在用于安全功能的各个测量阶段中传送的测量值的同步的制作方法

本发明涉及一种用于同步在各个测量阶段中传送的测量值的方法，以及相关的面向安全的控制器，该测量值由面向安全的控制器在监控阶段中根据安全功能进行处理。

背景技术：

1、在工业自动化的许多应用领域中，都涉及到多个驱动轴。例如，多轴运动装置中的多个轴参与运动并被相应地控制。例如末端执行器的整体运动仅由各个轴的相应运动产生。这种运动通常必须安全地进行，即符合安全要求，其中包括例如监控对位置或速度限制的遵守情况。

2、同样，在许多应用中，来自系统内各种编码器或传感器的编码器或传感器值被处理为通用值，例如连续确定和监控以确保符合某些极限值的监控值。

3、在同步运行中，各个测量到的值以统一的测量阶段记录，即时间彼此同步。

4、然而，根据应用程序和安装的组件类型，不能保证这种同步运行。然而，还应该为所谓的异步运行生成用于监控各种功能的可靠值，其中在值的采集或传输时不能确保统一的测量阶段或周期同步或实现测量值的非周期同步的循环调用，以用于进一步的处理。

技术实现思路

1、在此背景下，本发明的一个目的是改进对于任何测量或处理的测量值，特别是异步或非周期同步的测量值的安全功能。该目地通过独立权利要求的特征来解决。有利的实施例在从属权利要求中详细说明。

2、本发明涉及一种用于同步在相应测量阶段中传送的测量值的方法，所述测量值由面向安全的控制器在监控阶段中根据安全功能进行处理，

3、-其中，将在监控阶段的当前监控周期中的测量值的各个计数器增量与前一监控周期进行相互比较，并确定最大计数器增量，

4、-其中那些不具有最大计数器增量的测量值根据最大计数器增量进行调整，

5、-其中基于一个或多个已调整的测量值和以及与最大计数器增量相关联的一个或多个测量值由安全功能形成至少一个监控值。

6、不同地测量到的值由面向安全的控制器进行处理，面向安全的控制器本身以监控阶段工作，特别是为了连续生成当前的监控值。例如，对测量值处理的非确定性调用，即对测量值处理的非周期同步的循环调用以形成监控值，会导致抖动。此外，值的测量和/或提供发生在一个测量阶段中，任意数量的不同测量值在单独的测量阶段中被测量和/或传送，特别是全部在不同的循环中。也能够说，测量各个测量值的各个系统的周期彼此不同步或者运行分开。也能够说，测量系统和监控系统之间的周期不一定是同步的。此外，所谓的同步时间能够是不同的或不均匀的，从而以时间不同步的方式接收并进一步处理以周期同步的方式记录的测量值，以进一步处理监控值，特别是通过测量值处理系统。此外，由于非等距传输，例如当通过以太网传输时，在将测量值传输到形成监控值的单元的传输系统中也会出现抖动。

7、由于这种由各种特别是同时影响引起的时间并发性，在用于形成监控值的面向安全的控制器中存在多个测量值，这些测量值不属于统一时间值或统一或共同的时间点。例如，在异步轴操作中传送位置值的情况下，要在控制器的监控周期中处理的各个轴的位置信息能够同时在控制器中提供，但涉及不同的时间点。这意味着所传递的位置实际上被各个轴所接受，但不能保证不同的位置值在时间参考方面彼此具有可比性。因此，关于相应轴位置的信息不能以有意义的方式组合以确定和监控由于轴的相互作用而呈现的总体位置值，例如多轴运动装置的末端执行器的位置值。

8、监控值由至少两个测量值形成，因此是共同的或复合的或组合的监控值。如果各个测量值在公共时间点做出陈述，则监控值只能有意义地形成关于要监控的条件的有意义的陈述，例如位置或温度或速度，这取决于多个测量值。

9、调整是根据上述提出的方法实现的。

10、单独的测量值要么被直接处理，要么首先导出一个或多个测量值并以导出的形式包含在监控值的确定中。因此，它是根据多个测量值形成的组合或共同监控值。

11、例如，多个测量值由多个本地安装的传感器或发射器提供。例如，它们至少部分是通过模拟程序或基于云的应用程序提供的。

12、测量阶段例如由用于相应的值的测量单元(例如相应传感器)指定。如果要测量的各个值是轴值，例如轴位置，则测量阶段由相应轴上的驱动周期指定。此外，测量阶段例如会受到现有总线的影响，测量到的值会在总线时钟中传递，而总线时钟则代表测量阶段。

13、例如，测量值是与面向安全的控制器控制的设备或机器的运动相关的编码器或传感器值。例如，该运动由安全功能监控。

14、监控阶段由面向安全的控制器指定。例如，监控周期由设置在控制单元上的运动循环来指定。例如，用于安全运动监控的安全单元与运动引导器(例如机器人的运动引导器)在同一cpu上运行，并且具有比运动引导其更高的周期速率。

15、相应的计数器增量使得能够在相应的测量系统中(例如在相应的轴上)考虑自最后传送的值以来已经逝去的时间。绝对计数器时间是无关紧要的。例如，所有轴报文在每个总线时钟中都可供安全控制器使用，所有轴均以任何初始计数器值启动。例如，每个轴都有自己的本地周期，其形式为计数器或时间戳，随着时间的推移按整数增量进行计数。增量的持续时间对应于驱动周期。

16、将当前监控周期中测量的各个值的计数器的增量进行相互比较，以确定最新的值。通过将当前监控周期中的计数器值与前一监控周期中的测量值的计数器值进行比较来确定各个计数器增量，例如每个轴的计数器增量。前一监控周期的测量值的计数值能够是调整后的计数值。如果此处提出的调整程序已在前一个监控周期中执行，则属于这种情况。如果还没有已调整的测量值，或者由于计数器增量比较，前一个监控阶段不需要调整，则直接使用上一个监控阶段下发的测量值提供的计数器值来形成计数器增量。

17、各个计数器增量(也称为本地计数器增量)中的最大计数器增量(也称为全局计数器增量)最终确定当前监控玄幻将各个测量值调整到哪个时间点(如果尚未调整)对应于测量值的该时间点以及相关联的最大计数器增量。

18、有利地，所提出的方法例如关于所接收的报文的当前轴位置做出似是而非的陈述。这有利地维持了系统的安全性和可用性。更精确计算的安全限值可确保合理使用，即尽可能少地进行不必要的谨慎使用，同时保持高水平的安全性。

19、例如，从所涉及的不同轴接收到的所有报文都以在时间上彼此一致的方式同步或改变。因此，我们也能够谈论报文过滤器的功能。总体而言，通过考虑依赖于其的监控值的所有可能调整的测量值，确定尽可能接近实际监控值的合理值。

20、所提出的方法能够在异步模式下实现面向安全的运行。这意味着能够监控面向安全的运动，例如多轴运动装置的运动，而无需所有涉及的轴就其相应的驱动器和总线时钟以及监控周期进行同步。异步保护的相关开发允许更广泛的用例。例如，6轴运动装置(例如通常用于机床的运动装置)能够以与同步模式相当的精度和安全功能可用性进行运行。

21、所提出的使用所描述的过滤器功能对测量值进行调整能够特别消除导致时间并发性的几种影响，从而消除几乎同时确定监控值的不准确性，如果它们发生的话：由于安全相关驱动控制的安全循环中必要的同步而导致的异步，该同步在通信周期上记录和处理测量值-即使其本身是周期同步的-以及该通信周期与通信周期之间可能存在的异步运动控制中安全功能块的非周期同步处理周期，例如应用程序的调用周期。在所有阶段，由于分布式和叠加的组件，从测量值的采集和传输到监控值的确定的途中都可能出现异步。调整测量值能够有利地消除现有的时间并发性。

22、根据一个设计方案，测量值在共同的测量阶段中或者在各自不同的测量阶段中被传送。例如，不同发射器或传感器的测量阶段，每个发送器或传感器传送用于形成监控值的测量值之一，原则上处于公共周期中，但仍存在短相位发散，因此不同步。此外，还能够以面向安全的方式高精度地监控应用，其中对于各个测量值有一个公共周期生成器，例如用于所有涉及的轴的公共周期生成器，使得它们从长远来看不会偏离，它们在时间上是相互同步的，但在短时间阶段上却无法保证彼此之间的同步。

23、在其他场景中，测量阶段是相同的，但涉及不同的总线或其他传输系统，没有统一的周期。在其他情况下，测量阶段从一开始就不同或完全未知。对于所描述的所有初始情况，所提出的解决方案提供了一种安全性，即测量值仍然能够相互比较或分配给彼此或一起使用以形成公共监控值，并采取至少潜在的时间异步性考虑在内，从而得出更精确的监控值。

24、根据一个设计方案，监控阶段与测量阶段不同或至少与各个测量阶段不同。例如，在每个安全循环中，安全控制器对所涉及轴的轴报文进行采样，这些轴的交互将被监控，连同它们的计数器值，例如当前时间戳，以及来自总线的相关位置值。根据如何设置安全时钟和总线时钟之间的持续时间比率，存在过采样的报文(即总线时钟持续时间大于安全时钟持续时间)或欠采样(即总线时间持续时间小于安全时间持续时间)。在异步轴操作中，如果总线时钟和安全时钟具有不同的持续时间，并且从总线读取轴报文的频率太频繁(过采样)或太少(欠采样)，则可靠地多轴运动的轴向的并且特别是还有笛卡尔位置是有利的。例如在安全控制器中的cpu的部分上所提出的滤波器功能考虑了通信周期与安全功能块的循环但不是周期同步的处理周期之间的异步。

25、根据一个设计方案，测量值通过报文传送至面向安全的控制器。例如，使用来自总线系统的报文，其在系统(例如制造系统或处理系统)中使用，用于各个系统组件或机器的通信连接。

26、根据一个设计方案，测量值由多轴运动装置的各个轴提供。特别是多轴运动装置，如在机器人应用常常使用的那样，其优点是需要来自不同轴的测量值作为输入值，以形成监控值来监控运动装置的状态或状况，例如末端执行器的位置或速度。各种测量值共同得出要监控的值。根据该设计方案，各个轴的测量值彼此同步，以便它们在时间上相互匹配，即提供的值属于相同且因此具有可比较的测量时间点。通过所提出的设计方案，能够确保确定尽可能正确的位置或速度值，与不进行调整相比，这些值更有可能由运动装置假设，并且由于位置不准确或不正确的风险避免所涉及的驱动轴的时间并发，或者确定例如末端执行器很可能从未达到的速度。这增加了安全功能的安全性和可靠性。

27、根据一个设计方案，面向安全的控制器从分布式测量系统接收测量值。例如，典型的六轴机器人的六个轴各提供一个测量值。如果这些测量系统与面向安全的控制器接收测量值的通信周期的同步不协调，并且值的测量与通信周期存在偏差，则能够使用所提出的调整来识别并纠正该偏差，使其得出的监控值更加精确。测量值例如由安全控制器从至少两个控制单元(简称cu)从至少两个轴驱动器接收，因此在确定监控值时不是时间同步的。通过所提出的对公共计数器值的调整，不同cu的测量值彼此同步，并且由此得出的监控值变得更加精确。

28、如果有多个cu，它们会将其安全循环与通信循环同步，尽管同步通常与或多或少任意的通信循环不协调地进行，例如当驱动器准备就绪时。这可能导致一个cu将自身同步到偶数通信周期，而另一个cu同步到奇数通信周期，这意味着两个cu上的传感器数据采集会偏移一个通信周期。然而，两个cu仍被视为周期同步。例如，驱动器的安全循环相对于一个通信周期偏差4ms的通信周期和8ms驱动器的安全时钟。然后，cu在两个通信周期中相继传送相同的计数器和值。所提出的调整方法能够认识到这一点，因为循环计数器现在以不同的始终递增。

29、通讯周期：1 2 3 4 5 6 7

30、计数器驱动1:1 1 2 2 3 3 4

31、计数器驱动2：5 6 6 7 7 8 8

32、每当确定出计数器增量时，接收到的值被认为是最新的，而第二次接收到的值被认为是较旧的并相应地进行校正。

33、因此，在本发明的设计方案中，通过在用于通信周期的时间同步调整测量值，一方面，如上所述，能够考虑通信周期和循环但不是周期同步的安全循环之间的异步，并且另一方面，在驱动侧能够考虑周期同步的面向安全的循环之间的异步。

34、根据一个设计方案，位置值，速度值，力值，温度值，液位值，电流值或电压值被测量为测量值。将位置，速度，力，温度，电平，电流或电压值组合起来，得到整体的位置，速度，力，温度，电平，电流或电压值作为监控值。例如，在系统的生产过程中的各个点测量值，这些值被处理为总体测量值，然后使用安全功能将其作为监控值进行监控。如果状态要作为依赖于各种测量值的总体监控量值来监控，则所提出的设计方案是特别有利的，使得测量值的时间同步对于监控值的准确性来说是重要的。例如，从单独的至少部分调节的电流值确定力值作为要监控的值，通过对单独的电流值的调节(如果需要的话)基于共同的仪表增量，使得能够非常精确地监控相应时间实际存在的力值。

35、根据一个设计方案，安全功能基于一个或多个已调整的测量值以及与最大计数器增量相关联的一个或多个测量值导出的量值来形成至少一个监控值。有利地，从这些导出的量值被单独地或除了测量值之外包括在监控值的确定中，并在必要时进行调整。例如，速度值源自调整后的位置值以及不需要调整的位置值。例如，这些速度值包含在安全功能中，以执行“安全速度”安全功能，其中监控末端执行器不超过极限速度，并在必要时启动诸如作为停止进程。

36、根据一个设计方案，设置可参数化的极限值，其限定各个计数器增量之间的允许差异。这意味着异步本质上仅限于顶层。引入各个循环计数器差异之间的最大允许偏差，如果超过该偏差，则不应再根据所提出的方法之一对测量值进行调整，而是应发出错误消息和/或应执行停止功能。通过这种方式，随着时间的推移，各个测量值相对于彼此的浮动是能够容忍的并且有利地被校正，但仅达到指定的极限值。这是由控制系统指定和确定的，例如，对于每个系统或在设置系统时。这限制了过滤器功能，而过滤器功能代表了对预期安全功能的有利补充，例如在发生诸如传感器故障之类的错误的情况下。

37、根据一个设计方案，通过基于先前确定的或先前调整的测量值进行外推来调整那些不具有最大计数器增量的测量值。例如，进行线性外推。例如，外推不具有最大计数器增量的测量位置值。为此，例如，假设能够基于最后的位置值和时间增量确定的速度，因此该速度代表例如当前可能的轴向瞬时速度，用于位置的线性外推。例如，即使对于运行不均匀的轴，并且在每个循环中以给定速度围绕该速度稍微波动，即在每个循环中稍微加速或减速，与例如线性外推法相比，线性外推法相对于二次外推(考虑瞬时加速度)也很容易执行，因为临时加速度没有影响。然而，也能够使用高阶多项式进行外推，其中瞬时加速度，急动度等都能够得到。例如，在二次外推中，三个位置值(即来自当前测量值和最后两个测量值)包含在计算中并在每个测量值中更新。

38、根据一种设计方案，安全功能根据至少一个监控值来启动安全功能。典型的安全功能包括制动所涉及的运动轴，以便在某些区域以较低的速度行驶，或者启动停止过程以避免碰撞区域中的危险。同样，能够提供警报输出或消息，例如在温度或压力超出的情况下，这是由基于监控值的各个测量值产生的。

39、根据一种设计方案，安全功能计算在监控监控值时考虑的错误。该错误考虑了因调整测量值而导致的不准确性。例如，基于外推法来估计错误。有利地，同时还考虑从适应的测量值导出监控值所产生的错误。

40、本发明还涉及一种面向安全的控制器，用于同步在相应测量阶段中传送的测量值，所述测量值由安全相关控制在监控阶段中根据安全功能进行处理，其中相关控制单元被设计为将监控周期的当前监控中的测量值的相应计数器增量与前一监控循环彼此进行比较，并用于确定最大计数器增量，并用于基于最大计数器增量调整那些不具有当前监控循环的测量值并且用于基于一个或多个调整后的测量值以及与最大计数器增量相关联的一个或多个测量值由安全功能形成至少一个监控值。

41、例如，面向安全的控制器被设计为在诸如运动装置，机器人，机床或由控制单元控制的其他机器等设备的持续运行期间形成监控值，并且取决于这些设备是否处于预期或允许的范围或值范围来触发安全功能。安全功能还能够例如通过控制并根据定义的例程来触发，特别是包括降低运动部件的速度或在没有电流或扭矩的情况下切换驱动器。

42、例如，它是控制各种驱动轴的面向安全的控制器。例如，驱动轴有自己独立的晶体，每个晶体都有自己的时基，它们不一定以相同的方式计时，即轴没有公共周期并且是异步的。例如，控制各种驱动轴以实现零件或工具或机器人末端执行器的联合运动。它在笛卡尔空间中的运动取决于各个驱动轴，受到监控。所提出的面向安全的控制器能够将来自各个轴的信息(即各个测量值)一起处理以形成监控值，同时考虑到一致的时间，从而实现可靠的监控。

43、根据一个设计方案，面向安全的控制器被设计成执行上述方法步骤之一。