala Auagangaaignale für den zu ateuernden Prozeß bereit. Der jeweilige Aufruf der Abbildapeichertei-Ie 2.1, 2.2 bzw. der Speicherbereiche 2.3, 2.4 erfolgt über den Adreßbus 3. Die Datenübertragung zwiachen Schreib-Leae-Speicher 2 und Recheneinheit 1 erfolgt über den Datenbua Daa Steuerprogramm enthält eine featgelegte Folge von Operationen, welche von einem Taktgeber geateuert wird. Die Korreapondenz zwiachen der Recheneinheit 1 und dem Schreib-Leae-Speicher 2 erfolgt auf der Baaia einer eraten Folge von Schaltverbindungen und die Ein-Auagabe der Prozeßaignale wird durch eine zweite Folge von Schaltverbindungen realiaiert. Hierbei werden der Abbildapeicherteil 2.1 für die Eingangaaignale und der Abbildapeicherteil 2.2 für die Auagangaaignale über den Datenbua 4 und die Prozeßdatenbusae 10, 11 mit der Ein-/Auagabe-Einheit 20 verbunden.

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Das Steuerprogramm 2.4 arbeitet diese beiden Polgen von Schaltverbindungen in Form einer feststehenden Reihenfolge von Operationen ab, die ständig wiederholt werden. Die Eingabe der Prozeßeingangssignale in den Abbildspeicherteil 2.1 des Schreib-Lese-Speichers 2 sowie die Ausgabe der Ausgangssignale aus dem Abbildspeicherteil 2.2 an den Prozeß erfolgt durch Sperren der Verbindungen vom Schreib-Leaespeicher 2 zur Recheneinheit 1 und Aktivierung der Verbindungen der Abbildapeicherteile 2.1, 2.2 mit der Ein-/Ausgabe-Einheit 20 durch Aufruf der jeweiligen j3in-/Ausgangs-Verteiler-3chaltung 23 bis 28.

Dies geschieht in der Weise, daß das Steuerprogramm 2.4 über den Adreßbus 3 die in der Interface-Schaltung 5 liegende Anpaßschaltung 6 ansteuert und damit die Ausgangssignale über den Prozeßdatenbus 10, die Optokoppler 21, die Verstärker 17 auf eine der Ausgangs-Verteilerschaltungen 23 bzw. 24 und 25 in der 51n-/Ausgabe-Einheit 20 überträgt. Die Ausgangs-Verteilerschaltungen 23, 24, 25 werden vom Steuerprogramm 2.4 über den Adreßbus 3, die Anpaßschaltung 9, den Prozeßadreßbus 12, die Optokoppler 22 und die Verstärker 19 aufgerufen, so daß die im Abbildspeicherteil 2.2 stehenden Ausgangssignale die zugehörigen Flip-Flops in den Ausgangs-Verteilerschaltungen 23, 24, 25 setzen.

Nach Ausgabe des letzten Ausgabesignals aus der letzten Speicherstelle des Abbildspeicherteils 2.2 adressiert das -teuerprogramm 2.4 die Anpaßschal Lung 7 in der Interface-Schaltung 5 für die Eingabedaten. In der Anpaßschaltung 9 wird über den Adreßbus 3 und den Datenbus 4 die jeweilige Eingangs-Verteilerschaltung 26 bzw. 27 bzw. 28 adressiert, in dem diese über den Prozeßdatenbus 12, die Optokoppler 22 und die Verstärker 19 aufgerufen wird.

Die ICingangs-Verteilerschaltungen 26, 27, 28 werden nacheinander aufgerufen und geben die in ihren Flip-Flops gespeicherten Eingangssignale über die Verstärker 18 den Prozeßdatenbus 11, die Optokoppler 13, die Anpaßschaltung 7 und den Datenbus

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auf das Abbildspeicherteil 2.1, dessen Speicheratellen in gleicher Reihenfolge aktiviert werden, so daß das Abbild der Eingangsaignale vom Prozeß in den Schreib-Lese-Speicher 2 übernommen wird.

Durch diese zyklische Arbeitsweise ist ein minimaler Schaltungsaufwand erforderlich, weil die Interruptbildung und die damit verbundenen erforderlichen Schaltungamaßnahmen entfallen. Die zyklische Arbeitsweise gestattet gleichzeitig eine hohe Störsicherheit, weil in Zeitabatänden von etwa 10 raa die Sin-/Auggabevorgänge wiederholt werden, so daß bei einer Ein- bzw. Ausgabe auftretende Fehlersignale gar nicht im Prozeß zur Auswirkung kommen können, weil die anzusteuernden elektromagnetischen Schütze, Ventile u. a. demgegenüber hohe Ansprechzeiten haben und deshalb noch nicht ansprechen. Bevor diese bauelemente schalten, hat sich aber der Ein-/ Ausgabevorgang bereits wiederholt, womit die vorher durch äußere Störungseinflüaae hervorgerufenen Fehler eleminiert sind. Durch diese günstige Wirkung werden auch Störungen, welche kurzzeitig auf die Ein-/Ausgabe-Einheit 20 und die Prozeßdatenbu33e 10, 11 bzw. den Prozeßadreßbua 12 kommen unschädlich gemacht, so daß die Ein-/Ausgabe-Einheit 20 im Starkstromschaltschrank 15 angeordnet werden kann und die Prozeßdatenbusse 10, 11 bzw. der Prozeßadreßbus 12 ebenfalls aus dem störgeschützten Gehäuse 14 heraus bis in den LHariistromschaltschrank 15 geführt werden können. Auch die sonst erforderlichen Maßnahmen zur Entprellung der Eingangsaignale sind nicht mehr erforderlich.

Diese Prozeßdatenbuase 10, 11 und der Prozeßadreßbu3 12 bestehen aus nur wenig Leitungen (jeweils 8 Leitungen), welche erst in der Ein-/Ausgabe-Einheit auf die erforderliche Anzahl Prozeßanschlüase erweitert werden.

Damit ist die Kabelverbindung zwischen dem die programmierbare Steuerungseinrichtung enthaltenden Gehäuse 14 und dem otarkatromachaltschrank 15 auf wenig Kabel begrenzt, und

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gleichermaßen der Aufwand der notwendigen Optokoppler 13, 21, 22 auf die gleiche geringe Anzahl (je 8 Optokoppler pro Daten- bzw. Adreßbus) eingeschränkt. Darüber hinaus entfällt im Starkstromschaltachrank 15 eine sonst zusätzlich erforderliche Verteilerschaltung. Die Prozeßanschlüsse liegen direkt an der Ein-/Auagabe-Einheit 20 und werden dort bereits so angeklemmt, daß die Verteilerfunktion erfüllt ist. Auch entfallen dadurch Steckverbinder, welche die Llontagearbeit und den V/artungaaufwand weiter reduzieren. Insgesamt wurde eine einfache übersichtliche Prozeßankopplung an eine programmierbare Steuerungseinrichtung geschaffen, die in Verbindung mit der zyklischen Arbeitsweise der Ein-/Ausgabe eine hohe Zuverlässigkeit und geringen V/artungsaufwand gewährleistet.

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. !Schaltungsanordnung für eine programmierbare Steuerungs-V_^/einrichtung mit Prozeßankopplung, wobei die programmierbare Steuerungseinrichtung eine Recheneinheit und einen Programmspeicher mit je einem Abbildspeicherteil für Ein-/bzw. Ausgabedaten enthält und über ein Interface und einen Adreßbus sowie einen Ein-/Auagabedatenbus an einer Ein-/Ausgabeeinheit für die Prozeßankopplung angeschlossen ist, unter Zwischenschaltung von galvanischen Entkopplungseleraenten insbesondere für Werkzeugmaschinensteuerungen, dadurch gekennzeichnet,

   daß die programmierbare Steuerungseinrichtung von einem Taktgeber in einem sich wiederholenden Zyklus steuerbar ist, der eine erste Folge von Schaltverbindungen zwischen dem Programmspeicher und der Recheneinheit und eine zweite Folge von Schaltverbindungen zwischen den Programmspeicher und der Ein-/Ausgabeeinheit enthält, wobei die Ein-/Ausgabeeinheit von der programmierbaren Steuerungseinrichtung räumlich getrennt im Prozeßsteuerachrank angeordnet ist, indem der Ein-/Ausgabe-Datenbua und der Adreßbus vom Interface direkt bis in den nicht störgeschützten Prozeßateuerschrank geführt ist und nur in diese Bualeitungen zwiachen Interface und Ein-/Ausgabeeinheit galvanische Entkopplungselemente geschaltet sind.

   Schaltungsanordnung nach Pkt. 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Ein-/Ausgabeeinheit im Prozeßsteuerschrank gleichzeitig als Verteilerschaltung für die Prozeßleitungen ausgebildet ist.

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   3. Schaltungsanordnung nach Pkt. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß als galvanische Entkopplungselemente Optokoppler eingesetzt sind, welche in die Busleitungen für die Eingabedaten vor deren Anschluß am Interface und in die Busleitungen für die Ausgabedaten und Adressen vor deren Anschluß an der Ein-/Ausgabeeinheit geschaltet sind.

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