DE3743438A1

DE3743438A1 - Verfahren und einrichtung zum steuern des uebergangs eines endlichen automaten von einem momentanzustand in einen folgezustand

Info

Publication number: DE3743438A1
Application number: DE19873743438
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Ing Hallwirth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: HALLWIRTH, VOLKER, DIPL.-ING., 7742 ST GEORGEN, DE
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1989-06-29
Anticipated expiration: 2007-12-22
Also published as: DE3743438C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern des Übergangs eines endlichen Automaten von einem Momen tanzustand in einen Folgezustand, nach dem Oberbegriff des An spruchs 1 bzw. 3.

Solche Verfahren und Einrichtungen sind zum Beispiel in Form her kömmlicher speicherprogrammierbarer Steuerungen bekannt, bei denen zur Lösung der Steuerungsaufgaben zyklisch meist umfang reiche Folgen von Befehlen (=Programme) abgearbeitet werden, um in Abhängigkeit von den Prozeßeingangsgrößen die Steuer- oder Stellsignale zu erzeugen. Diese Vorgehensweise bringt entweder einen entsprechend großen Zeitaufwand mit sich, wenn immer ein gesamtes Programm durchlaufen werden muß, obwohl sich häufig die Eingangsgrößen gar nicht verändert haben, oder führt zu stark un gleichmäßigen Intervallängen zwischen den Abtastungen der Pro zeßeingangsgrößen, wenn vom momentanen Funktionsumfang des Auto maten abhängige Steuerprogramme durchlaufen werden, bevor die jeweils nächste Abtastung erfolgen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines gattungsgemäßen Verfahrens und einer gattungsgemäßen Einrichtung, die die Geschwindigkeit der Erzeugung der Steuer signale erhöhen, ohne dabei störend ungleichmäßige Intervallän gen für diese Erzeugung zu bedingen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder 2, hin sichtlich der Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal tungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.

Der Hauptvorteil der Erfindung besteht in der erzielbaren, theo retisch maximalen Geschwindigkeit der Erzeugung der Steuersigna le aus den Prozeßeingangsgrößen. Dadurch werden Steuerungsreali sierungen möglich, die gegenüber den bekannten Realisierungen deutlich höhere Abtastraten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten erlauben. Darüber hinaus werden bei der Abtastung der Prozeßein gangsgrößen und Erzeugung der Steuersignale quasi-konstante Zykluszeiten erreicht.

Anspruch 4 betrifft vorteilhafte Einrichtungsmerkmale zum aus wählenden Zugriff auf eine vorab erstellte Datei. Eine mittel bare Erzeugung des neuen Ausgangsvektors, nach Anspruch 5, redu ziert den Bedarf an Datenspeicherkapazität. Die Steuerung des Automaten kann aus vorgebbaren Startzuständen erfolgen, indem das Zustandsregister nach Anspruch 6 von außen gesetzt wird. Eine oder mehrere Funktionen der erfindungsgemäßen Einrichtung können nach Anspruch 7 vorteilhaft von einer digitalen Prozes soreinheit übernommen werden.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinrich tung;

Fig. 2 eine Datei auswählbarer Steuerdaten und Folgezustands- Codes.

Die Steuereinrichtung gemäß Fig. 1 dient der Steuerung des Über gangs eines endlichen Automaten, also eines Automaten mit end lich vielen Zuständen, von einem Momentanzustand in einen Folge zustand. Der Momentanzustand, mit dem die Steuereinrichtung in Betrieb genommen wird, kann ein beliebiger Zustand des (nicht dargestellten) Automaten sein. Daher bedeutet es keine Be schränkung der Allgemeinheit, wenn im weiteren als Startzustand der Steuereinrichtung der Rücksetzzustand des Automaten betrach tet wird.

Auf dem Signalweg 1 wird der Code Z 0 des Momentanzustandes von außen in das Zustandsregister 2 geladen oder dort aufgrund eines Rücksetzsignals voreingestellt. Das Steuerwerk 3 übernimmt den Code Z 0 vom Zustandsregister 2 und veranlaßt über den Signalweg 5 an den Seitenselektor 6 im Datenspeicher 7 den Datenspeicherbe reich 7 a (vgl. Fig. 2) zu aktivieren, der für den Momentanzustand spezifische, vorab erstellte Steuerdaten S 0, S 1, S 2 sowie Codes Z 0, Z 1, Z 2 der aus Momentanzustand erreichbaren Folgezustände enthält. Zusätzlich kann dieser Datenspeicherbereich 7 a eine Kopfinformation darüber enthalten, welche der an der Eingangs stufe 15 empfangenen Prozeßeingangsgrößen E 0, . . ., EN für die Steuerungsaufgabe im gegebenen Momentanzustand relevant sind. Denn nicht in jedem Automatenzustand ist die Berücksichtigung aller Prozeßeingangsgrößen E 0, . . . , EN notwendig. Aufgund der über die Signalwege 12 und 5 erhaltenen Kopfinformation kann das Steuerwerk 3 der Eingangsstufe 15 über den Signalweg 14 im allge meinen Fall vorgegeben, welche der Prozeßeingangsgrößen E 0, . . ., EN sie zum Eingangsvektor zusammenfassen soll.

Eine Änderung mindestens einer der berücksichtigten Prozeßein gangsgrößen E 0, . . ., EN, also einen Übergang auf eine neue Ein gangsvektorbelegung, meldet die Eingangsstufe 15 über den Signal weg 14 dem Steuerwerk 3, welches daraufhin über den Signalweg 10 den Zeilenselektor 11 veranlaßt, aus dem im Datenspeicher 7 aktivierten Datenspeicherbereich 7 a den Teilbereich auszuwählen, der die für die neue Eingangsvektorbelegung spezifischen Steuer daten S 0, S 1 oder S 2 und den Code Z 0, Z 1 oder Z 2 des durch die neue Eingangsvektorbelegung bestimmten Folgezustands enthält.

Um die Auswahl des Datenspeicherbereichs 7 a und des Teilbereichs zu veranschaulichen, wird parallel auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort sind die Datenspeicherbereiche 7 a, b, c symbolisch als Seiten dargestellt, die jeweils die in einem Momentanzustand möglichen Steuerungfälle vollständig beschreiben. Als zu steuernder Automat ist dieser exemplarischen Darstellung ein (Elektro-) Motor zugrunde gelegt, der die (codierten) Zustände Z 0 = Stop, Z 1 = Vorlauf, Z 2 = Rücklauf einnehmen kann. Die (Booleschen) Prozeßeingangsgrößen heißen E 0 = Stop-Befehl, E 1 = Vorlauf Be fehl, E 2 = Rücklauf-Befehl, E 3 = Anschlag-Signal (z. B. Bereichs ende bei einem Positionier- oder Förder-Antrieb o. dgl.). Bei komplizierteren Motorsteuerungen treten weitere Parameter wie Drehzahl, Drehmoment, Strom, Spannung usw. als im allgemeinen Fall digitale Prozeßeingangsgrößen E 4 bis EN hinzu.

Bei allen drei Zuständen des betrachteten Beispiels werden (zu nächst) alle vier Prozeßeingangsgrößen E 0, . . ., E 3 berücksichtigt, was - wie oben erläutert - im allgemeinen Fall anders sein kann. Die Prozeßeingangsgrößen E 0, . . ., E 3 werden zu den relevanten Ein gangsvektorbelegungen e 0 bis e 6 zusammengefaßt, deren Anzahl deutlich niedriger ist als die rechnerische Maximalanzahl 2 hoch 4 = 16. (Diese allgemein zu beobachtende Eigenschaft von Steue rungsaufgaben erleichtert die Erstellung vollständiger Beschrei bungsdateien.) Auch diese Anzahl, nicht nur die Breite, der rele vanten Eingangsvektorbelegungen kann im allgemeinen Fall von Momentanzustand zu Momentanzustand verschieden sein.

Im Momentanzustand mit dem Code Z 0 wird also der Datenspeicher bereich 7 a aktiviert. Tritt nun z. B. die neue Eingangsvektorbe legung e 3 auf, veranlaßt das Steuerwerk 3 den Zeilenselektor 11 zur Auswahl des für diese neue Eingangsvektorbelegung E 3 spezi fischen Teilbereichs, hier der entsprechenden Zeile der Seite 7 a, um an die für diesen Steuerungsfall geltenden, vorab erstell ten Steuerdaten S 2 und den Code Z 2 des Folgezustands zu gelan gen. Auch hier ist der Vollständigkeit halber anzumerken, daß die Steuerdaten zum Erreichen eines bestimmten Folgezustands im allgemeinen Fall vom Momentanzustand sowie von der Eingangsvek torbelegung abhängen.

Die Auswahl des für die neue Eingangsvektorbelegung e 3 spezifi schen Teilbereichs, also der entsprechenden Zeile der Datei- Seite 7 a, kann in der Weise geschehen, daß die Eingangsvektorbe legung e 3 in eine Zeilenadresse umgerechnet und damit unmittel bar auf die Zeile zugegriffen wird. Wo dies nicht möglich ist, etwa weil keine absoluten Zeilenadressen zur Verfügung stehen oder diese sich infolge Dateientransfers innerhalb des Daten speichers 7 oder zwischen dem Datenspeicher 7 und etwaigen Hintergrundspeichern sich laufend ändern, wird die gesuchte Zeile durch sukzessiven Vergleich der auf der Seite 7 a gespei cherten Eingangsvektorbelegungen e 0 bis e 6 mit der neuen Ein gangsvektorbelegung e 3 ermittelt. Hierzu gibt der Zeilensektor 11 der Reihe nach die gespeicherten Eingangsvektorbelegungen e 0 bis maximal e 6 über den Signalweg 19 an den Vergleicher 17. Dies geschieht ggf. zusammen mit einer Information über die Maskie rung einzelner Vektorelemente, deren Wert in der betreffenden Konstellation der Prozeßeingangsgrößen E 0, . . ., E 3 irrelevant ist. Etwa soll ein Stop-Befehl E 0 = 1 absoluten Vorrang haben, daß heißt, unabhängig von allen anderen Prozeßeingangsgrößen E 1, E 2, E 3 eine Stillsetzung auslösen. Deshalb sind auf der Datei-Seite 7 a in der Zeile der Eingangsvektorbelegung e 0 die Werte der Pro zeßeingangsgrößen E 1, E 2, E 3 als beliebig markiert, ausgedrückt durch "x".

Sobald der Vergleicher 17 schließlich die Gleichheit zwischen der gespeicherten Eingangsvektorbelegung e 3 und der über den Signalweg 16 anliegenden neuen Eingangsvektorbelegung e 3 fest stellt, teilt er dies über den Signalweg 20 dem Steuerwerk 3 mit, welches den Zeilensektor 11 veranlaßt, einerseits die Steuer daten S 2 der gefundenen Zeile über den Signalweg 22 an den Aus gangsvektorgenerator 23 zu übergehen und andererseits den Folgezustands-Code Z 2 der gefundenen Zeile über den Signalweg 25 in das Zustandsregister 2 zu laden.

Der Ausgangsvektorgenerator 23 erzeugt aus den Steuerdaten S 2 die Steuer- oder Stellsignale A 0 bis AM des Ausgangsvektors ª. Im einfachsten und schnellsten Fall kann dies die unmittelbare Ausgabe der übernommenen Steuerdaten S 2 bedeuten. Im allgemein sten Fall ist der Ausgangsvektorgenerator 23 eine Datenverarbei tungseinheit, der in Form der Steuerdaten S 2 bestimmte Parameter werte sowie die Anfangsadresse eines Programmstücks übergeben werden, aus dessen Abarbeitung schließlich die eigentlichen Steuer- und Stellsignale A 0, . . ., AM hervorgehen. Diese Methode erlaubt eine Optimierung zwischen Datei-Volumen und Zykluszeit. Die erfolgreiche Generierung des Ausgangsvektors ª wird dem Steuerwerk 3 über den Signalweg 24 quittiert.

Die Steuerdaten S 2 bzw. der zugehörige Ausgangsvektor ª bewirken in der als Beispiel gewählten Motorsteuerung einen Übergang auf dem Folgezustand mit dem Code Z 2, das heißt auf einen Rücklauf des Motors, indem entsprechende Stellglieder - z. B. Schütze oder Halbleiterschalter - angesteuert werden, um den Motor mit Strom der benötigten Polarität zu versorgen. Steuerdaten S 1, als Ant wort auf eine neue Eingangsvektorbelegung e 1, bewirken aus dem Grundzustand heraus einen Übergang auf Motor-Vorlauf, während Steuerdaten S 0 jeweils einen Motor-Stop zur Folge haben, d. h. den Motorstrom abschalten.

Der Code Z 2 des Folgezustands befindet sich bereits im Zustands register 2. Der für diesen Zustand spezifischen Datenspeicherbe reich 7 c - die Datei-Seite mit dem Code Z 2 - kann nun vorzugs weise sofort oder auch erst nach dem Eintreffen der nächsten neuen Eingangsvektorbelegung aktiviert werden, und ein neuer Zyklus schließt sich an. Dessen zeitliche Länge - ebenso wie die Dauer aller weiteren Zyklen desselben oder eines anderen Steue rungsproblems - entspricht weitestgehend jener des oben beschrie benen Zyklus, da stets nur fertige oder nahezu fertige Sätze von Steuerdaten S 0, S 1 bzw. S 2 abgerufen und ausgegeben zu werden brauchen. Zu der hohen Geschwindigkeit der Steuerdatenerzeugung tritt also auch noch der Vorteil einer quasi-konstanten Zyklus zeit.

Um etwaige Fehlsteuerungen redundant auszuschließen, kann die tatsächliche Einnahme des jeweils erwarteten Folgezustands überwacht werden. Für die Realisierung der beschriebenen Steuer einrichtung läßt sich in vielen praktischen Fällen mit Vorteil eine digitale Prozessoreinheit einsetzen.

Claims

1. Verfahren zum Steuern des Übergangs eines endlichen Automaten von einem Momentanzustand in einen Folgezustand mittels einer einen Datenspeicher und eine Auswahleinrichtung aufweisenden Steuereinrichtung, die einen Eingangsvektor digitaler Prozeßein gangsgröße, insbesondere Funktionsbefehls- und/oder Parameter signale, empfängt und einen Ausgangsvektor digitaler Steuer oder Stellsignale ausgibt, wobei ein Übergang auf eine neue Eingangsvektorbelegung einen vom Momentanzustand abhängigen Übergang auf einen neuen Ausgangsvektor auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang auf die neue Eingangsvektorbelegung (e 3)

a) die Auswahleinrichtung (3, 6, 11) aus einem Datenspeicherbe reich (7 a), welcher für den Momentanzustand spezifische, vorab erstellte Steuerdaten (S 0, S 1, S 2) sowie Codes (Z 0, Z 1, Z 2) sowie Codes (Z 0, Z 1, Z 2) der aus dem Momentanzustand erreichbaren Folgezustände ent hält, den Teilbereich auswählt, der die für die neue Eingangs vektorbelegung (e 3) spezifischen Steuerdaten (S 2) und den Code (Z 2) des durch die neue Eingangsvektorbelegung (e 3) be stimmten Folgezustands enthält;
b) die für den Momentanzustand und die neue Eingangsvektorbele gung (e 3) spezifischen Steuerdaten (S 2) als neuer Ausgangs vektor (ª) verwendet oder zum neuen Ausgangsvektor (ª) ver arbeitet werden;
c) die Auswahleinrichtung (3, 6, 11) anhand des Codes (Z 2) einen nächsten Datenspeicherbereich (7 c) auswählt und bereithält, welcher für den Folgezustand spezifische, vorab erstellte Steuerdaten (S 0, S 1, S 2) sowie Codes (Z 0, Z 1, Z 2) der aus dem Folgezustand erreichbaren Zustände enthält.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang auf die neue Eingangsvektorbelegung (e 3)

a) die Auswahleinrichtung (3, 6, 11) anhand eines den Momentanzu stands bezeichneten Codes (Z 0) einen Datenspeicherbereich (7 a) auswählt, welcher für den Momentanzustand spezifische, vorab erstellte Steuerdaten (S 0, S 1, S 2) sowie Codes (Z 0, Z 1, Z 2) der aus dem Momentanzustand erreichbaren Folgezustände ent hält;
b) die Auswahleinrichtung (3, 6, 11) aus dem Datenspeicherbereich (7 a) den Teilbereich auswählt, der die für die neue Eingangs vektorbelegung (e 3) spezifischen Steuerdaten (S 2) und den Code (Z 2) des durch die neue Eingangsvektorbelegung (e 3) bestimm ten Folgezustands enthält;
c) die für den Momentanzustand und die neue Eingangsvektorbele gung (e 3) spezifischen Steuerdaten (S 2) als neuer Ausgangs vektor (ª) verwendet oder zum neuen Ausgangsvektor (ª) ver arbeitet werden;
d) der Code (Z 2) des durch die neue Eingangsvektorbelegung (e 3) bestimmten Folgezustands als Code (Z 2) für den Momentanzu stand des nächsten Zustandsübergangs bereitgehalten wird.

3. Einrichtung zum Steuern des Übergangs eines endlichen Automa ten von einem Momentanzustand in einen Folgezustand, insbeson dere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Datenspeicher und einer Auswahleinrichtung zur Auswahl von Datenspeicherbereichen sowie mit einer Eingangsstufe zum Empfang eines Eingangsvektors digitaler Prozeßeingangsgrößen, insbeson dere Funktionsbefehls- und/oder Parametersignale, und einer Aus gangsstufe zur Ausgabe eines Ausgangsvektors digitaler Steuer- oder Stellsignale, wobei ein Übergang auf eine neue Eingangs vektorbelegung einen vom Momentanzustand abhängigen Übergang auf einen neuen Ausgangsvektor auslöst, gekennzeichnet durch

a) ein Zustandsregister (2) zur Speicherung eines Codes (Z 0, Z 2) des Momentanzustands oder des Folgezustands des Automaten;
b) ein Steuerwerk (3) zur Auswahl eines Datenspeicherbereichs (7 a, 7 c), welcher für den codierten Zustand spezifische, vorab erstellte Steuerdaten (S 0, S 1, S 2) sowie Codes (Z 0, S 1, S 2) sowie Codes (Z 0, Z 1, Z 2) der aus dem codierten Zustand erreichbaren Folgezustände enthält, und zur Auswahl des Teilbereichs, der die für die neue Ein gangsvektorbelegung (e 3) spezifischen Steuerdaten (S 2) und den Code (Z 2) des durch die neue Eingangsvektorbelegung (e 3) bestimmten Folgezustands enthält;
c) eine Einrichtung (11, 22) zur Übergabe der für die neue Ein gangsvektorbelegung (e 3) spezifischen Steuerdaten (S 2) an die Ausgangsstufe;
d) eine Einrichtung (11, 25) zur Übergabe des Codes (Z 2) des durch die neue Eingangsvektorbelegung (e 3) bestimmten Folgezustands an das Zustandsregister (2).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Seitenselektor (6) zur Auswahl des Datenspeicherbe reichs (7 a, 7 c) und einen Zeilenselektor (11) zur Auswahl des Teilbereichs.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeich net, durch einen Ausgangsvektorgenerator (23), insbesondere eine Datenverarbeitungseinheit, zur Erzeugung des neuen Ausgangs vektors (ª) aus den für die neue Eingangsvektorbelegung (e 3) spezifischen Steuerdaten (S 2).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekenn zeichnet durch eine Einrichtung (1) zum Laden eines von außen vorgebbaren Codes, insbesondere Startcodes (Z 0), in das Zustandsregister (2).

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekenn zeichnet durch eine digitale Prozessoreinheit zur Auswahl des Datenspeicherbereichs (7 a, 7 c) und/oder zur Auswahl des Teilbereichs und/oder zur Erzeugung des neuen Ausgangs vektors (ª) und/oder zum Laden des Zustandsregisters (2) und/ oder zur Überwachung der Ausführung der im neuen Ausgangsvektor (ª) enthaltenen Steuer- oder Stellsignale (A 0, A 1, . . ., AM).