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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage mit mindestens einem Bedieninterface, mindestens einem Prozessor und mindestens einem I/O-Controller für eine Sensor/Aktor-Einheit eines Werkzeuges einer Produktionszelle der Spritzgiessmaschine, um in einer koordinierten Weise einen wesentlichen Prozessschritt abzudecken, in dem Kunststoffteile hergestellt werden, wobei der mindestens eine I/O-Controller mit mindestens einem Echtzeit-Prozessor der Prozessoren der Steuerungseinrichtung über eine Echtzeit-Ethernet-Verbindung direkt oder indirekt verbunden ist; den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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Die Steuerung der Spritzgiessmaschine übernimmt immer mehr Aufgaben und wird dadurch komplexer. Es werden zunehmend Maschinen und Produktionszellen aus einem Modulbaukasten mit vordefinierten Funktionen zusammengesetzt. Die Ausrüstung variiert dabei von Maschine zu Maschine und von Produktionszelle zu Produktionszelle stark.
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Die 1 zeigt gemäß dem Stand der Technik eine Steuerung einer Spritzgiessmaschine mit einer Bedienerkonsole und mit einem Industrie-PC. Die Steuerung kommuniziert mit Echtzeitrechnern, die ihrerseits die I/O-Controller bedienen, die mit den Sensoren und Aktoren verbunden sind. Dabei findet zusätzlich zur Maschine auch ein Informationsaustausch mit Werkzeug, Handling- und weiteren Peripheriegeräten statt oder diese werden direkt gesteuert. Peripheriegeräte können ihrerseits eigene Bedienkonsolen haben.
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Es ist bekannt, eine Steuerung zu skalieren, indem der Industrie-PC in der Mensch-Maschine-Schnittstelle direkt mit weiteren Echtzeit-Prozessoren (embedded CPUs) kommuniziert, die ihrerseits Echtzeitaufgaben erledigen und über I/O-Controller die Eingänge und Ausgänge bedienen. Die Anzahl der I/O-Controller und Anschlüsse für Eingänge und Ausgänge sowie der weiteren Echtzeit-Prozessoren hängt von der Komplexität der Aufgabe ab. Dabei werden als Teilnehmer am Feldbus unter I/O-Controller auch Umrichter und Sicherheitsgeräte angesehen.
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Aus der
US 6'466’962 ist eine Steuerungsvorrichtung zur Unterstützung der Echtzeit-Datenverarbeitung innerhalb eines allgemein üblichen (Nichtechtzeit)-Betriebssystems bekannt. Insbesondere wird ein Mehrkern-Prozessor verwendet, auf dem zwei virtuelle Maschinen aufgesetzt werden, wobei die eine Maschine ein im wesentlichen unverändertes allgemeines Nicht-Echtzeit-Betriebssystem verwendet, und wobei die zweite Maschine einen Echt-Zeit-Kernel verwendet, wobei der Zugriff auf die körperliche Hardware der virtuellen Maschinen im Multiplex gesteuert ist.
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Aus der
EP 2 017 733 ist ein Computerhardwaresystem bekannt, das dazu ausgelegt ist, eine virtuelle Maschinenumgebung zu betreiben, um eine Echtzeit-Betriebssystemumgebung an ein natives Host-Betriebssystem zu koppeln, wobei das Echtzeit-Betriebssystem auf dem nativen Host-Betriebssystem läuft.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie die Situation auf der Seite der Steuerungsarchitektur verbessert werden kann, um dem Einrichter einen schnelleren und sicheren Aufbau einer neuen oder ergänzten Produktionszelle zu ermöglichen.
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Die Steuerungsarchitektur sollte einfacher skalieren, das heißt gemäß neuen Anforderungen in die gewünschte Richtung wachsen können: Anzahl und Typen von I/O-Controllern, Rechenleistung, Systemreaktionszeit, Anzahl Domänen, Regelqualität u.s.w.. Die Hardware sollte zwar ebenfalls skalieren, aber eine möglichst kleine Technologiefront haben und zu vertretbaren Kosten realisierbar sein. Dabei sollte die Komplexität der einzusetzenden Steuersoftware möglichst klein gehalten werden, indem möglichst unabhängige Domänen ermöglicht werden. Auch sollte die Freiheit bestehen, schnelle Echtzeit-Busse mit wenigen Teilnehmern und etwas langsamere mit vielen Teilnehmern zu realisieren
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Diese Ziele und Aufgaben werden für eine Steuerung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine mikroprozessor-gesteuerte Steuerungseinrichtung für eine Spritzgiessanlage hat mindestens ein Bedieninterface, mindestens einen Prozessor und mindestens einen I/O-Controller für eine Sensor/Aktor-Einheit eines Werkzeuges einer Produktionszelle der Spritzgiessmaschine, um in einer koordinierten Weise einen wesentlichen Prozessschritt abzudecken, in dem Kunststoffteile hergestellt werden. Dabei ist der I/O-Controller mit mindestens einem Echtzeit-Prozessor der Prozessoren der Steuerungseinrichtung über eine Echtzeit-Ethernet-Verbindung direkt oder indirekt verbunden. Die Steuerungseinrichtung nutzt nun einen Mehrfachkern-Rechner mit mindestens zwei Kernen, wobei auf jedem Kern ein eigenes Betriebssystem aufgesetzt ist, wobei mindestens ein Kern mit einem Echtzeitbetriebssystem (RT-OS) und ein Kern mit einem nicht echtzeitfähigen Betriebssystem (nRT-OS) aufgesetzt ist, wobei mindestens ein Kern als Echtzeit-Prozessor eine Virtualisierung die Ressourcen des Mehrfachkern-Rechners wie Kerne, Speicher und Devices echtzeitfähig verwaltet.
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Die Erfindung basiert auf der Einsicht, dass Multikern-CPUs genutzt werden können, ohne dabei die erhöhte Komplexität des symmetrischen Multiprozessing einsetzen zu müssen. Dafür umfasst die Steuerungseinrichtung einen Mehrfachkern-Rechner mit mindestens zwei Kernen, wobei auf jedem Kern ein eigenes Betriebssystem aufgesetzt ist, wobei mindestens ein Kern mit einem Echtzeitbetriebssystem und ein Kern mit einem nicht echtzeitfähigen Betriebssystem aufgesetzt ist, wobei mindestens ein Kern als Echtzeit-Prozessor eine Virtualisierung die Ressourcen des Mehrfachkern-Rechners wie Kerne, Speicher und Devices echtzeitfähig verwaltet.
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Die Idee besteht darin, eine Architektur zu schaffen, die es ermöglicht, ähnlich wie die Steuerungen nach aktuellem Stand mit einzelnen Rechnereinheiten zu skalieren, ohne dass die Hardwarekosten entsprechenden ansteigen. Dazu soll auch eine Ausprägung der Virtualisierung beitragen, welche die Hardware-Ressourcen wie Kerne, Speicher und Devices (z. B. HD-Controller, Ethernet-Controller, USB-Controller verwalten u.s.w.) verwalten und gegen unzulässige Zugriffe schützen kann, ohne die Echtzeitfähigkeit zu verlieren.
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Die Erfindung gestattet, dass die heute mit verteilten Rechnern verwendete Software-Architektur im Wesentlichen unverändert weiterverwendet werden kann und der Übergang zur symmetrischen Multiprozessing-Architektur vermieden werden kann.
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Es ist damit eine flexible, hochgradig skalierbare Steuerungsplattform angegeben. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten einer bekannten Steuerung;
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2 eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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4 eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten einer bekannten Steuerung. Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Industrie-PC bezeichnet, welcher mit einer Bedienerkonsole 20 über eine computergestützte Benutzerschnittstelle 21 als Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) verbunden ist. Die Spritzgiessmaschine kann weiter über angebundene Komponenten 30 für ein Produktionsleitsystem (MES) und die Überwachung und Steuerung der technischen Prozesse in einer Leitebene (SCADA) verbunden sein. Diese Verbindung des Industrie-PC 10 mit der Leitsystem-Komponente 30 kann durch eine Ethernetverbindung 31 basierend auf TCP/IP realisiert sein.
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Der Industrie-PC 10 der Spritzgiessmaschine kommuniziert des Weiteren über ein Echtzeit-Ethernet 41 mit Echtzeitrechnern 40, die ihrerseits eine Vielzahl von I/0-Controllern 50 bedienen, die mit Sensoren und Aktoren verbunden sind, die in der schematischen Darstellung der 1 pauschal mit dem Bezugszeichen 60 versehen sind. Die Aktoren / Aktuatoren bilden die Stellglieder im Regelkreis der nachfolgend beschriebenen Einheiten der schematisch dargestellten Produktionszelle 70. Für die Realisierung der Echt-Zeit-Ethernet 41 Verbindungen und den Schnittstellen der Echtzeitrechner 40 sind aus dem Stand der Technik verschiedene Feldbussysteme mit benötigten Buszyklen von weniger als 1 Millisekunde bis hinab zu 100 Mikrosekunden bekannt, wie Ethernet/IP als offener Industriestandard, für das Komponenten insbesondere durch Mitglieder der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) zu beziehen sind.
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Dabei sind die Verbindungen zwischen I/O-Controllern 50 und Sensor/Aktor-Einheiten 60 mit einer Vielzahl von hier jeweils fünf Verbindungsleitungen 51 dargestellt. Sowohl diese Anzahl als auch die Anzahl und Ausgestaltung der I/O Controller 50 ist beispielhaft gewählt. Die technische Umsetzung der Spritzgiessmaschine ist mit dem alle Baugruppen verbindenden Bezugszeichen 70 für die Maschine insgesamt bezeichnet, welche die Sensor-Aktor-Baugruppen 60 umfasst, die der Kunststoff-Spritzgiessmaschine 71, den Werkzeugen 72, den Handlings-Einheiten 73 und allfälligen Peripheriegeräten 74 zugeordnet sind. Dabei ist zu notieren, dass üblicherweise eben zusätzlich zur Maschine 71 selber auch ein Informationsaustausch mit Werkzeug-, Handling- und weiteren Peripheriegeräten 72, 73 und 74 stattfindet oder dass diese direkt gesteuert werden. Peripheriegeräte können ihrerseits eigene Bedienkonsolen haben (hier nicht dargestellt; in der Umsetzung der Erfindung siehe 4).
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Die 2 zeigt nun eine schematische Darstellung einer Spritzgiessmaschine mit dem Schaltbild der Komponenten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei soll die verfügbare Technologie von Multikern-CPUs zu Hilfe genommen werden. Bei einem Multikern-Rechner 100 spricht man von 2 bis n Kernen pro CPU, z.B. Intel core2 Duo besitzt n = 2 Kerne). In der 2 dargestellt ist ein n=4 Vierkernrechner 100.
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Dieser ist über einen Ethernetcontroller 110 an die Leitsystemkomponenten 30 angeschlossen. Ein Echtzeit-Ethernet-Controller 111, auch als RT-Ethernet-Controller bezeichnet, verbindet einen Echtzeitausgang 112 des Multikernrechners 100 mit den einzelnen I/O Controllern 50, hinter denen, wie im konventionellen Fall der 1 die Spritzgiessmaschine vorgesehen ist.
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Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 20, 21 sind ebenfalls aus 1 so übernommen worden.
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Gleiche Merkmale sind in allen Fig. mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es ist aus der 2 ersichtlich, dass die Anwendungen, die konventionell wie bei der 1 heute auf mehreren Industrierechnern 10 und getrennten als „embedded CPUs“ bezeichneten Echtzeitrechnern 40 vorgenommen worden sind, nun auf einem einzigen Industrie-PC in Gestalt eines Multikern-Rechners 100 betrieben werden können.
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Der Multikernrechner 100 hat in dem vorgestellten Ausführungsbeispiel vier Kerne 101, 102, 103 und 104. Um die Ziele der Erfindung zu erreichen, ist eine spezifische Vorgehensweise notwendig. Von den vier Kernen ist der Kern 101 als einziger Kern mit einem nicht echtzeitfähigen Betriebssystem geladen, in der Folge auch mit nRT-OS abgekürzt. Die drei anderen Kerne 102, 103 und 104 sind mit einem echtzeitfähigen Betriebssystem geladen, in der Folge auch mit RT-OS abgekürzt.
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Als geeignete Betriebssysteme werden vorzugsweise Windows XP oder Windows 7 oder Linux (oder die embedded Versionen davon) für ein nicht echtzeitfähiges Betriebssystem, mit nRT-OS bezeichnet, und vorzugsweise VxWorks oder RT-Linux für ein echtzeitfähiges Betriebssystem, mit RT-OS bezeichnet, eingesetzt. Für die Virtualisierung (oder Hypervisor) werden vorzugsweise Produkte wie VxWin, AT-RTOSVisor eingesetzt aber auch andere Produkte sind für den Fachmann geläufig und einsetzbar.
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Der Einsatz von mehreren Betriebsystemen verlangt nach erheblichem Arbeitsspeicher. Um davon genügend bereitstellen zu können sind vorzugsweise Betriebssysteme mit einem 64 bit Speicheradressbereich zu verwenden.
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Die Kommunikation zwischen den Kernen wird über sogenannten gemeinsam genutzten Speicher oder auch Shared Memory 120 ausgeführt, wobei die Kommunikation zwischen dem oder in andern Ausführungsbeispielen „den“ nRT-OS-Kernen 101 und von nRT-OS-Kernen 1010 zu RT-OS-Kernen 102, 103, 104 vorzugsweise über Standard-Internet-Protokolle 131 (Internet Protokolle decken den ganzen Bereich der OSI-Model-Layers ab) wie z. B. TCP/IP abgewickelt werden. Beim Kern 201 ist mit RTE-M die Schnittstelle als Realtime Ethernet Master bezeichnet worden.
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Die Kommunikation zwischen RT-OS-Kernen 102, 103 und 104, dargestellt als Interkern-Kommunikation 131’ ist vorzugsweise echtzeitfähig und soll synchron stattfinden (sie ist aber auch über Internet-Protokolle möglich). Auch hier werden Shared Memory 120 verwendet auf denen Strategien wie FIFO, Shared Events, Interlocked Data Access, Synchronisation von Datum und Uhrzeit, Synchronisation von verteilten Echtzeituhren und von virtuellen seriellen Datenkanälen realisiert werden.
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Shared Memory 120 sind Speicherbereiche auf die mehr als ein Kern 102, 103, 104 Zugriff hat. Es werden dabei softwareseitig Maßnahmen eingesetzt, die sicherstellen, dass nur ein einzelner Kern gleichzeitig Zugriff auf den Speicherbereich erhält. Der Speicherbereich kann sich an einem beliebigen Ort befinden, auf der CPU oder außerhalb, wo der Zugriff gewährleistet ist, vorzugsweise auf dem Arbeitsspeicher-Speicher (DRAM).
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Dass die einzelnen Kerne noch reaktiv sind, wird durch eine zyklische Aufforderung des Koordinationsrechners an alle Kerne, ihren Zustand zu melden, überwacht. Der Koordinationsrechner wertet die Antworten aus und bedient den Hardwatchdog zyklisch. Als Hardwatchdog betätigt sich ein Infrastruktur-Teilnehmer am RT-Ethernet-Bus, der das Aufstarten und Herunterfahren der Speisung der Steuerung ausführt.
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Weiter sollen auch Situationen beherrscht werden, bei denen mehrere weitgehend unabhängige Domänen auf einer einzigen Steuerung betrieben werden sollen, ohne dass die Komplexität der Steuerung und der Software explodiert. Als weitere Domänen könnte beispielsweise eine multivariante Echtzeit-Fehlererkennungsund Ausscheidungs-Anwendung bezeichnet werden, die dazu beiträgt, dass eine 0-Fehler-Produktion erreicht werden kann. Oder eine Füllsimulation von Werkzeugen. Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, die die multivariante Echtzeit-Fehlererkennung ermöglicht. Im Falle eines konventionellen Aufbaus wären zwei Industrie-PC 10, ein Echtzeit-Rechner 40 mit Master-Funktion und drei Echtzeit-Rechner 40 mit Slave-Funktion notwendig, was durch den einzelnen Mehrkernrechner 200 hat ersetzt werden können.
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Anstelle einer Master-Slave Konfiguration kann in anderen Ausführungsbeispielen auch eine „Publish-Subscribe“ Funktion realisiert werden, was im Gegensatz zur Master-Slave Konfiguration keine feste hierarchische Struktur vorgibt, so dass flexibel auf Veränderungen reagiert werden kann, was beispielsweise mit TwinCAT realisierbar ist.
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Weitere Ausprägung der Domäne ist eine abgegrenzte Funktionalität z. B. ein Regler mit seinen I/Os, der weitgehend autonom seine Aufgabe erledigt und durch Kommandos und Parameter vom Koordinations-Rechner gesteuert wird. Diese Domäne ist auch synchronisiert durch den Koordinationsrechner, kann aber in einer höheren Taktrate arbeiten als der Kommunikations- und Synchronisations-Takt. So kann auf erhöhte Anforderungen der Reaktivität reagiert werden, ohne dass das ganze System reaktiver werden muss.
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Die 4 schließlich zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Einsatz einer zusätzlichen Domäne, ohne dass mehrere Zusatzrechner eingesetzt werden müssten. Es bliebt auch hier bei einem Mehrkernrechner 300 mit insgesamt sechs Kernen 301 bis 306 im Beispiel.
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Dabei wird ein Kern 303 eingesetzt, der zwei Echtzeit-Ethernet-Master besitzt und damit zwei RT-Ethernet-Busse erzeugt, die jeder für sich eine eigene Domäne bilden, z. B. kann in einer ersten Domäne die ganze Netzwerktopologie bestimmt werden, indem die auftragsspezifischen Anforderungen in Schaltpläne umgesetzt werden, die wiederum die Information über die Topologie der Steuerung liefern. Wird das Netzwerk und die Knoten (Slaves) anhand dieser Information konfiguriert, kann in diesem Umfeld jeder Teilnehmer ausgewechselt werden ohne weitere Maßnahme, aber es kann die Topologie nicht verändert werden ohne einen neuen Schaltplan.
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In der zweiten Domäne, wo z. B. der Benutzer der Maschine bestimmt, welche Geräte er anschließen will, ist die Topologie des Busses nicht vorausbestimmbar. In diesem Umfeld wird eine andere Strategie angewendet, indem jeder Teilnehmer eine Knotenadresse haben muss, anhand der ein Teilnehmer festgestellt und die Identität und die Eigenschaften des Gerätes aus diesem ausgelesen werden kann.
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Die zweite Domäne wird über den zweiten Ethernet-Controller 111’ zu der Ansteuerung der aus der Produktionszelle 70 der 1 herausgezogenen Peripherie-Geräte 74 verwendet, wobei ein getrenntes Sensor/Aktor-Paar 60’ beschaltet wird.
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Eine weitere Ausprägung von Domänen ermöglicht die Intel Hyperthreading-Technologie. Dadurch kann zusätzlich eine weitere unabhängige Applikation parallel auf dem gleichen Kern verarbeitet werden, ohne dass dazu ein zusätzlicher Verwaltungsaufwand notwendig ist.
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Eine Weitere Ausprägung einer Domäne wird durch die Intel VT-Technologie ermöglicht. Mit dieser Technologie kann z. B. Fernwartung auf der Maschine betrieben werden, obwohl die Steuerungs-Applikation nicht mehr funktionsfähig ist.
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Durch Bilden von Domänen kann die Steuerung bei wachsender Anzahl von Aufgaben und unterschiedlichen Anforderungen an die Reaktivität des Systems den Anforderungen folgen, ohne dass die Komplexität und die notwendige Rechenleistung des Gesamtsystems aus Rechnern stark ansteigen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Industrie-PC
- 20
- Bedienerkonsole
- 21
- Benutzerschnittstelle
- 30
- Leitsystem-Komponenten
- 31
- Ethernet-Verbindung
- 40
- Echtzeitrechner
- 41
- Echtzeit-Ethernet
- 50
- I/0-Controller
- 50’
- Slave I/O-Controller
- 51
- Verbindungsleitung
- 60
- Sensor/Aktor
- 60’
- getrennter Sensor/Aktor
- 70
- Produktionszelle
- 71
- Kunststoff-Spritzgiessmaschine
- 72
- Werkzeug
- 73
- Handlings-Einheit
- 74
- Peripheriegerät
- 100
- Multikern-Rechner
- 101
- Kern mit nRT-OS
- 102
- Kern mit RT-OS
- 103
- Kern mit RT-OS
- 104
- Kern mit RT-OS
- 110
- Ethernet-Controller
- 111
- RT-Ethernet-Controller
- 112
- Echtzeitausgang
- 113
- RTE-S
- 120
- Shared Memory
- 131
- Standard Internet-Protokoll
- 131’
- Interkern-Kommunikation
- 200
- Multikern-Rechner
- 201
- Kern mit nRT-OS
- 202
- Kern mit nRT-OS
- 203
- Kern mit RT-OS
- 204
- Kern mit RT-OS
- 205
- Kern mit RT-OS
- 206
- Kern mit RT-OS
- 300
- Multikern-Rechner
- 301
- Kern mit nRT-OS
- 302
- Kern mit nRT-OS
- 303
- Kern mit RT-OS
- 304
- Kern mit RT-OS
- 305
- Kern mit RT-OS
- 306
- Kern mit RT-OS
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6466962 [0005]
- EP 2017733 [0006]