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Lernfähige elektronische Steuereinheit mit Mikrocomputer
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Die ;1Jfindung betrifft eine elektronische einen Nikrocoiiiputer enthaltende
Steuereinheit, die in der Lage ist, eine Folge von Steuerungsmaßnahmen selbständig
zeit-, maß- und bedingungsgetreu zu wiederholen, nachdem sie diese Maßnahmenfolge
in einer Lernphase einmal unselbständig und geführt durch einen 'Lehrer', der eine
Person oder eine andere Steuereinheit sein kann, getätigt hat.
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Die lernfähige elektronische Steuereinheit mit Nikrocomputer kann
zur Steuerung von Apparaturen wie Werkzeugmaschinen, Sondermaschinen, Apparaten,
Anlagen, Lagerbediengeräten, Transporteinrichtungen verwendet werden. Der Steuereinheit
kommt hierbei die Aufgabe zu, Ablauffolgen zu steuern, die aus mechanischen Bewegungrsvorgängen,
aus dem Ein- und Ausschalten und dem Regulieren elektrischer Ströme, dem Regulieren
von Flüssigkeits- oder Gas-Strömungen bestehen.
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Elektronische Steuereinheiten mit Mikrocomputer zur Steuerung von
Maschinen und Apparaten sind bekannt.
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Sie benötigen zur Durchführung ihrer Steuerungsaufgaben Programme,
welche ihnen meist auf Lochstreifen oder anderen Datenträgern von außen her zugeführt
werden.
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Die bekannten Steuereinheiten mit Mikrocomputer sind jedoch durchweg
nicht in der Lage, sich ein Programm aufgrund eines Modellablaufs selbst aufzubauen
und
mit einem solchen Programm den Modellablauf zeit-, maß- und bedingungsgetreu zu
wiederholen.
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Andererseits sind lernfähige Großcomputer durchaus bekannt, doch scheiden
diese wegen ihres extrem hohen Preises für die Steuerung von Werkzeugmaschinen,
Apparaten in der Mehrzahl der Fälle aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Steuereinheit
mit Mikrocomputer anzugeben, die in der Lage ist, während eines Modellablaufs, bei
dem sie durch einen Lehrer geführt wird, der eine Person oder eine andere Steuereinheit
sein kann, in ihrem Speicher ein Programm aufzubauen, mit dessen Hilfe sie den Modellablauf
zeit-, maß- und bedingungsgetreu beliebig oft wiederholen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung elektrisch
miteinander verbunden er elektronischer Bausteine gelöst, als deren wesentliche
Potentialbaustein, Mikroprozessor, Festwertspeicher, Schreib-Lese-Speicher, Unterbrechungsmelder,
Konsoltastatur, Externsignalpuffer, Führungssignalgeber, Meßsignalmelder und Bedingungssignalmelder
anzusehen sind und die eine Anzahl binärer Externsignalleitungen besitzt, welche
mit den Externsignalpuffern verbunden sind und in Steuersignalleitungen, Meßsignalleitungen
und Bedingungssignalleitungen untergliedert werden können, wobei die Steuersignalleitungen
mit dem Führungssignalgeber, die Meßsignalleitungen mit dem Meßsignalmelder und
die Bedingungssignalleitungen mit dem Bedingungssignalmelder verbunden sind.
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Während der Lernphase setzt der Führungssignalgeber auf Veranlassung
des Lehrers binäre Signale auf die Steuersignalleitungen, die einerseits Steuerungsmaßnahmen
in der gasteuerten Apparatur zur Folge haben und andererseits dem Mikrocomputer
der elektronischen Steuereinheit
als Eingangssignale zur Verfügung
stehen. Gleichzeitig gibt der Neßsignalmelder dem Lehrer Meßsignalwerte zur Kenntnis,
die aus der gesteuerten Apparatur stammen oder von einem Zeitzähler kommen und den
vom Führurigssignalgeber erzeugten Steuersignalen zugeordnet sind. Desweiteren gibt
zur gleichen Zeit der Bedingungssignalmelder dem Lehrer Bedingungssignal e zur Kenntnis,
die aus der gesteuerten Apparatur stammen und den vom Führungssignalgeber erzeugten
Steuersignalen zugeordnet sind. Aufgrund der Meß- und Bedingungssignale oder aufgrund
einer unmittelbaren Beobachtung der gesteuerten Apparatur veranlaßt der Lehrer den
Eiahrungssignalgeber zur Veränderung der an die Steuersignalleitungen abgegebenen
Signale.
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Der Hikrocomputer erkennt jede Veränderung der Werte auf den externen
Steuersignalleitungen und führt jeweils unmittelbar eine Speicherung der neuen externen
Steuersignalwerte zusammen mit den gerade vorhandenen externen Neßsignalwerten und
den gerade vorhandenen externen Bedingungssignalwerten durch. Auf diese Weise baut
der Nikrocomputer rn seinem Schreib-Lese-Speicher während der Lernphase eine Signaltabelle
auf, die ihn befähigt, in jeder Wiederholungsphase eine Steuersignalfolge zeit-,
meßwert- und bedingungsgetreu so abzugeben, wie sie während der Lernphase definiert
wurde. Damit wird die lernfähige Steuereinheit mit Mikrocomputer in den Stand versetzt,
eine Folge von Steuerungsmaßnahmen nach vollendeter Lernphase zeit-, maß- und bedingungsgetreu
beliebig oft zu wiederholen.
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Von den erwähnten elektronischen Bausteinen der Steuereinheit sind
Potentialbaustein, Mikroprozessor, Festwertspeicher, Schreib-Lese-Speicher, Unterbrechungsmelder,
Konsoltastatur und Externsignalpuffer einmal durch eine Potentialschiene miteinander
verbunden zum anderen über interne Signalleitungen, welche man in Adreßleitungen,
Datenleitungen und interne
Steuerleitungen untergliedern kann.
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Der Potentialbaustein bezieht Netzstrom, aus dem er die von den übrigen
Bausteinen der Steuerung benötigten Gleichspannungspotentiale gewinnt. Er verfügt
zusätzlich über Batterien, auf die er bei ezausfall zurückgreift.
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Dem Schreib-Lese-Speicher stellt er bei Netzausfall auf einer gesonderten
Schiene ifaltepotential zum Bewahren der Speicherinhalte zur Verfügung, wohingegen
alle übrigen Bausteine der Steuereinheit nach Netzausfall ihre Potentialversorgung
verlieren.
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Der Mikroprozessorbaustein beinhaltet einen Taktgeber, unter dessen
Einfluß er schrittweise über Adreßschiene und interne Steuerschiene den Festwertspeicher
adressiert und die vom Festwertspeicher daraufhin auf die Datenschiene gesetzten
Signale als Prograzambefehle interpretiert und ausführt. Er arbeitet somit unter
der Führung eines im Festwertspeicher vorhandenen Grundprogramms und fungiert als
Datenverteil- und Datenverarbeitungs-Baustein innerhalb der Steuereinheit.
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Der Schreib-Lese-Speicher wird vom Mikroprozessor uber Adreß- und
Steuerschiene adressiert und nimmt in Abhängigkeit von den jeweiligen internen Steuersignalen
entweder vom Mikroprozessor kommende Signale von der Datenschiene zur Speicherung
in sich auf oder setzt Daten aus seinem Speicherinhalt auf die Datenschiene, so
daß sie dem Mikroprozessor zugeführt werden.
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Der Unterbrechungsmelder wird aktiv, wenn während der Lernphase die
von außen in einen Externsignalpuffer laufenden Signale sich ändern, dabei handelt
es sich um externe Steuersignale, die aus einem Führungssignalgeber stammen. Der
Unterbrechungsmelder wird vom betroffenen Externsignalpuffer über die interne Steuerschiene
benachrichtigt, er unterbricht den Mikroprozessor und teilt ihm mit, welcher Signalpuff
er neue Externsteuersignale erhielt. Der Mikroprozessor adressiert daraufhin über
Adreß- und interne Steuerschiene diesen Signalpuff er, nimmt von ihm auf der Datenschiene
die neuen Externsignale
entgegen gibt zie an den Schreit-Lese-Speicher
zur Speicherung weiter. Unmittelbar anschließend @olt er von den jeweiligen Signalpuffern
die zugeodneten externen un@@ssignale, und die zugeordneten externen @@nungsignale
um sie ebenfalls an den Schreib-Lese-Speicher zur Speicherung abzugeben.
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Die Konsoltastatur hat im wesentlichen die Aufgabe, den Mikroprozessor
zu starten, ihn anzuhalten und ihm mitzuteilen, ob die Steureinheit die Lernphase
oder eine Wiederholung tätigen soll.
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Aufgabe der Externsignalpufffer ist es zum einen, Daten, ule ihnen
einer ule interne Datenschiene vom Mikroprozessor zugeführt werden, auf ihre externen
Signalleitungen zu setzen und auf diesen zu halten, zum anderen, Externsignale,
die ihren zugehen, dem Mikroprozessor auf abruf hin zu übermitteln.
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In beizen Fällen werden sie vom Mikroprozessor uber Adreß- und interne
Steureleitungen angesprochen.
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Externsignalpuffer vermögen auf den gleichen Externsignalleitungen
Signale nach außen abzugeben und von außen kommende Signale entgegenzunehmen. Welches
von beiden sie jeweils tun, wird ihnen von' Mikroprozessor vorgeschrieben.
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Führungssignalgeber beziehen Potential von der gemeinsamen Potentialschiene
der Steuereinheit und sind jeweils mit einer Gruppe externer Steursignalleitungen
verbunden.
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die besitzen einen Vorrat an binären Steuersignalen, die sie nach
Wahl des Lehrers während der Lernphase auf die externen Steursignalleitungen setzen,
von wo aus sie einmal in die gesteuerte Apparatur zum anderen zusammen mit zugehörigen
Werten der Meß- und der Bedingungssignale in den Schreib-Lese-Speicher des Mikrocomputers
gelangen. Während der Wiederholungsphasen bleiben die Führungssignalgeber passiv.
Ihre Signal ausgänge sind dann elektrisch neutral, um die von Externsignalpuffern
auf die Steuersignalleitungen gesetzten Signale nicht zu beeinträchtigen.
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Meßsignalmelder beziehen ihr Versorgungspotential
von
der gemeinsamen Potentialschiene und sind mit den externen Neßsiallei tungen verbunuen,
deren Werte sie laufend erfassen, um sie dem Lehrer während der Lernphase zur Verfügung
zu stellen.
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Bedingurlgssignalmelder beziehen ihr Versorgungspotential von der
gemeinsamen Potentialschiene und sind mit den externen Bedigungssignaleitungen vercunden,
deren Werte sie laufend erfassen, um sie dem Lehrer während der Lernphase zur Verfügung
zu stellen.
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In der wiederholten Ablauffolge (Wiederholungspnase) befragt der Mikroprozessor
laufend die externen ileßsignalpuffer und Bedingungssignalpuffer und setzt Qie im
Schreib-Lese-Speicher von der Lernphase her aufbewahrten Steuersignale genau dann
auf die externen Steuersignalleitungen, wenn die zugeordneten aufbewahrten Meßsignale
mit den momentanen externen Meßsignalen oder die zugeordneten aufbewahrten Bedingungssignale
mit den momentanen externen Bedingungssignalen übereinstimmen. Damit wird im Rahmen
des zeitlichen Auflösungsvermögens des Mikroprozessors die zeit-, meßwert- und bedingungsgetreue
Wiederholung des in der Lernphase festgehaltenen Vorgangs ermöglicht.
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Die mit der lernfähigen elektronischen Steuereinheit mit Mikrocomputer
erzielbaren Vorteile liegen darin, daß Ablauffolgen durch einen wirklichkeitsgetreuen
Modellablauf in die Steuereinheit einprogrammiert werden können. Dabei bedarf es
keiner Programmierkenntnisse und keiner Formulierung der gewünschten Ablauffolge
in einer nur Programmierspezialisten geläufigen Sprache.
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Vielmehr wird die angestrebte Ablauffolge von dem für die gesteuerte
Apparatur zuständigen Fachmann an dieser Apparatur unmittelbar definiert und in
der Steuereinheit für beliebig viele Wiederholungen fixiert.
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Dies wird zum BeispIel für Werkzeugmaschinen mit Serienfertigung eine
neue vorteilhafte Vorgehensweise eröffnen. Die Verwendung des Mikrocomputers wird
die
Herstellung lernfähiget Steuereinneiten zu hiedrigen Kosten
ermölichen. Der Umstand der programmierbarkeit im Modellablauf ohne Verwendung einer
Programmiersprache und der Umstand der Kostegünstikeit wird diese neue Technik einem
breiten Anwenderkreis zugänglich machen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert.
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Fig.1 zeigt die wesentlichen Bausteine einer lernfänigen Steuereinheit
mit Mikrocomputer, dazu einen Steuersignalwandler und einen Zeitzähler.
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Wir sehen in Fig.1 einen Potentialbaustein POTB, der vom 50-Hz-Wechselstrom-Netz
gespeist wird und auf der Potentialschiene POT die Gleichspannungspotentiale +12V,
+5V, OV, -9 zur Verfügung stellt, wobei er eine Leistung von etwa 1)O Watt erbringt.
Mithilfe von Batterien hält er bei Netzausfall die Potentiale POT noch kurze Zeit
aufrecht, schaltet sie dann auf Anweisung vom Mikroprozessor MIPRO ab und stellt
lediglich dem Schreib-Lese-Speicher RAM das Haltepotential HALPO mit +5V auf Dauer
zur Verfügung, woraus der Speicher einen Haltestrom von etwa 50 mA zur Wahrung seiner
gespeicherten Daten entnimmt. Da der Potentialbaustein nach Anweisung vom Mikroprozessor
arbeitet, hat er Verbindung zu den internen Signalleitungen, welche in Adreßschiene
ADR, Datenschiene DAT und Internsteuerschiene C untergliedert sind. Der Mikroprozessorbaustein
MIPRO arbeitet unter einem Takt von 2 MHz und führt die Befehle eines im Festwertspeicher
ROM vorhandenen Grundprogramms aus.
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Die Bausteine Potentialbaustein POUB, Festwertspeicher ROM, Schreib-Lese-Speicher
RAM, Unterbrechungsmelder UMLD, Konsoltastatur KONTAS und Externsignalpuffer ESPS,
ESPM, ESPB werden vom Mikroprozessor über Adreßschiene ADR und Internsteuerschiene
C adressiert, worauf sie entweder vom Mikroprozessor auf die
Datenschiene
DAT gesetzte Signale entgegennehmen oder ihrerseits Signale über Dat an den Mikroprozessor
weiterleiten. Bausteine, die aspnchrone Er@igni@se erkonnen wie zum Beispiel der
Potentialbatstein einen Netzausfall oder der Konsoltastaturbaustein einen Bedienereingriff
oder ein Externsignalpuffer eine Veränderung einlaufender Externsignale, melden
sich über die Internsteuerschiene C beim Unterbrechungsmelder UELD, welcher den
Mikroprozessor in seiner gerande ablaufenden Programmausfuhrung unterbricht und
ihm den verursachenden Faustein mittelt. Daraufhin reagiert der Mikroprozessor mit
vorprogrammierten Maßnahmen. Die Konsoltastatur einer Steuerung wird in der Regel
Start- und Stopp-Taste enthalten sowie eine Parametertaste zur Herbeiführung der
Lernphase und eine Parametertaste zur Herbeiführung einer Wiederholungsphase.
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In Fig. 1 führen die aus dem Signalpuffer ESPS kommenden externen
Steuersignalleitungen S1, S2,.....SN in einen I)igital-Analog-Wandler, welcher der
gesteuerten Apparatur die analogue Steuervariable S übermittelt. Der Führungs signalgeber
Fsg besitzt einen 8 stufigen Drehschalter, mit welchem binäre Steuersignale für
die Leitungen 1 S1,...Sn eingestellt werden können. Die in den Signalpuffer ESPM
gelangenden externen Meßsignale Iii , M2, ....MZ stammen aus dem Zeitzähler ZZL,
sie werden auf einem Anzeigefeld des Meßwertmelders MSM laufend sichtbar gemacht.
Von der gesteuerten Apparatur kommen die externen Bedingungssignale B1, B2, ...BX
in den signalpuffer ESPB, sie werden außerdem auf einem Anzeigefeld des Bedingungssignalmelders
BSM sichtbar gemacht. Während der Lernphase beobachtet die Lehrperson Zeitanzeige
NSM und Bedingungsanzeige BSM und verändert aufgrund der abgelesenen Werte mit dem
Drehschalter auf FSG die Werte auf den Steuersignalleitungen S1,.....SN. Der Mikroprozessor
erkennt mit einer Verzögerung von etwa 40 Mikrosekunden die Veränderung und speichert
die neuen Werte S1,...SN zusammen mit den zugehörigen Momentanwerten von M1,....MZ
und B1,....BX im Schreib-Lese-Speicher RAM.
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In der Wiederholungsphase vergleicht der Mikroprozessor laufend die
an den Signalpuffern ESPm und ESPBm anstehenden externen Signalwerte M1',...MZ'
und B1',...BX' mit den von der Lerriphase her gespeicherten Werten i"i'1 und B1,...BX.
Herrscht Gleichheit und ist eine im Grundprogramm (ROM) verankerte Prioritätsregel
zwischen ;Äeß- und Bedingungssignalen erfüllt, dann setzt der Mikroprozessor umgehend
die zugehörigen gespeicherten Werte S1,...SN auf die externen Signalleitungen des
Puffers ESPS. Eine Unschärfe in der Zuordnung von Steuersignalen zu Meß- oder Bedingungssignalen
ist dadurch bedingt, daß der Prozessor einmal während der Lernphase die Veränderung
der externen Steuersignale mit etwa 40 Mikrosekunden Verspätung erkennt und daß
er zum anderen in der Wiederholungsphase die aus dem Schreib-Lese-Speicher entommenen
Steuersignale mit etwa der gleichen Verapätung gegenüber dem Eintreffen der zugehörigen
Meß- oder Bedingungssignale auf die externen Steuerleitungen setzt.
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Man kann deshalb von einem zeitlichen Auflösungsvermögen der Steuereinheit
von 80 Mikrosekunden sprechen.