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Dokumentenidentifikation DE112005003076T5 31.10.2007
Titel Verfahren zur Steuerung einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses
Anmelder ABB Research Ltd., Zürich, CH
Erfinder Mathiesen, Mogens, Oslo, NO;
Aakvaag, Niels, Oslo, NO;
Thonet, Gilles, Meylan, FR
Vertreter Becker, Kurig, Straus, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005003076
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 19.12.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/IB2005/003816
WO-Veröffentlichungsnummer 2006064362
WO-Veröffentlichungsdatum 22.06.2006
Date of publication of WO application in German translation 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse G05B 19/418(2006.01)A, F, I, 20051219, B, H, DE

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren und ein System für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines industriellen Prozesses. Die Erfindung bezieht sich auf Steuersysteme, bei denen eine oder mehrere Übertragungen drahtlos für ein oder mehrere Datensignale und/oder Steuersignale ausgeführt werden.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Die Prozesssteuerung für industrielle Automationsprozesse oder industrielle Automationsvorrichtungen wird oft durch ein Prozesssteuersystem, wie einen Steuerprozess mit geschlossener Schleife, überwacht oder geregelt. Eine traditionelle Lösung bei der Verwendung einer Steuerung mit geschlossener Schleife besteht darin, einen Wert einer Prozessausgabe zu messen und den gemessenen Wert mit einem Referenzwert zu vergleichen. Es gibt auch Aufgaben der Regelkreissteuerung, die eine Sollwertregelung, eine Zielverfolgung (tracking) (zeitlich variierender Referenzpfad), eine Pfadverfolgung (path following) (variierende Referenz unabhängig von der Zeit), Störungsdämpfung etc. einschließen. Jegliche Differenzen zwischen dem gemessenen Sensorwert und dem Referenzsignal werden, wenn sie als eine Eingabe in einer Rückkopplungssteuerschleife verwendet werden, in die Steuerung eingegeben. Die Steuerung sendet dann wiederum Signale an das Stellglied, so dass man sich dem Referenzwert nähert.

Eine Steuerschleife des Stands der Technik ist in 1 gezeigt. Der Stand der Technik ist gezeigt, wie er eine Vergleichsvorrichtung 2, eine Steuereinheit 4, ein Stellglied 6 und einen Sensor 8 aufweist. Der Sensor 8 misst einen Wert für eine Ausgabe des Prozesses, beispielsweise eine Dimension, und der gemessene Wert wird an die Vergleichsvorrichtung 2 gesandt. Die Vergleichsvorrichtung 2 vergleicht den gemessenen Wert mit einem Referenzwert und sendet das Ergebnis an die Steuereinheit 4. Die Steuereinheit 4 gibt ein Signal an das Stellglied aus, um die Differenz zwischen dem Referenzwert und dem gemessenen Ausgabewert zu reduzieren.

Auf einem Modell basierende Steuerlösungen verwenden typischerweise ein mathematisches oder statistisches Modell. Ein Beispiel einer auf einem Modell basierenden Steuerung kann eine oder mehrere Zustandsgleichungen verwenden, von denen eine die folgende Form besitzen kann:

wobei

x der Vektor aller Zustandsvariablen ist, der die zeitlichen Ableitungen jeglicher Ordnung von x einschließt,

y ist der Ausgabevektor,

u ist ein Vektor der Eingabe,

t ist die Zeit

f und g sind Funktionen, die das System darstellen.

Mit der Zeit wird erwartet, dass sich die Differenz zwischen dem Wert der Ausgabe, die vom Sensor 8 gemessen wird, und dem Referenzwert null nähert. Zeitliche Verzögerungen und andere konstante Rückkopplungseffekte sind im obigen Modell nicht nachgebildet, aber sie können ebenfalls zwischen dem Stellglied und dem Sensor auftreten. Solche Störungen sind im obigen beispielhaften Modell nicht eingeschlossen, aber sie würden in einem realen System vorhanden sein.

Das traditionelle Rückkopplungssystem mit geschlossener Schleife umfasst fest verdrahtete Kommunikationsverbindungen. Ein Nachteil bei fest verdrahteten Kommunikationsverbindungen besteht darin, dass Änderungen irgend einer Komponente in der geschlossenen Schleife, wie eines Sensors oder eines Stellglieds, gewöhnlicherweise einen Stop der Produktion oder ein extensives Herabfahren erfordern, insbesondere im Fall von analogen Drahtverbindungen und/oder digitalen Drahtverbindungen. Alternativ müssen solche Änderungen hinausgeschoben werden, bis ein Herabfahren des Prozesses programmiert ist. Zusätzlich kann eine feste Verdrahtung beim Ersetzen teuer sein, und manchmal kann das Ersetzen eine technische Herausforderung darstellen.

Das Hinzufügen oder Entfernen von Komponenten in einer Steuerschleife kann Unterbrechungen der Produktion oder sogar ein Herabfahren für die Implementierung erforderlich machen, wenn fest verdrahtete Steuerleitungen verwendet werden.

Drahtlose Übertragungen sind innerhalb industrieller Systeme verwendet worden, und Normen, wie die IEEE-802.11, haben sich als ausreichend robust für viele industrielle Umgebungen erwiesen. Drahtlose Übertragungen unterliegen jedoch vermehrt dynamischen Variationen und Störungen als fest verdrahtete oder optische Netze.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, zusätzliche Information für die Verwendung bei der Identifikation einer Steuerstrategie, die verwendet werden soll, um einen industriellen Automationsprozess zu steuern, zu liefern. Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, zusätzliche Information für die Verwendung bei der Identifikation einer Steuerstrategie, die verwendet werden soll, um eine industrielle Automationsvorrichtung zu steuern, zu liefern. Ein anderes Ziel besteht darin, zusätzliche Information für die Verwendung in einem Prozesssteuersystem zu liefern, um die Steuerung über den Prozess und/oder die Vorrichtung zu verbessern.

Die obigen Ziele und weitere Ziele werden gemäß der Erfindung durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und einem System gemäß dem unabhängigen Systemanspruch, der die Verwendung des Verfahrens einschließt, erzielt.

Gemäß einem Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses, die oder der eine Steuereinheit, mindestens ein Stellglied und mindestens eine Vorrichtung, die für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinheit des Prozesses ausgebildet ist, umfasst, geliefert, wobei es das Bestimmen mindestens einer Eigenschaft der drahtlosen Übertragung, das statistische Verarbeiten der mindestens einen Eigenschaft und das Liefern eines geschätzten Werts für die Korrektur an die Steuereinheit, und das Auswählen einer Steuerstrategie in Abhängigkeit vom Wert oder den Werten der mindestens einen Eigenschaft der drahtlosen Kommunikation umfasst.

Gemäß einem anderen Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses durch das Implementieren einer Steuerstrategie in einer Steuereinheit der Vorrichtung oder des Prozesses, abhängig von einer Optimierung von Parametern des Kommunikationskanals mittels eines logischen oder arithmetischen Modells oder Prozesses auf der Basis irgend eines Gegenstands aus folgender Liste: regelbasiertes Modell, Zustandsschätzfunktion, Kalman-Filter, deduktive Argumentation, geliefert.

Gemäß einem weiteren anderen Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses durch die Anzeige einer oder mehrerer der Eigenschaften einer drahtlosen Kommunikation zwischen einem Sensor und/oder einem Stellglied und einer Steuereinheit des Prozesses von einer Kommunikationsschicht der drahtlosen Kommunikation geliefert.

Gemäß einem weiteren anderen Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses durch die Anzeige einer oder mehrerer Eigenschaften einer drahtlosen Kommunikation zwischen einem Sensor und/oder Stellglieder einer Steuereinheit des Prozesses von einer MAC-Schicht (Mediumszugangssteuerung) und/oder physikalischen Schicht der drahtlosen Kommunikation geliefert.

Eine Steuerung mit geschlossener Schleife wird ausgeführt durch das Bestimmen eines Ausgabewerts von einem Prozess und in Abhängigkeit von der Aufgabe dem Vergleichen des gemessenen oder anderswie bestimmten Werts mit einem Referenzwert. Die Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem gemessenen Sensorwert wird in die Steuerung eingegeben. Die Steuerung sendet dann wiederum Signale an das Stellglied, so dass der Referenzwert angenähert wird. Es gibt natürlich mehrere mögliche Aufgaben der Regelkreissteuerung. Eine Sollwertregelung, eine Verfolgung (zeitlich variierender Referenzpfad), eine Pfadverfolgung (variierende Referenz unabhängig von der Zeit), eine Störungsdämpfung etc. Die zu steuernde Größe kann die gemessene Ausgabe oder ein Zustand, ein nicht gemessener Zustand oder Kombinationen von gemessenen und nicht gemessenen Zuständen und der Steuervariable sein. In einem Steuersystem gemäß dem Stand der Technik ist die gesamte Kommunikation typischerweise fest verdrahtet, und die Qualität der Kommunikation wird beim Fehlen extremer Bedingungen und/oder einer Beschädigung der Verdrahtung kein Gegenstand der Betrachtung. Wenn jedoch eine oder mehrere der Kommunikationsverbindungen durch drahtlose Mittel ausgeführt werden, kann die Qualität und/oder die Robustheit der Kommunikation einen technischen Gesichtspunkt darstellen.

Das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft das Überwachen der drahtlosen Kommunikation, die in einem gesteuerten Prozess stattfindet, und das Zurückführen der Information an die Steuerung, wobei die Information in eine Steueraktion eingefügt sein kann, beispielsweise mittels des Steueralgorithmus. Eingeschlossene Information kann beispielsweise abhängig sein von: Paketverlust, Verzögerung, Verzögerungsvarianz. Dies bedeutet, dass die Information direkt beispielsweise von einer oder mehreren Kommunikationsschichten genommen werden kann, wobei auch Trends bei den Kommunikationsparametern eingeschlossen werden können. Diese Information kann auch zeitabhängig sein. In dieser Beschreibung umfasst das Konzept einer Vergleichsvorrichtung eine Vergleichsvorrichtung, die die Differenzen zwischen dem gewünschten Verhalten (beispielsweise einem Referenzwert, einer Übertragungskennlinie, einem Trend oder Pfad) und dem des Systems auf der Basis des relevanten Leistungskriteriums identifiziert. Die Vergleichsvorrichtung und der Steuerungsblock können in ein und demselben Modul untergebracht sein.

Der prinzipielle Vorteil der Erfindung ist der, dass das Überwachen der drahtlosen Kommunikation zusätzliche Information liefert, die verwendet werden kann, um die Prozesssteuerung und/oder die Steuerung einer oder mehrerer industriellen Automationsvorrichtungen zu verbessern. Es wird somit mehr Information für die Steuerung von Prozessen und/oder Vorrichtungen geliefert, ohne zugeordnete Sensoren oder Messmittel hinzuzufügen, sondern nur durch das Extrahieren von Information aus existierenden Quellen auf eine neue und erfinderische Art, dem anschließenden Verarbeiten der Information und deren Anwendung auf eine ausgewählte Art und Weise.

Zusätzlich sind weitere und vorteilhafte Aspekte der Erfindung in Bezug auf einen unabhängigen Anspruch für eine graphische Benutzerschnittstelle und einen Anspruch für ein Computerprogramm für das Implementieren des Verfahrens und einen Anspruch für ein Computerprogrammprodukt, das das Computerprogrammprodukt umfasst, beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft unter speziellen Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:

1 ist ein schematisches Diagramm für ein Steuerverfahren für eine geschlossene Rückkopplungsschleife gemäß dem Stand der Technik;

2 ist ein schematisches Blockdiagramm für ein Verfahren für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses mittels einer oder mehreren Steuerstrategien gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

3 ist ein schematisches Flussdiagramm für ein Steuerverfahren für eine geschlossene Rückkopplungsschleife gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

4 ist ein Flussdiagramm für Schritte eines Verfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

5 ist ein Flussdiagramm für Schritte eines Verfahrens für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

6 ist ein schematisches Blockdiagramm für eine graphische Benutzerschnittstelle für das Anzeigen und/oder Manipulieren von Verfahren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

2 zeigt ein schematisches Diagramm für eine Steuerung mit geschlossener Schleife eines industriellen Prozesses, der eine oder mehrere drahtlose Kommunikationsverbindungen einschließt. 2 zeigt eine Steuerung 1a mit geschlossener Rückkopplungsschleife ähnlich dem Beispiel des Stands der Technik, das in 1 gezeigt ist. 2 zeigt eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen, eine Verbindung 7w von einem Sensor zur Steuereinheit 4 und eine Verbindung 9w zwischen der Steuereinheit und dem Stellglied 6, die als drahtlose Verbindungen implementiert sind. Ein Stellglied oder mehrere Stellglieder 6 und ein Sensor oder mehrere Sensoren 8 können in einem Prozess enthalten sein, der als System 1b oder Untersystem bezeichnet wird. Die drahtlose Verbindung 7w und/oder 9w wird überwacht, und Kommunikationsparameter, die bei 15 gesammelt werden, werden an die Steuereinheit 4 gesandt. Die drahtlose Verbindung 7w, 9w kann überwacht werden, und die sich ergebende Information wird an die Steuereinheit 4 gesandt.

Die Parameter des Kommunikationskanals können an die Steuerung zurückgegeben und in den Steueralgorithmus eingeschlossen werden, beispielsweise RSSI (Anzeige der Empfangssignalstärke), Netzbelegung, Paketverlustrate, Übertragungsverzögerung, Übertragungsverzögerungsvarianz. Beispielsweise kann ein Steueralgorithmus eine Form einer auf einem Modell basierenden Steuerung, die eine oder mehrere Zustandsgleichungen verwendet, umfassen. Parameter des Kommunikationskanals können in ein Steuermodell zurückgegeben werden, das in diesem Fall folgende Form annehmen kann:

wobei der Vektor c aus k Kommunikationselementen (Parametern) ci besteht.

Die Kommunikationsparameter werden durch das Lesen von Information, die auf verschiedenen Wegen in den drahtlosen Übertragungen vorhanden ist, überwacht. Das Meiste der Information kann aus einer MAC-Schicht (Medium Access Control, Mediumszugangssteuerung), beispielsweise einem Protokoll des Typs IEEE 802.11 für drahtlose Kommunikation in einem LAN des Ethernet-Typs, oder einem drahtlosen Netzsystem IEEE 802.15.4 erhalten werden. Die Information, die von so einer MAC-Schicht verfügbar ist, kann die folgenden Parameter umfassen:

  • – RSSI Empfangssignalstärkeanzeige
  • – Anzahl der fehlgeschlagenen Übertragungsversuche
  • – Netzbelegung.

Information von solch einer MAC-Schicht kann, während sie in ihrem Ausmaß begrenzt ist, Parameter umfassen, die für irgend eine der folgenden Funktionen relevant sind:

  • – Vorrichtungserkennung
  • – Dienstverfügbarkeit und/oder Klassifikation der Vorrichtung
  • – Schnittstelle zu PHY
  • – Lieferung von Paketen der oberen Schicht
  • – Kodierung/Dekodierung von MAC-Paketen
  • – CSMA/CA Handhabung
  • – FDMA Schnellzugriffshandhabung
  • – Superrahmen-Handhabung (TDMA)
  • – Schnittstelle zu DLC/LLC
  • – CRC-Prüfung

Andere Kommunikationsparameter werden als solches überwacht und nicht von der drahtlosen Übertragungs-Mediums-Zugangssteuerung gelesen oder erhalten. Dies sind Parameter wie:

  • – Variation der verwendeten Senderleistung
  • – Variation der verwendeten Empfängerleistung

Parameter aus der dazwischen liegenden Umgebung des drahtlosen Knotens kann für Analyse- und Steuerzwecke gesammelt werden. Beispielsweise können eine Aktualisierungsrate für einen drahtlosen Sensor und/oder Variationen in der Aktualisierungsrate als ein Parameter aufgezeichnet und ausgewertet werden.

4 zeigt ein Flussdiagramm für Schritte der Verwendung von Parametern von einer drahtlosen Kommunikation in einer Steuerschleife für einen industriellen Prozess gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren kann bei 41 beginnen mit

41b Speichern abgerufener Parameterdaten, und/oder

41c Auswählen eines oder mehrerer Schätzfunktionen, Steuerstrategien, wie beispielsweise über 67, 6, und

41d Lesen von Kommunikationsparametern, Speichern dieser

42 Eingeben von Kommunikationsparametern in eine Schätzfunktion oder einen rekursiven Datenverarbeitungsalgorithmus oder ein Kalman-Filter oder ein anderes strategisches Steuermodell,

45 Ausgeben der Ausgabe einer Schätzfunktion an ein Steuermodell

49 Erzeugen von Steuersignalausgaben in einer Steuerung.

Auf diese Weise kann eine Schätzfunktion oder eine andere Steuerstrategie ausgewählt und verwendet werden, um eine gute Schätzung für eine prädiktive Korrektur in einer Steuerschleife zu liefern, wobei sie zu einem gewissen Grad von der Natur der Information abhängt, die aus den Daten abgeleitet wird, die aus den Eigenschaften der drahtlosen Übertragung gewonnen werden. Ein Koppeln (eine deduktive Argumentation), ein Kalman-Filter, ein neurales Netz oder ähnliches können auch verwendet werden, um einen Korrekturfaktor für die Steuerschleife zu liefern, um Störungen zu identifizieren und/oder einen Prozessfehler zu eliminieren. Eine solche Steuerung beispielsweise eines Stellglieds 6, wie er in der schematischen Steuerschleife der 2 gezeigt ist, kann durch eine korrigierende Aktion auf der Basis von Parametern einer drahtlosen Kommunikation zwischen der Steuereinheit und dem Stellglied und/oder durch eine korrigierende Aktion auf der Basis von Parametern einer drahtlosen Kommunikation zwischen der Steuereinheit und einem Sensor, der mit dem Stellglied zusammenarbeitet, ausgeführt werden. Ein Typ eines auf Regeln basierenden Modells kann ebenfalls verwendet werden.

Für die Zwecke der Entwicklung einer adaptiven Schätzfunktion können auch ein oder mehrere neurale Netze entweder offline oder online in Abhängigkeit von der Situation und der Datenintensität in Bezug auf die Datenhandhabungskapazität und/oder die Berechnungsanforderungen ausgebildet werden. Die Anwendung neuraler Netze kann auch zusammen mit den mathematischen und/oder physikalischen Prozessmodellen als ein relatives neurales Netz stattfinden. Genauso gut oder stattdessen können neurale Netze verwendet werden, um ein oder mehrere technische Prozesse oder angenommene technische Prozesse zu modellieren, die beispielsweise nicht in einem mathematischen und/oder physikalischen Prozessmodell erfasst werden konnten, eine Anwendung, die manchmal als absolute neurale Netze bekannt ist. Eine Online-Ausbildung neuraler Netze kann insbesondere nützlich sein, wenn sie relevant ist, um ein "Montagmorgen-Syndrom" zu bestimmen, das ist eine Variation durch ein erneutes Starten einer Anlage nach einer Ruheperiode oder eine andere Art von "Tageszeitzustand", der in einer industriellen Anlage auftauchen kann, um das Automationssystem an diesen oder diese Zustände anzupassen. Die Ausbildung wird auf der Basis gemessener Eigenschaften, die online aufgezeichnet werden, ausgeführt, wobei diese auf eine Optimierung des hier beschriebenen Typs der Parameter und/oder Prozessmodelle gerichtet sein können.

Eine optimale oder andere bevorzugte Adaption einer mathematischen und/oder physikalischen Prozesssteuerstrategie kann auch mittels genetischer Algorithmen (genetic algorithms) erzielt werden. Es ist möglich, mittels einer stochastischen Mutation verschiedener Näherungen für eine Lösung diese evolutionären Algorithmen zu verwenden, um bevorzugte oder optimale Parametereinstellungen für gewisse Prozesssteuermodelle zu identifizieren. Zusätzlich ist es möglich, mittels einer genetischen Programmierung zu diesem Prozess beizutragen. Mit der Hilfe eines Evolutionstyps der Steuerstrategie ist es dann möglich, strukturelle Verbesserungen an der Vorrichtungs- oder Prozesssteuerung zu erzielen.

Einer oder mehrere dieser Sensoren oder Stellglieder oder anderen Komponenten ist mit einem drahtlosen Sender ausgerüstet; und drahtlose Übertragungen zwischen beispielsweise dem Sensor und einer Steuereinheit des industriellen Prozesses können unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Protokolls ausgeführt werden, wie drahtloses Ethernet, ZigBee oder ein anderes drahtloses Vernetzungsprotokoll oder WLAN-Protokoll. Geeignete Übertragungen können unter Verwendung einer Kurzbereichs-Funkverbindung ausgeführt werden, wie einer Übertragung, die einem Protokoll entspricht, das kompatibel ist mit: Normen, die von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) ausgegeben werden; irgend einer Variation des IEEE-802.11, WiFi, Ultra Wide Band (UWB), ZigBee oder IEEE-802.15.4, IEEE-802.13 oder einem äquivalenten oder ähnlichen System. Eine Norm, die kompatible ist mit WAPI (WLAN Authentication and Privacy Infrastructure, GB15629.11-2003 oder später) kann vorteilhafterweise in Situationen verwendet werden, bei denen eine Verschlüsselung des drahtlosen Signals notwendig oder vorteilhaft ist.

Eine Funktechnik, die bei hohen Frequenzen von gewöhnlicherweise mehr als 400 MHz arbeitet, beispielsweise ein ISM-Typ Band (beispielsweise 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz, 5 GHz oder höher) mit einer signifikanten Interferenzunterdrückung durch eine Technik mit gespreiztem Spektrum oder ein Frequenzsprungverfahren und dergleichen, kann einen bevorzugten Typ einer drahtlosen Kommunikation darstellen. Beispielsweise kann ein drahtloses Protokoll mit breitem Spektrum, bei dem jedes oder irgend ein Datenpaket auf andere Frequenzen eines breiten Spektrums beispielsweise ungefähr sieben Mal pro Millisekunde erneut gesendet wird, verwendet werden, wie in einem Protokoll, das von ABB entwickelt wurde, das als drahtlose Schnittstelle für Sensoren und Stellglieder (Wireless interface for sensors and actuators, Wisa) bezeichnet wird.

Ein oder mehrere Mikroprozessoren (oder Prozessoren oder Computer) umfassen eine zentrale Verarbeitungseinheit CPU, die die Schritte der Verfahren gemäß einem oder mehreren Aspekten der Erfindung ausführt, wie das beispielsweise unter Bezug auf die 3 bis 7 beschrieben ist. Die Vergleichsvorrichtung kann als ein Prozessor ausgebildet sein, oder sie kann als ein Standardcomputer oder Prozessor oder eine andere Vorrichtung oder eine spezielle analoge oder digitale Vorrichtung oder ein oder mehrere speziell angepasste Computer oder Prozessoren, FPGAs (feldprogrammierbare Gatteranordnungen) oder ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) oder andere Vorrichtungen, wie einfach programmierbare logische Vorrichtungen (SPLDs), komplex programmierbare logische Vorrichtungen (CPLDs), feldprogrammierbare Systemchips (FPSCs) ausgebildet sein. Das Verfahren oder die Verfahren, wie die, die in Bezug auf die Figuren, insbesondere die 4 bis 7, beschrieben werden, werden mit Hilfe eines oder mehrerer Computerprogramme, die zumindest zum Teil in einem Speicher gespeichert sind, auf den von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, ausgeführt.

Das Computerprogramm umfasst Computerprogrammkodeelemente oder Softwarekodeteile, die bewirken, dass der Computer, Prozessor oder eine andere Vorrichtung die Verfahren ausführt, unter Verwendung von Gleichungen, Algorithmen, rekursiven Algorithmen, drahtlosen Kommunikationsparameterdaten, gespeicherten Werten, Berechnungen und statistischen Verfahren oder Mustererkennungsverfahren, die vorher beschrieben wurden, beispielsweise in Bezug auf die 2 und 4 bis 6. Ein Teil des Programms kann in einem Prozessor gespeichert sein, aber auch oder stattdessen auch in einem ROM, RAM, PROM, EPROM oder EEPROM-Chip oder ähnlichen Speichermitteln. Das Programm kann zum Teil oder als Ganzes auch lokal (oder zentral) auf oder in einem anderen geeigneten computerlesbaren Medium, wie einer Magnetplatte, CD-ROM oder DVD, Festplatte, magneto-optischen Speichermittel, in einem flüchtigen Speicher, in einem Flash-Speicher, als Firmware oder auf einem Datenserver gespeichert sein. Andere bekannte und geeignete Medien, die abnehmbare Speichermedien, wie ein Sony Memory StickTM umfassen, und andere abnehmbare Flash-Speicher, Festplatten etc. können ebenfalls verwendet werden. Das Programm kann auch zum Teil von einem Datennetz geliefert werden, das ein öffentliches Netz, wie das Internet einschließt. Die beschriebenen Computerprogramme können auch zum Teil als eine verteilte Anwendung, die auf mehreren unterschiedlichen Computern oder Computersystemen zu annähernd der gleichen Zeit ablaufen können, ausgebildet sein.

Verfahren der Erfindung können, insbesondere beispielsweise während einer Konfigurationsphase, mittels einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) ausgeführt werden, um Ereignisse zu untersuchen oder Sollwerte einzustellen, oder nach einem Stopp oder während normalem Betrieb. Diese ist eine graphische Anzeige oder ein Arbeitsplatzrechner einer Bedienperson, der auf einem eingeloggten Computer eines Benutzers, einem tragbaren Computer, einer kombinierten Vorrichtung aus Rechner und Mobiltelefon, einem tragbaren Computer oder PDA etc., der auch eine oder mehrere Texteingabezeilen oder Felder umfassen kann, ablaufen kann. Ein solcher eingeloggter Computer kann direkt mit dem Steuersystem verbunden sein, oder über einen Hauptsteuerserver oder einen lokalen Steuerserver oder eine andere Steuereinheit, wie beispielsweise sogar eine einfache Steuerung oder PLC oder über einen Steuersystemcomputer/eine Workstation.

6 zeigt eine schematische Anordnung einer solchen graphischen Benutzerschnittstelle für das Anzeigen und/oder Manipulieren von Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Figur zeigt eine Anzeige 60 mit einem Teil einer Steuerschleife 61a, die beispielsweise die Steuerschleifen 1a von beispielsweise den 2 und 3 darstellen kann. Darstellungen eines oder mehrerer Stellglieder 76, eines Systems, das in Bezug zur Steuerschleife 71b steht, und eines oder mehrerer Sensoren 71 können gezeigt sein, wobei diese ausgewählt oder anderswie manipuliert werden können, um auf Information, Sollwerte etc. oder andere Daten, die in Bezug stehen zu einem Stellglied, einem Systemteil oder einem Sensor, zuzugreifen, siehe 7. Parameter einer drahtlosen Übertragung werden in der Steuerschleife überwacht (75), von wo Information, wie ein Paketverlust 63, RSSI 66 und Netzbelegung 67, ausgewählt und/oder abgerufen werden können. Die Information über diese Parameter kann in der gezeigten Weise dargestellt werden. Graphische Mittel 68 sind gezeigt, für das Konfigurieren irgend einer der MAC-Parameter, die abgetastet und aufgezeichnet werden sollen. In der Figur sind auch graphische Mittel 67 gezeigt, um eine Schätzfunktion oder eine Steuerstrategie auszuwählen, die ein Kalman-Filter, eine Optimiereinrichtung, eine lineare Optimiereinrichtung, ein Bayes-Statistikmodell oder andere statistische Modellprozesse umfassen. Ein Parameter, der getrennt von der MAC-Schicht gemessen oder gelesen wird, wie die Sensoraktualisierungsrate 64, kann auch für das Einschließen und die Untersuchung mit den anderen Funkeigenschaften gesammelt werden.

5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform. Kommunikationsparameter können zum Teil durch das Aufzeichnen von Fehlerkorrekturroutinen (CRC-Ergebnissen), das Aufzeichnen von Zeitverzögerungen für die Akzeptanz, Zurückweisung, das Aufzeichnen der Zeit für Antworten auf Systemprüfungen gesammelt werden. Funkparameter von aktiv bestimmten Kommunikationszuständen, als auch automatisch verfügbare und automatisch aufgezeichnete, können verarbeitet werden, beginnend mit:

40 Aktiv gesammelte Funkparameter, aufgezeichnet und gelesen,

41 Aktiv aufgezeichnete Funkparameter und andere Standardparameter oder automatisch aufgezeichnete Funkparameter gelesen und gespeichert,

42 Eingeben von aktiven und Standardkommunikationsparameter in eine Schätzfunktion oder einen rekursiven Datenverarbeitungsalgorithmus oder Kalman-Filter,

53 Vergleichen von Werten der Funkparameter mit bekannten Referenzwerten,

54 Identifizieren oder Berechnen von Differenzen zwischen den Funkparametern und den Referenzwerten,

55 Eingeben von Parameter/Referenz-Differenzen in eine Schätzfunktion oder einen rekursiven Datenverarbeitungsalgorithmus oder Kalman-Filter,

57 Ausgeben der Ausgabe oder Ausgaben der Schätzfunktion an ein Steuermodell,

59 Erzeugen von Steuersignalausgaben in einer Steuerung.

7 zeigt eine schematische Anordnung für eine graphische Benutzerschnittstelle für das Anzeigen und/oder Manipulieren von Verfahren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt eine graphische Benutzeranzeige 70, die Elemente umfasst, die Stellglieder 76, ein oder mehrere Teile eines zugehörigen Systems 71b und einen oder mehrere Sensoren 71 darstellen. Die GUI umfasst auch graphisch manipulierbare Mittel 81, 83 bis 89, um Information, die für die Einstellung oder die Korrektur eines oder mehrerer Parameter der Steuerschleife 1a relevant ist, auszuwählen oder zu konfigurieren.

Die Figur zeigt Darstellungen eines oder mehrerer Stellglieder 76, eines Systems 71b, das sich auf die Steuerschleife 61a bezieht, und eines oder mehrerer Sensoren 71. Die Aktivierung der Darstellung der Stellglieder kann Zugang zu Sollwerten 81 oder anderen Steuerschleifenparametern, die korrigiert werden können, oder beispielsweise Konfigurationsdaten liefern. Das Aktivieren der Systemdarstellung kann Zugang zu einer oder mehreren Steueraktionen 83, Daten über Systemtrends 84, Daten über den Trend der Steuerschleife 86 oder über eine Systemstörung 87 liefern, wobei die auch verwendet werden können, um ein oder mehrere Parameter der Steuerschleife 1a zu korrigieren. Die Sensordarstellung kann Zugang zu einer Konfigurationsfunktion 88 und/oder einer Information über das Signal/Rausch-Verhältnis liefern.

In einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die graphische Benutzerschnittstelle oder eine andere HMI als ein Berührungsbildschirm ausgeführt sein. In diesem Fall können Textzeilen oder Bilder, die in der Anzeige einer bevorzugten Ausführungsform eingeschlossen sind, und Mittel, wie Tasten für das Auswählen einer Schätzfunktion oder einer Eingabe als graphische Bilder auf einem Berührungsbildschirm ausgebildet sein. Die Operation kann gemäß dem obigen Verfahren ausgeführt werden und sie kann mittels des Berührens von Teilen des Bildschirms statt des Drückens von Tasten oder dem Klicken mit einer Computermaus oder eine anderen Zeige/Auswahl-Vorrichtung durchgeführt werden.

Eine oder mehrere der Client-Anwendungen der HMI können als ein dünner Client unter Verwendung eines strukturierten Textdokuments oder einer Datei implementiert werden, um die CIM/XML-Information, Argumente, Variablen, Adressen, Verbindungen, abbildbare Objekte, ausführbare Anweisungen, graphische und nicht graphische Komponenten oder Applets, oder beispielsweise ein HTML oder ein anderes auf dem WWW basierenden oder aus HTML abgeleiteten Protokoll oder das XML-Protokoll darzustellen. Das strukturierte Textdokument oder Dateiformat berücksichtigt das Handhaben der graphischen Benutzeranzeige und die Aktivierungsfunktionen des HMI-Client. Aktivierungsfunktionen beziehen sich auf Funktionen auf der Webseite oder der Web-Client-Anzeige, die durch ausführbare Anwendungen oder Applets, die als JavaTM, eine Beschreibungssprache, wie JavaScript oder VBScript oder ähnliche, implementiert sein können, ausgeführt werden. Mittels einer solchen dünnen Client-Version der HMI mit einer Architektur, wie sie oben beschrieben ist, kann ein Benutzer oder ein Techniker über die HMI-Schnittstelle den Status oder Daten untersuchen, einen Parameter konfigurieren, Sollwerte ändern und/oder Befehle aus der Ferne in irgend ein Objekt ausgeben, für das er/sie die Autorität besitzt, dies zu tun.

Es sollte angemerkt werden, dass während Obiges beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschreibt, es mehrere Variationen und Modifikationen gibt, die an der offenbarten Lösung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

ZUSAMMENFASSUNG

Es wird ein Verfahren für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses, umfassend eine Steuereinheit, mindestens ein Stellglied und mindestens eine Vorrichtung, die für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinheit ausgelegt ist, beschrieben. Das Verfahren bestimmt Eigenschaften der drahtlosen Übertragungen, die verwendet werden, um Sensordaten und/oder Stellglieddaten an die Steuereinheit zu übertragen. Das Verfahren, das System und die graphische Schnittstelle ermöglichen es einem Benutzer, eine Steuerstrategie in Abhängigkeit von einem Wert oder von Werten der Eigenschaften der drahtlosen Übertragungen auszuwählen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Steuerung einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses (1), umfassend eine Steuereinheit (4), mindestens ein Stellglied (6) und mindestens eine Vorrichtung (6, 8), die für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinheit des Prozesses ausgelegt ist,

gekennzeichnet durch

– Bestimmen mindestens einer Eigenschaft (15) einer drahtlosen Übertragung,

– statistisches Verarbeiten der mindestens einen Eigenschaft und Liefern eines geschätzten Korrekturwerts an die Steuereinheit,

– Auswählen einer Steuerstrategie in Abhängigkeit vom Wert oder von den Werten der mindestens einen Eigenschaft der drahtlosen Kommunikation.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Implementieren einer Steuerstrategie in der Steuereinheit, die abhängt von einer Optimierung von Parametern des Kommunikationskanals mittels eines logischen oder arithmetischen Modells oder Prozesses, basierend auf einem Gegenstand aus der folgenden Liste: Zustandsschätzfunktion, Kalman-Filter, deduktives Argumentieren. Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch das Eingeben von Information abhängig von Parametern des Kommunikationskanals in ein neurales Netz oder für das Ausbilden des neuralen Netzes. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch das Eingeben von Information abhängig von Parametern des Kommunikationskanals in einen Prozess für das Bestimmen eines geschätzten Werts für eine Störungs- oder eine Fehlerkorrektur auf der Basis eines logischen Modells oder eines Berechnungsmodells nach Bayes oder eines Bayes-Netzes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4,

gekennzeichnet durch

– Vergleichen der mindestens einen Eigenschaft mit einem vorbestimmten Wert für die Eigenschaft,

– statistisches Verarbeiten aller Differenzen zwischen dem bestimmten Eigenschaftswert und einem vorbestimmten Eigenschaftswert, und Liefern der Differenzen an die Steuereinheit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Lesen einer oder mehrerer der Eigenschaften (15) von einer Kommunikationsschicht der drahtlosen Kommunikation. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Lesen einer oder mehrerer der Eigenschaften (15) von einem Zugangssteuerelement eines Kommunikationskanals. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, gekennzeichnet durch das Lesen einer oder mehrerer der Eigenschaften (15) aus einer Mediumzugangssteuerschicht (MAC). Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch das Lesen aus einer MAC-Schicht eines Gegenstands der Liste: ein oder mehrere der RSSI (Empfangssignalstärkeanzeige), Anzahl der fehlgeschlagenen Übertragungsversuche, Netzbelegung. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Lesen einer oder mehrerer der Eigenschaften (15) aus einer physikalischen Schicht der drahtlosen Kommunikation (13, 14). Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Lesen von Information abhängig von gemessenen Trägereigenschaften von einer physikalischen Schicht der drahtlosen Kommunikation. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Lesen von Information, abhängig vom Senden und/oder Empfangen von Information, die Elemente, wie Rahmen oder Pakete enthält. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, gekennzeichnet durch das Lesen von Information in Abhängigkeit von einem Gegenstand der Liste: Paketverlust, Paketsendezeitverzögerung, Paketempfangszeitverzögerung, Paketfehlerrate, Variation der Sendezeitverzögerung, Variation der Empfangszeitverzögerung. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch das Senden eines Testrahmens, der von einem drahtlosen Knoten an einen oder mehrere andere drahtlose Knoten übertragen wird, für Abtastzwecke und Lesen von Information von anderen drahtlosen Knoten oder Zugangspunkten in Abhängigkeit vom Testrahmen, um Information über die Signalstärke zu erhalten. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch das Lesen von Information von drahtlosen Knoten oder Zugangspunkten in Abhängigkeit vom gesendeten Testrahmen und Vergleichen dieser Information mit einer Diensteinstellkennung (service set identifier) oder ähnlichem. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Lesen einer Aktualisierungsrate für einen drahtlosen Sensor. Computerprogramm, das, wenn es in einen Computer oder einen Prozessor gelesen wird, den Computer oder Prozessor veranlasst, ein Verfahren gemäß den Schritten eines der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen. Computerlesbares Medium, umfassend ein Computerprogramm, das, wenn es in einen Computer oder einen Prozessor gelesen wird, den Computer oder Prozessor veranlasst, ein Verfahren gemäß den Schritten eines der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen. Graphische Benutzerschnittstelle für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses (1), die oder der mindestens eine Steuereinheit (4), mindestens ein Stellglied (6) und mindestens eine Vorrichtung (6, 8), die für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinheit des Prozesses ausgelegt ist, umfasst, gekennzeichnet durch eine graphische Benutzerschnittstelle (61) für das Anzeigen von Daten, die für einen Teil der Steuerschleife (1) relevant sind, wobei die GUI eine graphische Benutzerschnittstellenanzeige und/oder Manipulationsmittel für das Konfigurieren einer Steuerstrategie abhängig von einer oder mehreren Eigenschaften einer oder mehrerer der drahtlosen Kommunikationen (13, 14) umfasst. Graphische Benutzerschnittstelle nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine graphische Benutzerschnittstelle, die graphische Benutzerschnittstellenmanipulations- und/oder Anzeigemittel für das Konfigurieren eines Referenzwerts für den Vergleich mit irgend einer der einen oder mehreren Eigenschaften der drahtlosen Kommunikation umfasst. Graphische Benutzerschnittstelle nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine graphische Benutzerschnittstelle, die graphische Benutzerschnittstellenmanipulations- und/oder Anzeigemittel für das Anzeigen eines Teils der Steuerschleife und eine Darstellung für einen oder mehrere Steuerschleifenparameter aufweist, die in Abhängigkeit von irgend einer der einen oder mehreren Eigenschaften der drahtlosen Kommunikation korrigiert werden können. System für das Steuern einer industriellen Automationsvorrichtung oder eines Prozesses (1), die oder der mindestens eine Steuereinheit (4), mindestens ein Stellglied (6) und mindestens eine Vorrichtung (6, 8), die für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinheit des Prozesses ausgebildet ist, umfasst,

gekennzeichnet durch

– Speichermittel (15, 20, 4) für das Speichern einer oder mehrerer Eigenschaften einer oder mehrerer drahtloser Übertragungen (13, 14),

– Mittel zur statistischen Verarbeitung für das Bestimmen einer Schätzung für eine Steuerstrategie abhängig von einer der einen oder mehreren Eigenschaften der drahtlosen Kommunikation.
System nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch Prozessormittel für das Vergleichen einer der einen oder mehreren Eigenschaften mit einem vorbestimmten Wert für einen oder mehrere der Eigenschaften und das Berechnen eines Differenzwertes aus der einen oder mehreren der drahtlosen Übertragungen durch einen logischen und/oder arithmetischen Prozess. System nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch Prozessormittel für das Vergleichen einer der einen oder mehreren Eigenschaften mit einem vorbestimmten Wert für eine oder mehrere der Eigenschaften. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein drahtloses Kommunikationselement umfasst. System nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor ein Sendeelement für eine drahtlose Kommunikation umfasst. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stellglied mindestens einen Empfänger für eine drahtlose Kommunikation umfasst. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Element der drahtlosen Kommunikation für eine drahtlose Kommunikation ausgelegt ist, die mindestens eine physikalische Schicht und mindestens eine Mediumzugangsschicht umfasst. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Element der drahtlosen Kommunikation für eine drahtlose Kommunikation ausgelegt ist, die eine physikalische Schicht und eine Mediumszugangsschicht umfasst, kompatibel mit einer IEEE-Norm 802.11, 802.15.4 und dergleichen. System nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Element der drahtlosen Kommunikation für eine drahtlose Kommunikation, die eine logische Verbindungssteuerschicht umfasst, ausgelegt ist. System nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch dass es mindestens eine Softwareanwendung oder ein Computerprogramm für das Handhaben einer oder mehrerer der Eigenschaften einer oder mehrerer der drahtlosen Übertragungen (13, 14) gemäß dem Computerprogrammanspruch 17 umfasst. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermittel ein nicht flüchtiges Speichermittel (2, 4, 20) für eine Datenspeicherung für das Speichern der einen oder der mehreren Eigenschaften der einen oder der mehreren der drahtlosen Übertragungen (13, 14) und/oder Differenzen oder Information, die von den Eigenschaften abgeleitet wurden, geeignet für einen Datenabruf, für die Verwendung in Verbindung mit einer Steueraktion, umfasst. System nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch mindestens ein Anzeigemittel, das mit dem System verbunden ist oder verbunden werden kann, umfassend Mittel, um eine graphische Benutzerschnittstelle gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21 anzuzeigen.






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