DE102017215508A1 - Automatisierungssystem mit mindestens einem Feldgerät und mindestens einer Steuereinheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Automatisierungssystem (200) mit mindestens einem Feldgerät (110, 120, 130) und mindestens einer Steuereinheit (140), das dazu eingerichtet ist, eine Anwendungsschnittstelle (201) bereitzustellen, über welche eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) von der mindestens einen Steuereinheit (140) auf das mindestens eine Feldgerät (110, 120, 130) durchführbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Automatisierungssystem mit mindestens einem Feldgerät und mindestens einer Steuereinheit sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Automatisierungssystems.
  • Stand der Technik
  • Maschinen zur Herstellung oder Bearbeitung von Werkstücken, z.B. Werkzeugmaschinen oder Bahnbearbeitungsmaschinen, weisen zumeist eine Vielzahl unterschiedlicher Maschinenkomponenten bzw. Geräte (Manipulatoren, Motoren, Regler, Aktoren, Steuereinheiten, etc.) auf, welche mittels eines Netzwerks wie Ethernet miteinander vernetzt sein können. Automatisierungslösungen, um derartige Maschinen automatisiert zu betreiben bzw. die von ihnen durchgeführten Herstellungs- oder Bearbeitungsprozesse automatisiert durchzuführen, sind zumeist gemäß der sogenannten Automatisierungspyramide gegliedert. Gemäß einer derartigen Automatisierungslösung bzw. Automatisierungspyramide ist das System in verschiedene Ebenen gegliedert; bzw. verschiedene Komponenten des Systems und die von diesen Komponenten ausgeführten Funktionen definieren unterschiedliche Ebenen der Automatisierungspyramide.
  • Eine dieser Ebenen ist die sogenannte Feldebene, in welcher insbesondere der tatsächliche Herstellungs- bzw. Bearbeitungsprozess stattfindet. Die Feldebene beschreibt dabei mechanische, elektrische, hydraulische, pneumatische oder ähnliche Maschinenkomponenten, z.B. Generatoren, Motoren, Antriebe. Weiterhin umfasst die Feldebene Feldgeräte, welche direkt in diesen Komponenten der Produktionsanlage integriert sind und für die Steuerung bzw. Regelung dieser Komponenten der Produktionsanlage benötigt werden. Die Feldebene umfasst dabei insbesondere Feldgeräte wie beispielsweise Sensoren, Aktoren, Antriebe, Fühler, Taster und Schalter.
  • Diese Feldgeräte der Feldebene können mit Steuerungen in einer der Feldebene übergeordneten sogenannten Steuerungsebene verbunden sein, beispielsweise mit speicherprogrammierbaren Steuerungen. Sensoren der Feldebene können erfasste Daten an diese Steuerungen weiterleiten bzw. die Steuerungen können Ansteuersignale an die Aktoren der Feldebene übermitteln. Steuerungen der Steuerungsebene können beispielsweise auch eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle aufweisen und z.B. zur Visualisierung von Messdaten dienen.
  • Steuerungen der Steuerungsebene stehen wiederum mit übergeordneten Steuereinheiten der sogenannten Bedien- bzw. Leitebene in Verbindung, welche der Steuerungsebene übergeordnet ist. Diese Leitebene beschreibt insbesondere die oberste Ebene des Automatisierungssystems, in welcher Organisation, Planung, Management der gesamten Anlage ablaufen.
  • Heutzutage spielt die zunehmende Vernetzung der einzelnen Ebenen einer Maschine eine immer größere Rolle, jedoch ist dies bei einer Automatisierungspyramide nur bedingt möglich.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Automatisierungssystem mit mindestens einem Feldgerät und mindestens einer Steuereinheit sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Automatisierungssystems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Automatisierungssystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in analoger Art und Weise.
  • Das Automatisierungssystem ist dazu eingerichtet, eine Anwendungsschnittstelle bereitzustellen, über welche eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts von der mindestens einen Steuereinheit auf das mindestens eine Feldgerät durchführbar ist.
  • Das mindestens eine Feldgerät sowie die mindestens eine Steuereinheit sind zweckmäßigerweise Komponenten bzw. Geräte einer Maschine zur Herstellung oder Bearbeitung von Werkstücken, z.B. Werkzeugmaschinen oder Bahnbearbeitungsmaschinen. Das Automatisierungssystem ermöglicht zweckmäßigerweise ein automatisiertes Betreiben dieser Maschine bzw. ein automatisiertes Durchführen des entsprechenden Herstellungs- oder Bearbeitungsprozesses.
  • Das mindestens eine Feldgerät stellt insbesondere ein Gerät dar, welches gemäß einer herkömmlichen Automatisierungspyramide der Feldebene oder der Steuerungsebene zuzuordnen ist. Die mindestens eine Steuereinheit ist insbesondere ein Gerät, welches gemäß einer herkömmlichen Automatisierungspyramide zweckmäßigerweise einer der Steuerungsebene übergeordneten Ebene zuzuordnen ist, insbesondere der Leitebene.
  • Zum Betreiben des Automatisierungssystems wird in diesem Zusammenhang zwischen den Verwaltungsdaten und sog. Felddaten unterschieden. Die Verwaltungsdaten sind insbesondere Daten zur Verwaltung, insbesondere zur Konfiguration, Einstellung, Überprüfung und/oder Wartung der Feldgeräte bzw. deren Funktionen. Insbesondere sind als Verwaltungsdaten in diesem Zusammenhang Daten zu verstehen, welche die Feldgeräte anweisen, bestimmte Funktionen auszuführen und/oder mittels welchen ein sichererer Betrieb der Feldgeräte gewährleistet bzw. überprüft werden kann. Beispielsweise können die Verwaltungsdaten ein ausführbarer Programmcode oder ein Teil eines derartigen Programmcodes sein, durch dessen Ausführung die Feldgeräte zur Ausübung bestimmter Funktionen angewiesen werden. Es ist auch denkbar, dass durch die Verwaltungsdaten ein derartiger ausführbarer Programmcode konfiguriert, parametriert, überprüft und/oder überarbeitet wird. Die Verwaltungsdaten werden in diesem Zusammenhang insbesondere auch als Managementdaten bezeichnet und die Datenübertragung der Verwaltungsdaten erfolgt zweckmäßigerweise im Zuge einer sog. Managementkommunikation, im Zuge derer die übergeordnete Steuereinheit auf das Feldgerät zugreift, um dieses bzw. dessen Funktionen zu verwalten.
  • Als Felddaten werden in diesem Zusammenhang Daten bezeichnet, welche insbesondere während der Ausführung von Funktionen der Feldgeräte bzw. der Maschine erzeugt und ausgetauscht werden. Zweckmäßigerweise beschreiben die Felddaten einen aktuellen Zustand des Feldgeräts bzw. der Maschine während der ausgeführten Funktion. Felddaten werden zweckmäßigerweise von den Feldgeräten messtechnisch erfasst und/oder rechnerisch bestimmt und/oder untereinander ausgetauscht. Insbesondere sind Sensordaten als derartige Felddaten anzusehen, also insbesondere mittels Sensoren messtechnisch erfasste aktuelle Werte von physikalischen Größen. Auch Ist- und/oder Soll-Werte, welche für die Steuerung bzw. Regelung der Feldgeräte und somit der Maschine verwendet werden, sind in diesem Zusammenhang zweckmäßigerweise als Felddaten zu verstehen. Die Felddaten werden zweckmäßigerweise auch als Betriebsdaten bezeichnet und ein Austausch der Felddaten erfolgt insbesondere im Zuge einer sog. Betriebsdatenkommunikation. Somit orientiert sich die Betriebsdatenkommunikation insbesondere an einem von den Feldgeräten durchgeführten Prozess, wohingegen sich die Managementkommunikation zweckmäßigerweise auf eine Geräte- und Maschinentopologie bezieht.
  • Für den Austausch bzw. die Übermittlung von Felddaten wird insbesondere eine echtzeitfähige Kommunikation benötigt. Zu diesem Zweck wird insbesondere ein echtzeitfähiger Kommunikationskanal verwendet, zweckmäßigerweise ein echtzeitfähiger Feld-, Motion- und/oder Automatisierungsbus, z.B. Sercos 2, Sercos III, EtherCAT, Profinet IRT, Ethernet/IP, Profibus, usw. Im Gegensatz dazu ist für eine Übermittlung von Verwaltungsdaten zweckmäßigerweise keine echtzeitfähige Kommunikation nötig. Die Anwendungsschnittstelle ist daher insbesondere eine nicht echtzeitfähige Schnittstelle, welche auf unkomplizierte und aufwandsarme Weise in das Automatisierungssystem implementiert werden kann.
  • Bei dem vorliegenden Automatisierungssystem erfolgt somit eine Trennung der Management- und Betriebsdatenkommunikation. Management- bzw. Verwaltungsdaten und Betriebs- bzw. Felddaten werden in dem Automatisierungssystem jeweils auf unterschiedliche Weisen ausgetauscht. Durch die Erfindung wird somit eine Automatisierungslösung von Maschinen bereitgestellt, welche sich insbesondere von herkömmlichen Automatisierungspyramiden unterscheidet und deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Automatisierungspyramiden aufweist, wie nachfolgend beschrieben wird.
  • Gemäß herkömmlichen Automatisierungspyramiden ist eine Vernetzung von Feldgeräten der Feld- oder Steuerungsebene mit Steuereinheiten der Leitebene zumeist nicht ohne weiteres oder nur bedingt möglich. Bei herkömmlichen Automatisierungspyramiden wird eine Kommunikation auf einer Ebene der Pyramide als horizontale Integration bezeichnet und findet zwischen den Komponenten dieser Ebene statt. Vertikale Integration bezeichnet den Informationsfluss zwischen Komponenten verschiedener Ebenen. Die Steuerungsebene, die gemäß herkömmlichen Automatisierungspyramiden zwischen der Feld- und der Leitebene liegt, ist üblicherweise für eine Kommunikation zwischen Leit- und Feldebene und somit insbesondere für die vertikale Integration zuständig. Innerhalb der Steuerungsebene kann auch eine horizontale Kommunikation stattfinden, beispielsweise zwischen einzelnen Steuerungen bzw. Steuergeräten.
  • Jedoch trennt die Steuerungsebene dabei die Leitebene und die Feldebene vielmehr voneinander, als dass sie diese miteinander verbindet. Geräte der Steuerungsebene ermöglichen nur einen stark eingeschränkten Zugriff von Geräten der Leitebene auf Feldgeräte der Feldebene. Somit ist es nicht oder zumindest kaum möglich, flexibel und spontan, je nach aktuellem Bedarf von Geräten der Leitebene auf beliebige Feldgeräte der Feldebene zuzugreifen. Steuerungen der Steuerungsebene können üblicherweise nur mit denjenigen Feldgeräten der Feldebene und denjenigen Steuereinheiten der Leitebene auf diejenige Art und Weise interagieren, wie es gemäß ihrer a priori festgelegten Programmierung vorgesehen ist. Demgemäß können die Steuerungsgeräte nur eine beschränkte Menge an Daten und Informationen aus der Feldebene an die Leitebene weiterleiten.
  • Gemäß herkömmlichen Automatisierungspyramiden bzw. Automatisierungslösungen beschränkt sich die vertikale Integration üblicherweise darauf, im laufenden Betrieb der Maschine Felddaten von den Feldgeräten „nach oben“ an Steuereinheiten der Leitebene zu übermitteln. Eine Datenübertragung von den übergeordneten Steuereinheiten der Leitebene auf die Feldgeräte ist dabei zumeist nicht oder nur in sehr eingeschränktem Maße vorgesehen. Insbesondere ist eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten und somit eine Verwaltung der Maschine bzw. der Feldgeräte im laufenden Betrieb der Maschine üblicherweise nicht vorgesehen. Bei herkömmlichen Automatisierungslösungen erfolgt eine Verwaltung zumeist vor Inbetriebnahme der Maschine, eine nachträgliche Verwaltung oder Konfiguration ist zumeist nur mit erheblichem Aufwand möglich.
  • Ein flexibler Zugriff von Geräten der Leitebene auf Feldgeräte der Feldebene ist a posteriori bei herkömmlichen Automatisierungslösungen zumeist mit enormem Aufwand verbunden, da hierfür zumeist ein nachträgliches (manuelles) Anpassen von Geräten innerhalb der Steuerungsebene (beispielsweise ein nachträgliches Anpassen einer SPS-Programmierung) notwendig ist. Somit besteht bei herkömmlichen Automatisierungspyramiden nur eine äußerst eingeschränkte vertikale Integration, also eine äußerst eingeschränkte Möglichkeit der Interaktion bzw. Kommunikation zwischen Feldgeräten der Feldebene und Geräten der Leitebene.
  • Auf analoge Weise ist auch eine horizontale Integration zwischen Feldgeräten der Feldebene gemäß herkömmlichen Automatisierungspyramiden nur mit großem Aufwand zu realisieren, sofern diese Feldgeräte nicht direkt miteinander verbunden sind oder sofern nicht a priori eine entsprechende Kommunikation dieser Feldgeräte über eine Steuerung der Steuerungsebene vorgesehen ist.
  • Die Erfindung ermöglicht im Gegensatz dazu eine einfache und effektive Vernetzung von Feldgeräten der Feld- und Steuerungsebene und Steuereinheiten der Leitebene, insbesondere durch die Trennung von Management- und Betriebsdatenkommunikation. Durch die Erfindung ist es zweckmäßigerweise nicht nötig, Geräte der Steuerungsebene für die Datenübertragung zwischen Feldgeräten der Feldebene und Steuereinheit der Leitebene und somit für die vertikale Integration zu verwenden, sondern durch die Anwendungsschnittstelle kann eine direkte Datenübertragung zwischen Geräten der Feld- und/oder Steuerungsebene und Geräten der Leitebene im Zuge der Managementkommunikation ohne zwischengeschaltete Geräte erfolgen.
  • Durch die Managementkommunikation über die Anwendungsschnittstelle wird eine flexible und spontane Verwaltung der Feldgeräte der Feld- und/oder Steuerungsebene ohne großen Aufwand ermöglicht und kann zweckmäßigerweise zu jedem Zeitpunkt durchgeführt werden. Steuereinheiten der Leitebene können insbesondere flexibel auf beliebige Feldgeräte zugreifen und somit insbesondere eine Verwaltung der Maschine bzw. der Feldgeräte im laufenden Betrieb der Maschine durchführen.
  • Weiterhin erlaubt das Automatisierungssystem zweckmäßigerweise über die Anwendungsschnittstelle eine Kommunikation der Feldgeräte bzw. der Steuereinheiten untereinander, so dass auf aufwandsarme Weise sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Integration ermöglicht wird. Insbesondere kann somit eine Vernetzung einzelner Geräte einer Maschine erreicht werden, ohne die stringente Ebenenstruktur herkömmlicher Automatisierungspyramiden. Zweckmäßigerweise wird es somit ermöglicht, flexibel und spontan, je nach aktuellem Bedarf von Geräten der Leitebene auf beliebige Feldgeräte der Feldebene und/oder beliebige Steuereinheiten der Steuerungsebene zuzugreifen.
  • Vorteilhafterweise ist die Anwendungsschnittstelle als ein ausführbares Computerprogramm auf dem mindestens einen Feldgerät und/oder auf einer mit dem mindestens einen Feldgerät verbundenen Recheneinheit bereitgestellt. Die Anwendungsschnittstelle ist somit zweckmäßigerweise als eine Software-Schnittstelle realisiert und erfolgt insbesondere durch eine Softwarekomponente bzw. ein Dienstprogramm. Diese Softwarekomponente bzw. das ausführbare Computerprogramm kann direkt in das Feldgerät, z.B. SPS, Antrieb, IO-Koppler, integriert sein oder auf einer separaten Hardware laufen (Gateway) und das Management der unterlagerten Feldgeräte übernehmen. Durch ein derartiges Gateway bzw. eine derartige mit dem mindestens einen Feldgerät verbundene Recheneinheit wird es zweckmäßigerweise ermöglicht, die Anwendungsschnittstelle nachträglich in eine Maschine einzubringen und eine vorhandene Maschine entsprechend nachzurüsten. Auch wenn die Feldgeräte nicht genug Ressourcen besitzen, um die entsprechende Softwarekomponente auszuführen, ist die Verwendung einer mit dem mindestens einen Feldgerät verbundenen Recheneinheit vorteilhaft, um die Anwendungsschnittstelle zu implementieren.
  • Vorzugsweise ist die mindestens eine Steuereinheit als eine externe Recheneinheit ausgebildet, zweckmäßigerweise als ein Server, und/oder als ein entferntes, verteiltes Recheneinheitssystem, insbesondere als ein sog. Cloud. Beispielsweise kann die mindestens eine Steuereinheit auch als ein herkömmlicher PC oder ein Smart Device verwendet werden, insbesondere ein tragbares Handgerät, z.B. ein Touchscreenhandgerät, etwa ein Smartphone oder ein Tablet-PC. Die mindestens eine Steuereinheit wird zweckmäßigerweise als ein Teil der Leitebene verwendet, welche insbesondere eine Unternehmensführung eines Unternehmens charakterisiert, welche die entsprechend Maschine betreibt und insbesondere sowohl Planung des Produktionsprozesses im Speziellen als auch Management und Organisation der Ressourcen des gesamten Unternehmens (Kapital, Betriebsmittel oder Personal) im Allgemeinen umfasst. Zweckmäßigerweise wird die mindestens eine Steuereinheit im Zuge eines Ablaufs und einer Organisation eines speziellen (verfahrens-) technischen Produktionsprozesses verwendet.
  • Bevorzugt ist das mindestens eine Feldgerät als Sensor und/oder Aktor und/oder Antrieb und/oder Fühler und/oder Taster und/oder Schalter und/oder eine Steuerung ausgebildet. Ein als Steuerung ausgebildetes Feldgerät ist zweckmäßigerweise der mindestens einen Steuereinheit der Leitebene untergeordnet und insbesondere der Steuerungsebene zuzuordnen und kann beispielsweise als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), CNC-Steuerung (Computerized Numerical Control), NC-Steuerung (Numerical Control), Motion-Logic-Steuerung (MC - Motion Control) und/oder eingebettetes Mikrocontrollersystem (embedded microcontrollersystem) ausgebildet sein. Derartige Feldgeräte sind insbesondere in der Lage, Felddaten in Form von Messsignalen bzw. Messdaten und/oder Steuerungs-/Regelungssignalen auszusenden und zu empfangen, mittels welcher eine Regelung bzw. Steuerung der Maschine bzw. des entsprechenden Produktionsprozesses möglich ist.
  • Die Feldgeräte und die Steuereinheiten können räumlich nahe beieinander angeordnet sein und beispielsweise in demselben Gebäude angeordnet sein oder können auch räumlich weit voneinander getrennt sein. In letzterem Fall können die Feldgeräte beispielsweise in einem Gebäude angeordnet sein, in welchem sich die Maschine befindet und in welchem der entsprechende Produktionsprozess durchgeführt wird. Die Steuereinheiten der Leitebene können beispielsweise in einem von diesem Gebäude entfernten Verwaltungsgebäude angeordnet sein.
  • Das mindestens eine Feldgerät sowie die mindestens eine Steuereinheit sind zweckmäßigerweise Komponenten bzw. Geräte einer Maschine, welche insbesondere als eine Werkzeugmaschine, wie beispielsweise ein Schweißsystem, ein Schraubsystem, eine Drahtsäge oder eine Fräsmaschine, oder als eine Bahnbearbeitungsmaschine, wie z.B. eine Druckmaschine, eine Zeitungsdruckmaschine, eine Tiefdruck-, Siebdruckmaschine, eine Inline-Flexodruckmaschine oder eine Verpackungsmaschine ausgebildet sein kann. Die Maschine kann auch als eine (Band-)Anlage zur Herstellung eines Automobils oder zur Herstellung von Komponenten eines Automobils (z.B. Verbrennungsmotoren oder Steuergeräte) ausgebildet sein. Insbesondere wird mittels der Maschine ein Werkstück oder Produkt hergestellt, bearbeitet oder transportiert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird von der bereitgestellten Anwendungsschnittstelle überprüft, ob eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten erfolgen soll. Wenn dies der Fall ist, wird die Datenübertragung durchführt. Die Anwendungsschnittstelle, insbesondere das entsprechende ausgeführte Computerprogramm, nimmt dabei zweckmäßigerweise autonom von sich aus eine Verbindung zu der mindestens einen Steuereinheit auf und fragt bei dieser nach, ob eine Datenübertragung erfolgen soll. Insbesondere werden für die Anwendungsschnittstelle dabei verschlüsselte Web-Protokolle verwendet, z.B. https, websockets.
  • Vorteilhafterweise wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts eine Konfiguration des mindestens einen Feldgeräts durchgeführt, beispielsweise eine Produktkonfiguration oder eine Konfiguration einer Datenbereitstellung des mindestens einen Feldgeräts. Zweckmäßigerweise kann zu diesem Zweck eine Software konfiguriert werden, welche zum Ausführen von Funktionen des Feldgeräts ausgeführt wird. Insbesondere wird es somit ermöglicht, die Datenbereitstellung nachträglich durch das Managen dieser Software zu konfigurieren.
  • Vorzugsweise wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts ein ausführbarer Programmcode, insbesondere eine Applikation, von der mindestens einen Steuereinheit auf das mindestens eine Feldgerät geladen. Insbesondere kann durch diesen ausführbaren Programmcode eine neue oder überarbeitete Funktion der Feldgeräte implementiert werden. Insbesondere können ein komplett neuer Programmcode und eine komplett neue Funktion der Feldgeräte nachträglich während des Betriebs der Maschine implementiert werden.
  • Vorteilhafterweise wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts ein Update, insbesondere ein Sicherheitsupdate, des mindestens einen Feldgeräts durchgeführt. Zweckmäßigerweise kann somit ein bereits vorhandener Programmcode auf einfache Weise überarbeitet oder ersetzt werden.
  • Bevorzugt wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts eine Parametrierung des mindestens einen Feldgeräts durchgeführt. Somit kann eine Parametrierung von mehreren Feldgeräten zweckmäßigerweise zentral von der übergeordneten Steuereinheit durchgeführt werden und nicht lokal auf jedem Feldgerät selbst.
  • Vorzugsweise wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts eine Überwachung des mindestens einen Feldgeräts durchgeführt, insbesondere eine Zustands-, Geräte- und/oder Maschinenüberwachung. Insbesondere kann somit überprüft werden, ob die Feldgeräte bzw. die Maschine korrekt funktioniert und ob sich Messwerte, welche einen aktuellen Zustand der Maschine beschreiben, im Rahmen zulässiger Toleranzintervalle befinden.
  • Bevorzugt wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts eine Wartung des mindestens einen Feldgeräts durchgeführt, insbesondere eine vorbeugende Wartung. Somit kann auf aufwandsarme Weise eine automatische Wartung der Maschine aus der Ferne durchgeführt werden, insbesondere ohne manuelles Eingreifen von Mitarbeitern.
  • Vorzugsweise wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts das mindestens eine Feldgerät in Betrieb genommen. Somit kann zweckmäßigerweise eine automatische Inbetriebnahme aus der Ferne erfolgen, ohne manuelles Eingreifen eines Mitarbeiters. Zweckmäßigerweise kann das mindestens eine Feldgerät durch die Datenübertragung auch außer Betrieb genommen werden, beispielsweise um anschließend eine Wartung durch eine weitere Datenübertragung vorzunehmen. Anschließend kann das Feldgerät durch eine weitere Datenübertragung wieder in Betrieb genommen werden.
  • Vorteilhafterweise wird durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts eine Lizenzierung des mindestens einen Feldgeräts und/oder einer Funktionalität des mindestens einen Feldgeräts durchgeführt. Beispielsweise kann nach einer erfolgreich durchgeführten Wartung eine entsprechende Lizenz verlängert werden.
  • Bevorzugt wird die Datenübertragung von Verwaltungsdaten gemäß IT-Sicherheitsmechanismen zum Schutz der Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit durchgeführt. Derartige IT-Sicherheitsmechanismen betreffen insbesondere den Schutz von Organisationen, z.B. Unternehmen und deren Werte gegen Bedrohungen, sowie die Verhinderung von wirtschaftlichem Schaden. Insbesondere kann durch entsprechende IT-Sicherheitsmechanismen ein Zugriff auf die Verwaltungsdaten beschränkt und nur autorisierten Benutzern oder Programme erlaubt werden. Durch die IT-Sicherheitsmechanismen werden somit vorteilhafterweise die Schutzziele Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Integrität sichergestellt. Unter Vertraulichkeit („confidentiality“) ist dabei insbesondere zu verstehen, dass (Verwaltungs-) Daten lediglich von autorisierten Benutzern gelesen bzw. modifiziert werden dürfen. Dies gilt insbesondere sowohl beim Zugriff auf gespeicherte Daten, wie auch während der Datenübertragung. Durch Integrität („integrity“) wird insbesondere erreicht, dass Daten nicht unbemerkt verändert werden dürfen und dass alle Änderungen insbesondere nachvollziehbar sind. Durch Verfügbarkeit („availability“) werden insbesondere Systemausfälle verhindert, da ein Zugriff auf die (Verwaltungs-) Daten innerhalb eines vereinbarten Zeitrahmens gewährleistet wird. Beispielsweise können als derartige IT-Sicherheitsmechanismen Verschlüsselungsmechanismen, Signaturen und/oder Firewalls verwendet werden, Sicherheitskopien erstellt werden usw.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Insbesondere kann auf dieser Recheneinheit ein entsprechendes Computerprogramm ausgeführt werden, um die Anwendungsschnittstelle bereitzustellen. Dabei kann die Recheneinheit mit dem mindestens einen Feldgerät verbundenen sein oder kann selbst als eines der Feldgeräte ausgebildet sein, z.B. als SPS, Antrieb, IO-Koppler, usw.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch ein herkömmliches Automatisierungssystem einer Maschine nach dem Stand der Technik.
    • 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Automatisierungssystems einer Maschine, das dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • In 1 ist ein herkömmliches Automatisierungssystem einer Maschine nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
  • Die Maschine ist beispielsweis als eine Bahnbearbeitungsmaschine ausgebildet, mittels welcher im Zuge eines Produktionsprozesses Werkstücke hergestellt werden können. Um die Maschine automatisiert zu betreiben bzw. um den Produktionsprozess automatisiert durchzuführen, ist eine herkömmliche Automatisierungslösung 100 gemäß der Automatisierungspyramide vorgesehen, gemäß welcher die Maschine in verschiedene Ebenen gegliedert ist. Verschiedene Maschinenkomponenten definieren dabei unterschiedliche Ebenen der Automatisierungspyramide.
  • In einer untersten dieser Ebenen, der sog. Feldebene, sind Feldgeräte 110 der Servotechnik vorgesehen. Als derartige Feldgeräte 110 sind beispielsweise Aktoren in Form von Servomotoren 111 bis 115 sowie Sensoren 116 vorgesehen. Beispielsweise können mit Hilfe der Servomotoren 111 bis 115 Förderbänder in Bewegung versetzt und Roboterarme angesteuert werden, welche auf den Förderbändern transportierte Werkstücke bearbeiten und/oder transportieren.
  • Neben den Feldgeräten 110 der Servotechnik sind in der Feldebene weitere Feldgeräte 120 zur Ein- und/oder Ausgabe bzw. zur Antriebsverstärkung vorgesehen. Die Servomotoren 111 bis 115 sind dabei jeweils mit einem Antriebsverstärker 121 bis 125 verbunden. Die Sensoren 116 sind mit einem IO-Koppler 126 verbunden.
  • In einer der Feldebene übergeordneten Steuerungsebene sind Steuerungen 130 vorgesehen, welche zur Ansteuerung der Feldgeräte 110, 120 der Feldebene vorgesehen sind. Zu diesem Zweck tauschen die Steuerungen 130 der Steuerungsebene mit den Feldgeräten 110, 120 der Feldebene Felddaten aus, z.B. Sensordaten, Ist- und Soll-Werte. Diese Feld- bzw. Betriebsdaten werden während der Ausführung von Funktionen der Feldgeräte 110, 120 erzeugt und ausgetauscht.
  • Um eine präzise Steuerung bzw. Regelung der Maschine 100 zu gewährleisten, wird für den Austausch dieser Felddaten (sog. Betriebsdatenkommunikation) insbesondere eine echtzeitfähige Kommunikation benötigt. Daher sind für die Betriebsdatenkommunikation echtzeitfähige Kommunikationskanäle 101 vorgesehen, beispielsweise Feldbusse wie Sercos, Profibus, Profinet usw.
  • Im dargestellten Beispiel sind die Feldgeräte 111 bis 113 bzw. 121 bis 123 über einen ersten Feldbus mit der SPS 131 verbunden und die Feldgeräte 114 bis 116 bzw. 124 bis 126 über einen zweiten Feldbus mit der SPS 132. Weiterhin sind die Steuerungen 131 und 132 über einen weiteren Feldbus miteinander verbunden.
  • Beispielsweise kann in der Steuerungsebene eine weitere Steuerung 133 vorgesehen sein, welche als eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle z.B. zur Visualisierung von Messdaten dient.
  • Die oberste Ebene der Automatisierungspyramide ist die der Steuerungsebene übergeordnete Leitebene, in welcher Organisation, Planung, Management der gesamten Maschine ablaufen. Die Leitebene charakterisiert insbesondere eine Unternehmensführung eines Unternehmens, welche die Maschine betreibt und kann insbesondere sowohl Planung des Produktionsprozesses im Speziellen als auch Management und Organisation der Ressourcen des gesamten Unternehmens (Kapital, Betriebsmittel oder Personal) im Allgemeinen umfassen. Im vorliegenden Beispiel sind als Steuereinheiten 140 in dieser Leitebene ein PC 141 sowie ein Server 142 dargestellt, welche beispielsweise über eine Ethernet Verbindung 102 mit den Steuerungen 131, 132 der Steuerungsebene verbunden sind.
  • Eine Kommunikation auf einer Ebene der Automatisierungspyramide wird als horizontale Integration bezeichnet und findet zwischen den Komponenten dieser Ebene statt. Eine Kommunikation zwischen Komponenten verschiedener Ebenen wird als vertikale Integration bezeichnet. Bei einer derartigen Automatisierungslösung 100 gemäß einer herkömmlichen Automatisierungspyramide sind eine horizontale und eine vertikale Integration zumeist nur sehr eingeschränkt möglich.
  • Für eine Kommunikation der Feldgeräte 110, 120 der Feldebene mit den Steuereinheiten 140 der Leitebene sind bei der Automatisierungslösung 100 die Steuerungen 130 der Steuerungsebene zuständig. Dabei können die Steuerungen 130 der Steuerungsebene üblicherweise nur gemäß ihrer a priori festgelegten Programmierung mit bestimmten Feldgeräten auf eine bestimmte Art und Weise interagieren. Ein flexibler spontaner Zugriff von Steuereinheiten 140 der Leitebene auf beliebige Feldgeräte 110, 120 der Feldebene ist dabei zumeist nicht möglich.
  • Des Weiteren ist auch eine horizontale Integration der Feldgeräte 110 bzw. 120 der Feldebene untereinander kaum möglich, da a priori nur eine Kommunikation der Feldgeräte 120 mit der entsprechenden Steuerung 131 bzw. 132 vorgesehen ist.
  • Die Erfindung schlägt daher ein Automatisierungssystem vor, welches eine einfache und effektive Vernetzung von Feldgeräten 110, 120, 130 der Feld- und Steuerungsebene und Steuereinheiten 140 der Leitebene und auf aufwandsarme Weise sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Integration ermöglicht.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Automatisierungssystems einer Maschine ist in 2 schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet. Identische Bezugszeichen in den 1 und 2 bezeichnen dabei gleiche oder gleichwirkende Elemente.
  • Das Automatisierungssystem 200 ist dazu eingerichtet, eine Anwendungsschnittstelle 201 zwischen Feldgeräten 110, 120, 130 der Feld- und Steuerungsebene und Steuereinheiten 140 der Leitebene bereitzustellen. Diese Anwendungsschnittstelle 201 ist insbesondere als eine Software-Schnittstelle ausgebildet und wird beispielsweise durch ein ausführbares Computerprogramm bereitgestellt, welches auf einer Recheneinheit 210 (Gateway) ausgeführt wird. Diese Recheneinheit 210 ist mit den Feldgeräten 110 ,120 ,130 der Feld- und Steuerungsebene und mit den Steuereinheiten 140 der Leitebene jeweils über eine (nicht zwangsweise echtzeitfähige) Kommunikationsverbindung 220, 230 bzw. 240 verbunden.
  • Über diese Anwendungsschnittstelle 201 ist eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten zur Verwaltung der Feldgeräte 110, 120, 130 von den Steuereinheiten 140 der Leitebene durchführbar. Als derartige Verwaltungsdaten sind in diesem Zusammenhang insbesondere Daten zu verstehen, welche die Feldgeräte 110, 120, 130 anweisen, bestimmte Funktionen auszuführen und/oder mittels welchen ein sichererer Betrieb der Feldgeräte gewährleistet bzw. überprüft werden kann. Die Verwaltungsdaten werden insbesondere auch als Managementdaten bezeichnet. Eine Datenübertragung der Verwaltungsdaten erfolgt zweckmäßigerweise im Zuge einer sog. Managementkommunikation, im Zuge derer die Steuereinheiten 140 auf die Feldgeräte 100, 120, 130 zugreifen können, um diese bzw. deren Funktionen zu verwalten.
  • Insbesondere erfolgt somit eine Trennung von Management- und Betriebsdatenkommunikation. Die Betriebsdatenkommunikation kann dabei zweckmäßigerweise analog zu obiger Beschreibung in Bezug auf 1 mit Hilfe der echtzeitfähigen Kommunikationskanäle 101 zwischen den Steuerungen 130 der Steuerungsebene und den Feldgeräten 110, 120 der Feldebene erfolgen. Die Managementdatenkommunikation wird zweckmäßigerweise nicht über die Steuerungen 130 der Steuerungsebene realisiert, sondern mit Hilfe der Anwendungsschnittstelle 201.
  • Zu diesem Zweck ist das Automatisierungssystem 200, insbesondere die Recheneinheit 210, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Dabei wird von der Anwendungsschnittstelle 201 bzw. von der Recheneinheit 210 in vorgegebenen Zeitintervallen überprüft, ob eine Datenübertragung von einer der Steuereinheiten 140 auf eines der Feldgeräte 110, 120, 130 erfolgen soll. Wenn dies der Fall ist, wird die Datenübertragung entsprechend durchführt.
  • Beispielsweise kann im Zuge der Managementkommunikation von dem PC 141 eine Wartung der Servomotoren 111 bis 115 durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden die Servomotoren 111 bis 115 von dem PC 141 zunächst durch eine erste Datenübertragung von Verwaltungsdaten außer Betrieb genommen. Anschließend wird die Überprüfung bzw. Wartung durch eine zweite Datenübertragung von Verwaltungsdaten durchgeführt. Anschließend werden die Servomotoren 111 bis 115 durch eine dritte Datenübertragung wieder in Betrieb genommen.

Claims (19)

  1. Automatisierungssystem (200) mit mindestens einem Feldgerät (110, 120, 130) und mindestens einer Steuereinheit (140), das dazu eingerichtet ist, eine Anwendungsschnittstelle (201) bereitzustellen, über welche eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) von der mindestens einen Steuereinheit (140) auf das mindestens eine Feldgerät (110, 120, 130) durchführbar ist.
  2. Automatisierungssystem (200) nach Anspruch 1, wobei die Anwendungsschnittstelle (201) als ein ausführbares Computerprogramm auf dem mindestens einen Feldgerät (110, 120, 130) und/oder auf einer mit dem mindestens einen Feldgerät (110, 120, 130) verbundenen Recheneinheit (210) bereitgestellt ist.
  3. Automatisierungssystem (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Steuereinheit (140) als eine externe Recheneinheit (141, 142) und/oder als ein entferntes, verteiltes Recheneinheitssystem ausgebildet ist.
  4. Automatisierungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Feldgerät (110, 120, 130) als Sensor (116) und/oder Aktor und/oder Antrieb (111, 112, 113, 114, 115) und/oder Fühler und/oder Taster und/oder Schalter und/oder eine Steuerung (131, 132, 133) ausgebildet ist.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Automatisierungssystems (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anwendungsschnittstelle (201) bereitgestellt wird und wobei über die bereitgestellte Anwendungsschnittstelle (201) eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) von der mindestens einen Steuereinheit (140) auf das mindestens einen Feldgerät (110, 120, 130) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Anwendungsschnittstelle (201) durch ein Computerprogramm bereitgestellt wird, welches auf dem mindestens einen Feldgerät (110, 120, 130) und/oder auf einer mit dem mindestens einen Feldgerät (110, 120, 130) verbundenen Recheneinheit (210) ausgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei von der bereitgestellten Anwendungsschnittstelle (201) überprüft wird, ob eine Datenübertragung von Verwaltungsdaten erfolgen soll und wobei die Datenübertragung durchführt wird, wenn dies der Fall ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) eine Konfiguration des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) ein ausführbarer Programmcode, insbesondere eine Applikationen, von der mindestens einen Steuereinheit (140) auf das mindestens eine Feldgerät (110, 120, 130) geladen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) ein Update, insbesondere ein Sicherheitsupdate, des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) eine Parametrierung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) eine Überwachung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) eine Wartung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) das mindestens eine Feldgerät (110, 120, 130) in Betrieb genommen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, wobei durch die Datenübertragung zur Verwaltung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) eine Lizenzierung des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) und/oder einer Funktionalität des mindestens einen Feldgeräts (110, 120, 130) durchgeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, wobei die Datenübertragung von Verwaltungsdaten gemäß IT-Sicherheitsmechanismen zum Schutz der Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit durchgeführt wird.
  17. Recheneinheit (210), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 16 durchzuführen.
  18. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (210) veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (210) ausgeführt wird.
  19. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 18.
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