(57)【要約】【課題】  自動システムおよび自動システムを同期する方法を提供する。【解決手段】  本発明は、それそれ時間カウンター（２２）をもつ少なくとも２つの協力電気的構成要素（８、１０、１２）を備える自動システム（２）に関する。電気的構成要素（８、１０、１２）は、信号ネットワーク（１４）経由で周期的にプロセス・データを送るための信号経由で相互に結合され、かつ、基準数量（３４）としてのグローバルな相対的時間情報（３２）に基づいて相互に同期される。本発明は、さらに自動システム（２）を同期するための方法にも関する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ時間カウンター（２２）をもち、信号ネットワーク（１４）経由でプロセス・データを周期的に送出するための信号経由で相互に結合され、かつ、基準数量（３４）としてのグローバルな相対的時間情報（３２）に基づいて相互に同期される少なくとも２つの協力電気的構成要素（８、１０、１２）をもつ自動システム（２）であって、前記グローバルな相対的時間情報（３２）が状態の変化（３０）であり、前記状態の変化（３０）が前記電気的構成要素（８、１０、１２）のそれぞれに関連し、かつ、前記状態の変化（３０）が待機モード（２６）から作動状態（２８）への変化である自動システム（２）。
【請求項２】
前記状態の変化（３０）が前記信号ネットワーク（１４）経由で送出されることを特徴とする請求項１に記載の自動システム（２）。
【請求項３】
前記時間カウンター（２２）が前記グローバルな相対的時間情報（３２）の受信後に起動されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の自動システム（２）。
【請求項４】
前記時間カウンター（２２）が前記グローバルな相対的時間情報（３２）の受信後にゼロに設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の自動システム（２）。
【請求項５】
すべての時間カウンター（２２）が同一のサイクル時間（３６）をもち、前記信号ネットワーク（１４）のサイクル時間（３８）が特に前記時間カウンターのサイクル時間の整数倍であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の自動システム（２）。
【請求項６】
前記電気的構成要素（８、１０、１２）がそれぞれ前記プロセス・データ（２０）を格納するためのバッファ・メモリ（１８）をもつことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の自動システム（２）。
【請求項７】
前記バッファ・メモリ（１８）に格納されている前記プロセス・データ（２０）の送出が待機モード（２６）への移行後および／または必要に応じて前記信号ネットワーク（１４）経由で行われることを特徴とする請求項６に記載の自動システム（２）。
【請求項８】
それぞれ時間カウンター（２２）をもち、信号ネットワーク（１４）経由でプロセス・データを周期的に送出するための信号経由で相互に結合される少なくとも２つの協力電気的構成要素（８、１０、１２）をもつ自動システム（２）を同期する方法であって、グローバルな相対的時間情報（３２）が基準数量（３４）として使用され、状態の変化（３０）が前記グローバルな相対的時間情報（３２）として使用され、前記状態の変化（３０）が前記電気的構成要素（８、１０、１２）のそれぞれに関連し、かつ、待機モード（２６）から作動状態（２８）への変化が前記状態の変化（３０）として使用される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動システムおよび自動システムを同期する方法に関する。自動システムは、特に製造ラインを意味するものとして理解されているが、機械工学分野におけるその他の自動化アプローチも意味する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも２つの電気的構成要素を含む自動システム、たとえば製造ラインまたはＣＮＣ機械でも、個々の構成要素間の同期が必要である。したがって、機械加工される対象物が把持部により所定の位置に置かれるまで機械加工が始まらないように、把持部およびドリルなどの機械加工部が相互に調整されなければならない。最大限可能な機械加工速度を確保するために、センサーを使用する位置測定は好ましくない。その代わりに、機械加工は、信号ネットワーク経由で構成要素に送られる時間情報に基づいて行われる。
【０００３】
周期的に動作する通信システムにおける時間同期の１つの方法が、下記特許文献１において開示されている。この方法では、ある時刻に絶対時間情報が通信システムのすべての参加部分に送られ、それが各場合において通信参加部分のそれぞれのローカル時間を計算するための基準数量として使用される。この絶対時間情報は、たとえば、“２０００−０４−０１，  １６：０５：３０，  １２３”のようなフォーマットで表される。
【０００４】
下記特許文献２により、複数のマイクロプロセッサがバスの手段による信号経由で相互に接続されるマルチプロセッサ・システムが開示されている。マルチプロセッサ・システムのマイクロプロセッサを同期するために、存在するクロック信号が中断され、個々のマルチプロセッサの時間カウンターが一定の所定値に設定され、続いてクロック信号が再スタートし、その後、それぞれのマイクロプロセッサの時間カウンターは、マイクロプロセッサがクロック信号を受け取る都度１だけ増加する。
【０００５】
下記非特許文献１の記述によると、自動化技術において使用されるＥｔｈｅｒＣＡＴシステムでは、スレーブがスイッチオンされたときに最初の同期が行われ、内部カウンターがリセットされる旨記載されている。この種類の同期は、比較的不正確である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第１  ６５７  ６１９Ｂ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０  ２００８  ０４９  １６１  Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｇｉａｎｌｕｃａ  Ｃｅｎａｔ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＥｔｈｅｒＣＡＴ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｃｌｏｃｋ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，  ＩＥＥＥ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  Ｃｅｎｔｅｒ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  Ｖｏｌ．  ８，  Ｎｏ．  １  （２／１／２０１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、比較的簡単な手法により独立して実行される、特に適切な自動システムおよび自動システムを同期する特に適切な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、本発明に従って、自動システムに関しては請求項１の特徴により、方法に関しては請求項８の特徴により達成される。有利な改良および実施形態は、従属請求項の主題である。
【００１０】
この自動システムは、互いに協力する２つの電気的構成要素を含んでいる。この自動システムは、たとえば、製造ライン、印刷機械、またはＣＮＣフライス盤（ｍｉｌｌｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ）である。また、自動システムは、機械工学分野における自動化アプローチを含む。換言すると、自動システムは、相互に空間的関係をもつ機械または装置の系統的組み合わせを意味するものとして理解されるが、これらの機械または装置を電気的構成要素と呼ぶこととする。これに関連して、この自動システムは、より複雑で、より大きなシステムの一部分のみを形成することもできる。
【００１１】
これらの２つの電気的構成要素は協力しあう。すなわち、具体的には、これらの２つの構成要素の一方が他方の構成要素に依存する。これらの電気的構成要素は、具体的にはセンサーおよび／または作動装置、たとえばコンベヤ・ベルトまたは同様なものを駆動するモーター、または把持機構などのその他の機械である。これらの構成要素のそれぞれは、それ自体の時間カウンターをもち、また、これらの構成要素は信号ネットワーク経由で互いに接続されている。これは、たとえば、適切なデータ伝送ケーブルまたは無線により達成される。プロセス・データは、信号ネットワーク経由で周期的に送信される。換言すると、個々の構成装置間において信号ネットワーク経由の周期的送信の手段によりデータの周期的交換が行われる。この信号ネットワークは、フィールド・バスまたはその他のバス・システム、適切なＥｔｈｅｒＣＡＴシステムとすることが好ましい。
【００１２】
具体的には、信号ネットワーク経由で特定のプロセス・データを送出するために各電気的構成要素に割り当てられる時間セグメントを守るために、これらの電気的構成要素は、相互に同期される。この目的のために、すべての構成要素の時間カウンターにおいて共通基準数量を使用する。この基準数量に基づいて、時間カウンターの手段により各電気的構成要素のローカル・タイムスタンプが決定される。この目的のために、各場合において基準数量以降の経過時間が決定され、ローカル・タイムスタンプとして使用される。基準数量それ自体は、グローバル時間情報、すなわち、当該自動システム全体または少なくとも自動システムのうちの同期される部分について有効な時間情報である。
【００１３】
また、この時間情報は相対的であり、当該自動システムにとってただ１つの基準である。具体的には、相対的時間情報は、自動システムの外部で発生するかまたはすでに発生した事象または自動システムと関係がない事象から本質的に独立している。グローバルな相対的時間情報は、たとえば、ある工程の完了、たとえば１００番目の部品の製造完了の時刻、システム一定の部分の交換または修理の時刻、または同様な時刻である。
【００１４】
グローバルな相対的時間情報の使用のおかげで、一方において自動システムとそれ自体も点検・検証されなければならない他システムとの複雑な調整は不要となる。また、この種類の調整は、誤差の影響を受ける。他方において、グローバルな相対的時間情報は、自動システムのすべての構成要素にとって利用可能である。したがって、すべての電気的構成要素を相互に調整することができる。よって、自動システムの機械加工速度を上昇させることが可能である。
【００１５】
グローバルな相対的時間情報は、状態の変化である。換言すると、自動システムの状態の一定の変化の時刻が基準数量として使用される。具体的には、グローバルな相対的時間情報は、それ自体は、時間ではない。自動システムの状態の変化は、電気的構成要素のそれぞれに関連する。したがって、これらの電気的構成要素は、一様な基準数量を得る。これに関連して、信号ネットワークの処理能力（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の低下をもたらす追加情報、たとえば、タイムテレグラムを信号ネットワーク経由で送る必要もない。また、伝播時間の差異を考慮する必要もない。
【００１６】
状態の変化は、自動システムの作動状態への変化である。換言すると、構成要素群は、作動状態への変化に基づいて同期される。その結果として電気的構成要素の相互作用と共通基準数量に基づくそれらの同期の間の時間間隔は比較的短く、したがって時間カウンターの相互間に考えられるずれまたは不正確が生ずる場合においても、同期は、自動化システムが作動を開始した後の少なくとも一定時間の間に行われる。
【００１７】
この変化は、自動システムの構成要素がすでに起動されている待機モードから作動モードへ行われる。具体的には、待機モードの電気的構成要素にはすでに電圧が加えられている。したがって、たとえば、存在するコンデンサまたは同様なものを充電する必要はない。これは、一方において、自動システムの本質的に迅速な作動即応性をもたらす。他方において、この場合に相対的なグローバル時間情報の本質的に迅速な登録が可能となる。その結果として、個々の電気的構成要素のための相対的なグローバル時間情報の受信および／または処理に本質的にずれが生ぜず、その代わりに受信および／または処理が同時となる。具体的には、信号ネットワークとしてＥｔｈｅｒＣＡＴ規格を使用した場合には、「作動前」から「作動中」へ、またはフィールド・バスを使用した場合には、少なくとも「作動中」への変化が変化として利用される。
【００１８】
具体的には、状態の変化それ自体が信号ネットワーク経由で送られる。換言すると、メッセージが信号ネットワーク経由で送られ、個々の電気的構成要素により受け取られる。このメッセージが受け取られたとき、自動システムの電気的構成要素の少なくとも一部が作動モードを変更し、したがって自動システムは新しい状態に移行する。また、すべての電気的構成要素が、このメッセージの受領時刻（それは自動システムの状態の変化を引き起こす）を同期の基準数量として使用する。信号ネットワーク経由の状態変化の送信のおかげで、電気的構成要素自体による自動システムの状態のさらなる登録は、不要である。また、状態変化を送信し、かつ、開始するメッセージを使用するおかげで、２通以上のメッセージを使用する場合に発生する実際の状態変化と基準数量として使用される時刻間の時間のずれおよびその結果の待ち時間は、存在しない。
【００１９】
電気的構成要素のそれぞれの時間カウンターは、有利に、それらがグローバルな相対的時間情報を受け取った後に作動される。しかし、少なくとも、時間計数は、各電気的構成要素において時間カウンターの手段によりグローバルな相対的時間情報の登録後に始まる。特に、更に、時間計数は、時間カウンターの手段によりグローバルな相対的時間情報の受信前にも行われる。換言すると、時間カウンターは、待機モードへの潜在的変化の場合にも本質的に連続的に作動される。したがって、グローバルな相対的時間情報の受領前の時刻についても、グローバルな相対的時間情報に基づいて、それが受信された後にローカル・タイムスタンプを計算することが可能である。そして、したがって、たとえば、同期に先立ち構成要素を調整することにより評価を行うことが可能である。また、調整の複雑さが低減される。
【００２０】
それぞれの時間カウンターは、グローバルな相対的時間情報が電気的構成要素により受信されたとき、かつ／または登録されたときに有利にゼロ（０）に設定される。たとえば、時間カウンターは、基準数量の時刻より前においてはゼロ（０）状態にある。しかし、グローバルな相対的時間情報が個々の電気的構成要素により受信されるや否や時刻カウンターがゼロ（０）に設定されることが特に好ましい。
【００２１】
たとえば、電気的構成要素は、特に、互いに独立な相異なるサイクル時間をもつ。これらのサイクル時間は、各場合におけるローカル・タイムスタンプを計算するために有利に少なくとも既知である。すべての時間カウンターは、同一のサイクル時間を適切にもっている。具体的には、サイクル・カウンターは構造的に同じであり、それは交換および保守を容易にする。グローバルな相対的時間情報の受領後に時間カウンターがゼロ（０）に設定された場合、その結果としてすべての時間カウンターは、任意の期間後に同一の値をもつ。これは、一方では、電気的構成要素相互間の調整を単純化し、かつ、他方においてエラー探索を単純化する。具体的には、自動化システムの正しい作動のために達成されなければならないすべての電気的構成要素の最短期間をすべての時間カウンターのサイクル時間として使用する。換言すると、サイクル時間は、自動化システムの正しい作動のために達成されなければならないすべての電気的構成要素の最速、最短期間である。
【００２２】
信号ネットワークのサイクル時間は、有利に、時間カウンターのサイクル時間の整数倍であり、各電気的構成要素は、信号ネットワークの１サイクル中に正確に１回だけ信号ネットワーク経由でプロセス・データを交換する。具体的には、信号ネットワークのサイクルの１つの開始は、１つの電気的構成要素、好ましくはすべての電気的構成要素のサイクルの１つの開始と一致する。これにより、信号ネットワークにも関係する個々の構成要素のサイクルの比較的複雑な相互間割当が回避でき、計算量の低減をもたらす。
【００２３】
電気的構成要素は、有利に、それぞれバッファ・メモリを備えている。これらのメモリは、独特のプロセス・データを格納し、少なくとも信号ネットワーク経由で送り出されるまでそれらを保持する。したがって、特定の電気的構成要素のプロセス・データを完全分解能（ｆｕｌｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）で格納し、同時にそのプロセス・データをより低い時間分解能（ｔｉｍｅ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）で表すことが可能である。この方法により、信号ネットワークの処理能力に過負荷がかからない。具体的には、信号ネットワーク経由で送られたプロセス・データの時間分解能は、そのプロセス・データの受容機器により特定の電気的構成要素に伝達される。したがって、特定の電気的構成要素によるプロセス・データ収集をそのそれぞれの最大時間分解能とともに検知することが可能であり、よってプロセス・データ収集の複雑な再プログラミングを回避する。受容機器にとって必要な時間分解能は信号ネットワーク経由で送られるが、それは完全時間分解能のために必要な処理能力の何分の一かを要するに過ぎない。しかし、送られた時間分解能は、自動化システムの適切な作動にとってそれでも十分である。
【００２４】
具体的には、特定のバッファ・メモリ中のプロセス・データは、所定の期間中に、有利に作動状態中に本質的に連続して記録され、かつ、プロセス・データは信号ネットワーク経由で送られる。プロセス・データの記録が特定のバッファ・メモリの手段により停止または終了された後においても、時間に関する比較的高い分解能のプロセス・データが依然として利用可能であり、したがって信号ネットワーク経由で読み取ることができる。バッファ・メモリは、リング・メモリ（ｒｉｎｇ  ｍｅｍｏｒｉｅｓ）として適切に設計される。
【００２５】
待機モードへの変化の後、バッファ・メモリに格納されたプロセス・データは、好ましくは信号ネットワーク経由で送出され、したがって時間に関する比較的高い分解能のプロセス・データも利用可能である。待機モード中の信号ネットワークの処理能力要求は比較的低いので、自動システムの障害が発生することはない。
【００２６】
自動システムを同期する方法では、時間カウンターをもつ自動システムの少なくとも２つの構成要素において時間計数のための基準数量としてグローバルな相対的時間情報を使用する。この情報は、好ましくは、プロセス・データを周期的に送出するために設けられて構成要素を相互に接続する信号ネットワーク経由で送出される。
【００２７】
電気的構成要素のそれぞれに関連する状態の変化をグローバルな相対的時間情報として使用するが、この状態の変化は、待機モードから作動状態への変化である。
【００２８】
本発明の１つの例示的実施形態について、これらから図面を参照しつつ、さらに詳しく説明する。図面の内容は、次のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】電気的構成要素をもつ自動システムの略図である。
【図２】構成要素の同期化通信を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
相互に対応する部分には、すべての図において同じ参照番号が与えられている。
【００３１】
図１は、製造される製品６を載せるコンベヤ・ベルト４をもつ自動システム２を単純化した方法で示す略図である。コンベヤ・ベルト４はモーター８の手段により駆動され、したがって製造される製品６の位置を変える。また、自動化システム２は、把持・機械加工ヘッド１０およびモーター８と同様に信号ネットワーク１４経由でプロセス制御システム１６に接続されている光電バリア１２を備えている。信号ネットワーク１４としてＥｔｈｅｒＣＡＴフィールド・バス・システムを使用する。把持・機械工作ヘッド１０とモーター８は、それぞれ、自動システム２の作動装置を表し、また、光電バリア１２は、同システムのセンサーを表す。これらの電気的構成要素８、１０、１２は、それぞれ、信号ネットワーク１４経由で周期的に送られてくるプロセス・データ２０を格納するバッファ・メモリ１８を含んでいる。この目的のために、各電気的構成装置８、１０、１２は、時間カウンター２２をもっており、この時間カウンターは、それぞれのプロセス・データを送出するための時間ウィンドウを電気的構成要素８、１０、１２のそれぞれに割り当てる。
【００３２】
この目的のために、電気的構成装置８、１０、１２およびプロセス制御システム１６間に図２に示されているような同期が必要である。自動システム２全体の状態２４の時間特性が最上段に示されている。自動システムは状態の変化３０の結果として待機モード２６から作動状態２８に遷移し、この間にプロセス制御システム２６は励起されるが、しかし電気的構成要素８、１０、１２は作動もデータ記録も行わない。
【００３３】
作動状態２８の間に、モーター８が駆動され、したがってコンベヤ・ベルト４が運転され、それにより製造される製品６の位置の変化が生ずる。また、製造される製品６が適切な位置に到るや否や、それは把持・機械工作ヘッド１０により機械加工される。機械加工が完了した後、自動システム２の状態２４は、状態のさらなる変化３０の結果として再び待機モード２６に遷移する。状態２４の変化は、信号ネットワーク１４経由で送られる適切なＳＥＴコマンドの手段により開始される。
【００３４】
待機モード２６から作動状態２８への自動システム２の変化を開始する最初のＳＥＴ信号が信号ネットワーク１４を通過したとき、この時刻をグローバルな相対的時間情報３２として使用して電気的構成要素８、１０、１２を同期する。自動システム２の状態２４の下に示すように、ＳＥＴ信号の受信後、電気的構成要素８、１０、１２の時間カウンター２２がゼロ（０）に設定され、それに応じて状態の変化３０が基準数量３４として使用され、それに続いて経過時間が時間カウンター２２により計数される。
【００３５】
電気的構成要素８、１０、１２のすべての時間カウンター２２は、既知の同一のサイクル時間３６をもっている。換言すると、任意の時間後の時間カウンター２２のカウンター表示は、本質的に同じである。これらの時間カウンターのカウンター表示は、基準数量３４以降に発生したサイクル数を示し、そしてローカル・タイムスタンプは、カウンター表示にサイクル時間３６を乗じた値である。
【００３６】
電気的構成要素のサイクル時間３６は、信号ネットワーク１４のサイクル時間３８の半分に等しい。この間に信号ネットワークは、それぞれのバッファ・メモリ１８に記録されているプロセス・データを電気的構成要素８、１０、１２のそれぞれからプロセス制御システム１６に信号ネットワーク１４経由で送る。これに関して、送出の順序は、常に一定である。処理能力を節約するために、信号ネットワーク１４のサイクル時間３８中に特定の電気的構成要素８、１０、１２により記録されたすべてのプロセス・データを信号ネットワーク１４経由で送出するわけではない。むしろ、適切な機能遂行のために必要なデータのみプロセス制御システム１６に与える。
【００３７】
電気的構成要素８、１０、１２のリング・メモリとして設計されているそれぞれのバッファ・メモリ１８に格納されている時間に関する比較的高い分解能のプロセス・データの送出は、瞬間的要求によりまたは必要に応じて、たとえば製造される製品６がコンベヤ・ベルト４上の一定の場所に達した時、または個々の電気的構成要素８、１０、１２の機能性を点検するために、信号ネットワーク１４経由で行われる。これに関連して、この送出の時刻は比較的任意であり、この送出は作動状態２８中と待機モード２６中のいずれにおいても起こり得る。
【００３８】
待機モード２６への復帰後、すでに始まっているサイクル時間３８の間、プロセス制御システム１６と電気的構成要素８、１０、１２間の通信は、時間ウィンドウ４０の間、信号ネットワーク１４経由で維持される。電気的構成要素８、１０、１２は、時間ウィンドウ４０の間、さらなるデータは記録しない。むしろ、電気的構成要素８、１０、１２の摩耗またはその他の障害の兆候を発見するために、それぞれのバッファ・メモリ１８にすでに格納されているプロセス・データ、すなわち、時間カウンター２２のサイクル時間３６に与えられるプロセス・データが完全時間分解能（ｆｕｌｌ  ｔｉｍｅ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）でプロセス制御システム１６に送られる。
【００３９】
本発明は、前述した例示的実施形態に限定されない。むしろ、本発明のその他の変形も、当業者により本発明の主題事項から逸脱することなく推定され得る。特に、例示的実施形態により記述されたすべての個々の特徴も本発明の主題事項から逸脱することなく別の方法により相互に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００４０】
２  自動システム
４  コンベヤ・ベルト
６  製造される製品
８  モーター
１０  把持・機械工作ヘッド
１２  光電バリア
１４  信号ネットワーク
１６  プロセス制御システム
１８  バッファ・メモリ
２０  プロセス・データ
２２  時間カウンター
２４  状態
２６  待機モード
２８  作動状態
３０  状態の変化
３２  グローバルな相対的時間情報
３４  基準数量
３６  サイクル時間、時間カウンター
３８  サイクル時間、信号ネットワーク
４０  時間ウィンドウ
【図１】
2014123947.tif 000003
【図２】
2014123947.tif 000004