工业自动化装置的自动化部件以及激活运行状态的方法.pdf

本发明涉及工业自动化装置的自动化部件以及激活运行状态的方法，其中所述自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为控制所述工业自动化装置的至少一个设施部分或者过程或者子过程，其中针对所述至少一个设施部分、过程或者子过程，至少两个不同的运行状态能够被交替地调节，以及其中所述运行状态在所述设施部分、过程或者子过程的相应的功耗方面不同。在此，自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为接收关于切换到所述至少两个不同运行状态之一中的请求，自动化部件(TP1、...、TP4)被构造为作为对所述请求的反应而输出应答消息(QM)，并且自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为输出关于各自被激活的运行状态的状态消息(SM)。

1.  一种用于工业自动化装置的自动化部件(TP1、...、TP4)，其中所述自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为控制所述工业自动化装置的至少一个设施部分或者过程或者子过程，
其中针对所述至少一个设施部分、过程或者子过程，至少两个不同的运行状态能够被交替地调节，以及
其中所述运行状态在所述设施部分、过程或者子过程的相应的功耗方面不同；
其特征在于，
●自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为接收关于切换到所述至少两个不同运行状态之一中的请求，
●自动化部件(TP1、...、TP4)被构造为作为对所述请求的反应而输出应答消息(QM)，以及
●自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为输出关于各自被激活的运行状态的状态消息(SM)。

2.  根据权利要求1所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为作为对该请求的反应而决定是否能够执行所要求的切换，其中自动化部件(TP1、...、TP4)被设定为在肯定的情况下进行该切换并且输出肯定的应答消息(QM)，并且在否定的情况下输出否定的应答消息(QM)。

3.  根据前述权利要求之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
要切换的运行状态至少包括：所述设施部分、过程或者子过程的开启、关闭、或者部分负荷运行。

4.  根据权利要求3所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
对部分负荷运行的请求包括关于相对降低能耗或者绝对降低能耗的说明。

5.  根据前述权利要求之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
要切换的运行状态之一是具有对能耗的相应最大的降低的运行状态。

6.  根据权利要求2至5之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
应答消息(QM)包括关于何时执行由请求所要求的对运行状态的切换或者对运行状态的激活的说明。

7.  根据权利要求2至6之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
应答消息(QM)包括关于由请求消息所要求的运行状态的可能的最大持续时间的说明。

8.  根据权利要求5至7之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为发送关于能够通过最大地降低能耗而能够被实现的对能耗的相对或绝对降低的状态消息(SM)。

9.  根据前述权利要求之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为发送具有所有当前可用和/或全部所有的所规定的运行状态的列表的信息消息。

10.  根据前述权利要求之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为根据标准化协议来分析到达的请求消息并且输出应答消息和状态消息(SM)。

11.  根据权利要求10所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
所述标准化协议为所述运行状态的每个规定数据字中的至少一个保留位。

12.  根据前述权利要求之一所述的自动化部件(TP1、...、TP4)，
其特征在于，
自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为检测和/或存储关于所述设施部分、过程或者子过程的信息，其中所述自动化部件(TP1、...、TP4)被设置为使用该信息来判断所述运行状态中的一个或多个是否允许被激活或者允许被激活多长时间。

13.  一种用于激活工业自动化装置中的由自动化部件(TP1、...、TP4)所控制的设施部分、过程或者子过程的多个可激活的运行状态之一的方法，
其特征在于，
-在第一步骤，自动化部部件(TP1、...、TP4)从管理实体接收用于运行状态变换的请求消息，
-在第二步骤，自动化部件(TP1、...、TP4)在如下方面检查由所述自动化部件(TP1、...、TP4)所控制的设施部分、过程或者子过程的状态：对运行状态的所要求的改变是否被所述设施部分、过程或者子过程的预给定的参数极限所允许，
-在第三步骤，由自动化部件(TP1、...、TP4)借助于应答消息(QM)将所述检查结果输出给该管理实体，以及
-在四步骤，由自动化部件(TP1、...、TP4)执行所要求的运行状态变换。

14.  根据权利要求13所述的方法，
其特征在于，
在第二步骤，自动化部件(TP1、...、TP4)在如下方面检查由所述自动化部件(TP1、...、TP4)所控制的设施部分、过程或者子过程的状态：对运行状态的所要求的改变被所述设施部分、过程或者子过程的预给定的参数极限允许多长时间。

15.  根据权利要求13或14之一所述的方法，
其特征在于，
在第二步骤，自动化部件(TP1、...、TP4)在如下方面检查由所述自动化部件(TP1、...、TP4)所控制的设施部分、过程或者子过程的状态：对运行状态的所要求的改变需要多长时间。

工业自动化装置的自动化部件以及激活运行状态的方法
技术领域
本发明涉及一种用于工业自动化装置的自动化部件，其中所述自动化部件被设置为控制所述工业自动化装置的至少一个设施部分或者过程或者子过程，其中针对所述至少一个设施部分、过程或者子过程，至少两个不同的运行状态能够被交替地调节，以及所述运行状态在所述设施部分、过程或者子过程的相应的功耗方面不同。本发明还涉及一种用于激活工业自动化装置中的由自动化部件所控制的设施部分、过程或者子过程的多个可激活的运行状态之一的方法。
背景技术
工业自动化装置通常由多个自动化部件构成，所述自动化部件通过数据网络(常常为现场总线系统)彼此连接。所述自动化部件例如包括传感器和执行器，其中最后提到的执行器尤其是用于控制工业过程、工业过程的子过程、生产设施等等。属于自动化部件的还有控制设备、比如CPU和控制器，所述控制设备用于以程序控制的方式处理由传感器检测到的信号，并且所述控制设备通过控制控制执行器来控制生产设施或者其它的过程或子过程。另外，工业自动化装置的中央部件例如是上级控制设备(Steuerung)、比如所谓的“MES”系统(MES＝Manufacturing Execution System(制造执行系统))、中央电源和能源管理系统、考察和操作工作站、数据库、通信装置、网关等等。
在控制工业制造或工业过程时的中心任务是尽可能经济地对待可用资源、尤其是使能源(通常是电能)的消耗最小化。因此例如可以通过相应的自动化部件短时关闭不需要的设施部分或者使所述设施部分进入待命模式(“Standby(待机)”)。这例如可以人工地进行或者以时间控制的方式发生于运行间歇、夜间、或者周日/节日。
除了减小自动化装置的总能耗(例如通过节能措施)这个要求以外，所期望的还有：减小峰值负荷、即考察时期中的最大能耗。其理由尤其在于：能源供应商的在工业区中的费率模型针对在峰值负荷时购进的电能计算比保持不变的“基本负荷”更高的费率。另一理由在于：用于能源分配和能源供应的技术设备必须运行在其运行极限之内，从而无论如何必须避免超过这些运行极限的峰值负荷。因此常见的是：在工业自动化装置中，在出现峰值负荷情况时暂时关闭如下的自动化部件并且因此暂时关闭如下的“用电设备”：在所述自动化部件和用电设备的情况下，暂时的关闭不会对工业制造、工业生产过程等等造成负面影响，或者至少不会造成安全风险。这种策略也被称为“峰值负荷控制的甩负荷(Lastabwurf)”。因此，例如应当将储存容器中的介质保持在一定温度的电采暖设备可以在该介质的温度未降低至或者低于最小值以前一直被关闭。另一例子涉及用于填充储存容器的泵，所述泵可以在该储存容器的料位(füllstand)降低至最小值以前一直被暂时关闭或者在其输送功率方面被调低。相应的情况适用于废水泵等等。
在此，对自动化部件或利用所述自动化部件而被控制的设备的暂时关闭或“调小”要么人工地进行，要么通过控制设备被自动化。在人工控制的情况下，所产生的缺点是：控制人员必须具有关于各个自动化部件的运行极限(例如最小料位、最低温度等等)、当前的运行状态(开启、关闭、待机、部分负荷、全负荷)、以及分别与之相联系的能耗的准确知识。操作人员必须使这些说明与整个自动化装置的状态、通常与当前的总能耗、以及与之相联系的运行极限(例如允许的峰值负荷)相联系，这对要控制的整体过程和各个子过程、以及与之相联系的自动化部件的知识提出高要求。还对自动控制提出类似的要求，所述自动过程同样必须考虑各个自动化部件的状态和运行极限、以及要控制的总过程的状态和运行极限，并且因此必须考虑整个工业自动化装置的状态和运行极限。由于过程知识的复杂性并且由于各个自动化部件和各个子过程频繁地改变这一事实，因此不仅导致该控制任务的高复杂性，而且导致不期望的故障频率。
发明内容
因此，本发明的任务是简化工业自动化装置的能源管理，并且在自动化部件和子过程改变的情况下可靠地将这些改变考虑在内。
为此，根据本发明提出：将关于过程/子过程或设施部分的生产知识维持(“封装”)在相应的控制自动化部件本身中，并且为了降低负荷的目的通过标准化的接口来访问所述自动化部件。根据标准化的协议以及被这样构造的请求消息、应答消息以及状态消息，上级实体、例如中央控制部件或者能源管理系统因此可以分别与各个自动化部件“商定”进一步的运行状态。
该任务尤其是通过下述的自动化部件和通过下述的方法来解决。
该任务的解决方案规定了一种用于工业自动化装置的自动化部件，其中所述自动化部件配备有至少一个用于输入控制指令和用于输出状态信息或应答消息的数据接口。在此，所述自动化部件被设置为控制由所述自动化部件控制的过程、子过程、仪器、或者设施部分的至少两个不同运行状态的交替运行，其中所述运行状态在由所述自动化部件控制的过程、子过程、仪器、或者设施的相应的功耗或能耗、尤其是电功率的消耗方面不同。在此，所述自动化部件被设置为接收具有关于切换到所述至少两个不同运行状态之一的请求的控制指令，并且被构造为作为对所述请求的反应而输出应答消息。此外，所述自动化部件被设置为输出关于各自被激活的运行状态的状态消息。通过以这种方式构造的自动化部件可以将所述自动化部件整合到上级的能源管理系统中，其中对于能源管理重要的信息可以通过分析应答消息而从所述自动化部件中被读出，并且其中相应的运行状态可以通过传递用于所述自动化部件或与这些自动化部件相关联的过程或子过程的相应的控制指令而被激活或切换。
优选地，自动化部件被设置为作为对该请求的反应而决定是否能够执行所要求的切换，其中自动化部件被设定为在肯定的情况下进行该切换并且输出肯定的应答消息，并且在否定的情况下输出否定的应答消息。
优选地，要切换的运行状态至少包括：所述设施部分、过程或者子过程的开启、关闭、或者部分负荷运行。对部分负荷运行的请求包括关于相对降低能耗或者绝对降低能耗的说明。要切换的运行状态之一是具有对能耗的相应最大的降低的运行状态。应答消息包括关于何时执行由请求所要求的对运行状态的切换或者对运行状态的激活的说明。应答消息包括关于由请求消息所要求的运行状态的可能的最大持续时间的说明。自动化部件被设置为发送关于能够通过最大地降低能耗而能够被实现的对能耗的相对或绝对降低的状态消息。自动化部件被设置为发送具有所有当前可用和/或全部所有的所规定的运行状态的列表的信息消息。自动化部件被设置为根据标准化协议来分析到达的请求消息并且输出应答消息和状态消息。所述标准化协议为所述运行状态的每个规定数据字中的至少一个保留位。自动化部件被设置为检测和/或存储关于所述设施部分、过程或者子过程的信息，其中所述自动化部件被设置为使用该信息来判断所述运行状态中的一个或多个是否允许被激活或者允许被激活多长时间。
本发明同样通过如下的方法来解决：所述方法用于激活工业自动化装置的借助于自动化部件所控制的过程、子过程、仪器、或者设施部分的多个可激活的运行状态之一，其中在第一步骤，所述自动化部部件从管理实体接收运行状态变换的请求消息，并且在第二步骤，所述自动化部件在如下方面检查由它们所控制的设施部分、过程、或者子过程的状态：对运行状态的所要求的改变、激活、或者切换是否被所述设施部分、过程、或者子过程的预给定的参数极限所允许或者被其允许多长时间。然后在第三步骤，由所述自动化部件借助于应答消息将所述检查结果输出给该管理实体，并且根据检查结果开始进行运行状态的切换。通过使用所述方法保证了自动化部件仅在要控制的设施、过程、或者子过程具有与该变换不相矛盾的运行参数的情况下才执行用于切换运行状态的指令。此外还保证了向上级实体通知对该请求的执行或者不执行。因此尤其是可以由所述自动化部件自己将关于如下内容的信息传递给上级实体：对运行状态的所计划的切换或激活在当前时刻是否可以进行、何时进行、和/或可以进行多长时间。
根据所述方法的优选改进方案，在第二步骤，自动化部件在如下方面检查由所述自动化部件所控制的设施部分、过程或者子过程的状态：对运行状态的所要求的改变被所述设施部分、过程或者子过程的预给定的参数极限允许多长时间。
根据所述方法的另一优选改进方案，在第二步骤，自动化部件在如下方面检查由所述自动化部件所控制的设施部分、过程或者子过程的状态：对运行状态的所要求的改变需要多长时间。
根据本发明的自动化部件的有利的扩展方案在下文被说明；所述扩展方案的特征和优点按照其精神同样适用于根据本发明的方法。另外，根据本发明的方法的有利的扩展方案在下文被说明，其中所述扩展方案的特征和优点按照精神同样适用于根据本发明的自动化部件。
所述自动化部件被优选地设置为接收关于作为要激活的运行状态的开启、关闭、或者部分负荷运行的请求。因此最频繁地被要求的运行状态准备好用于切换。在此，对部分负荷运行的请求有利地要么包括关于相对降低由所述自动化部件控制的过程的能耗的说明，要么包括关于绝对降低所述能耗的说明。所述自动化部件的应答消息有利地给上级实体提供关于如下内容的信息：所述请求是否被实现为运行状态的改变。在此，应答消息也可以是：切换已经开始但是还未完成；在此，直到切换为止的持续时间有利地与该应答消息一起被传输。可选地，该应答消息也可以含有关于如下内容的说明：如果所定义的运行极限或者过程极限未被违反，则现在被激活的运行状态在自动进行或必须进行到另一运行状态、通常为前面的运行状态的变换以前可以维持多长时间。
尤其是为了初始化切换过程，而且还为了一般的控制目的，有利的是：将所述自动化部件构造为发送关于分别被激活的运行状态的状态消息。有利地，这样的状态消息在每次变换运行状态以后被自动发送。
如果在所述自动化部件的控制下可以激活具有对能耗的最大程度的降低的运行状态，则获得自动化装置在能源管理方面的大的灵活性。在此，对能源管理系统有利的是：将所述自动化部件设置为发送关于可以通过最大程度地降低能耗来实现的对能耗的相对降低或者绝对降低的应答消息或状态消息、和/或关于直到从所述运行状态返回到前面的运行状态为止的最大持续时间的说明。
如果自动化装置被设置为发送具有所有当前可用和/或全部所有的所规定的运行状态的列表的状态消息，上级实体、比如能源管理系统可以将再次被开启的设施部分或者再次被添加到自动化装置的设施部分以及其自动化部件包括在能源管理之内。在此，在该列表中有利地还说明能耗的相应值和/或至少相应能耗的百分比(相对)值。
尤其是在具有来自不同制造商的自动化部件的自动化装置中有利的是：所述自动化部件被设置为以标准化的协议来处理或输出请求消息、应答消息和状态消息、以及控制指令。如果自动化部件被设置为检测和/或存储关于设施部分、过程、或者子过程的信息，则易于进行与要控制的过程相协调或与要控制的设施相协调的对运行状态的切换，其中所述自动化部件被设置为使用关于如下判断的该信息：所述运行状态中的一个或多个是否允许被激活或者允许被激活多长时间。因此，关于所查找的过程(子过程、仪器等等)的过程知识被封装在自动化部件中，使得上级实体(例如能源管理系统)即使在没有这样的过程知识的情况下并且仅仅根据与所述自动化部件之间的消息交换就能够生成并传递匹配的控制指令。在上级实体与自动化部件之间的消息交换有利地通过短消息进行，在所述短消息中，为标准化的运行状态中的每个保留单独的位(“Flag(标志)”)。
附图说明
下面根据附图来阐述根据本发明的自动化部件的实施例。所述实施例一致用于阐述根据本发明的方法。
附图：
图1以示意图示出了具有电源、能源管理、计划实体、以及子过程的自动化装置；
图2以示意图示出了具有请求的消息、应答消息、以及状态消息的消息的示例性结构；
图3示出了对所述消息中的各种位(“Flag(标志)”)的示例性注解；
图4示出了该计划实体的计划表。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了生产设施作为工业自动化装置，在所述生产设施中，通过数据网络FB(现场总线系统)布置有自动化部件TP1、...、TP4(子过程)，其中自动化部件TP1、...、TP4分别表示要控制的子过程。这意味着，相应的子过程由相应的自动化部件TP1、...、TP4来控制。此外，借助于数据网络FB并且借助于未示出的基础设施(例如供电线)将电源TIP(“Totally Integrated Power(全集成能源)”)、用于能源管理的设备EM、以及计划实体MES(“ManufacturingExecution System(制造执行系统)”)整合到该自动化装置中。在此，用于能源管理的设备EM含有用于基于消息地交换控制和状态数据的控制部件，其中所述控制和状态数据涉及对分别被集成在自动化部件TP1、...、TP4中的节能资料(Energiesparprofil)的设定。可以将该节能资料看作一组不同的、优选为标准化的运行状态，其中在本实施例中，所述标准化不仅涉及所述运行状态本身，还涉及与所述运行状态有关的基于消息或者登记(register)的控制。在此，控制部件(未示出)比如在本实施例中可以作为软件或者软件插件(Software-Plug-In)被集成在用于能源管理的设备EM内，或者可替换地也可以被集成在其它部件中、尤其是电源TIP或者计划实体MES中。
接下来将要示例性地假设：自动化部件TP1控制压缩机作为子过程，所述压缩机填充对该生产设施重要的压缩空气储存容器。在此，应当借助于自动化部件TP1的控制特性来将该储存容器的压力保持在最小值与最大值之间。为此，该压缩机的转速是可控的，使得其泵功率可以被无级地调节，并且因此其能耗(对电源TIP的电功率的消耗)可以被无级地调节。
电源TIP连续地监测由整个产生设施消耗的电功率，并且连续地通过数据网络FB将该值提供给能源管理EM并且由此提供给所述插件和控制部件。此外，由计划实体MES同样通过数据网络FB给能源管理MES供应关于该生产设施的制造的计划数据；这样的计划数据在图4中被示意性地示出。
可替换地，也可以考察少量子过程或者仅仅唯一一个子过程的能耗；这以存在相应差异的测量设备为前提。在另一可替换的实施例中，也可以借助于询问消息将子过程的当前的、最小的、和/或最大的能耗从相应的自动化部件TP1、...、TP4中读出；由此可以省去测量装置。
能源管理EM被构造为使得在该生产设施或者所考察的部分生产设施所消耗的电功率接近于或者超过第一极限值的情况下，那些不必持续地以均匀负荷运行的过程和子过程的功率将被调小。对于压缩机就是这种情况，所述压缩机由自动化部件TP1来控制。如果该压缩机的储存容器中的压力高于最小压力，则该压缩机的输送功率并且由此其能耗可以被降低或者甚至被完全切断。为了实现该目的，能源管理EM借助于标准化协议与自动化部件TP1通信。为此能源管理EM将标准化的消息、即请求消息AM发送给自动化部件TP1。
在图2中示意性地示出了请求消息AM、应答消息QM、以及状态消息SM的结构。在最简单的情况下，请求消息AM的有效载荷(Payload)仅仅包含一个字节，在所述字节中，具有名称“Q_部分(Q_Part)”的位将使自动化部件TP1或由TP1所控制的子过程变换到对应于部分负荷运行(“部分(Part)”)的运行状态中。可选地，请求消息AM还可以包括两个另外的字节(未示出)，所述字节说明所寻求的功率降低的百分比值；可替换地，也可以利用绝对值来运作。自动化部件TP1利用应答消息QM来回复，所述应答消息QM同样在图2中被示意性地示出，并且优选地同样通过对单独的位进行置位来以标准化的方式提供关于执行或不执行请求消息AM的信息。在本情况下，在该请求消息QM中，第四位“部分(Part)”被置位，由此自动化部件TP1确认该压缩机到部分负荷运行中的切换。应答消息QM同样还可以在两个另外的字节中提供关于如下内容的信息：所消耗的功率可以被降低多少百分比、例如降低50％。此外，可以利用应答消息QM、或者比如在这里利用独立的状态消息SM来作出关于切换的时间说明。因此在本情况下，直到切换为止的持续时间(“remaining time until on(直到开启为止的剩余时间)”)被设置为零，因为该切换已经在进行。返回时间(“remaining time until off(直到关闭为止的剩余时间)”)是由自动化部件TP1预测的直到再次变换运行状态(在此为变换到全负荷运行中)为止所经历的时间。为此，自动化部件TP1不仅在切换到部分负荷运行中以前检查该压力容器的压力是否高于最小极限，而且还考察压力梯度(每时间单位的压力降)，以便计算出在当前减小该压缩机输送功率的情况下达到最小压力。通过这些措施，防止了能源管理所要求的对子过程的能耗的降低导致不希望的状态(在此为：欠压)。
在图3中以表格的形式示出了所述消息中的各个位的含意。当然，也可以安排关于消息交换的其它协定、尤其是也可以安排文本或变量支持的命令。尤其是能源管理EM与自动化部件TP1、...、TP4之间的信息传送完全不必借助于消息来进行，而是也可以在共用的数据库中或者在其它的信息存储器中分别访问、以及至少以可读的方式存储相应的数据字(字节)。这尤其是适用于生产过程的所谓的“全局变量”。
替换于所述的百分比的负荷说明，也可以尤其是针对“所节省的电功率”使用绝对值(比如以“千瓦”为单位)。
在图4中示意性地示出了计划实体MES的表格形式的产品计划。有利地，这些计划数据被能源管理EM用于在传递请求消息AM的情况下进行优先级的确定。这意味着，不仅借助于由能源管理EM所发送的请求消息AM实现来自该表格的严格的预先规定(例如在运行间歇中关闭照明)，而且还例如在电功率的总消耗总归为小的运行间歇中将诸如示意性地被考察的蓄压器这样的过程切换到运行状态“全负荷”中，以便在该运行间歇之后已经利用最大的压缩空气储备来再次帮助给电源TI P减负荷。通过可以由能源管理EM来控制多个自动化部件TP1、...、TP4以及与其相联系的子过程，可以由能源管理EM目标精确地并且全局地商定对所需能耗的节省，以及有助于在时间上使能耗平整。有助于此的尤其是运行状态“过载”(“Peak(峰值)”)，在该运行状态下，相应的自动化部件被要求立即“甩掉(Abwurf)”最大负荷。这在示意性地被考察的压缩机的情况下意味着：在已经达到最小压力以前一直完全关闭该压缩机。
有利地，自动化部件TP1、...、TP4被设置为借助于专门的状态消息SM来传递具有所有可用运行状态(在此为：开启、关闭、待机、部分负荷、全负荷)的列表(未在该图中示出)，其中这些列表可选地分别包括关于为了开启相应的运行状态所需的平均反应时间的时间说明。因此，尤其是再次被整合到该生产设施中的设备可以自动地被能源管理EM加以考虑。状态消息SM可以要么根据请求而被传递，要么自动地由相应的自动化部件TP1、...、TP4来传递。所述自动传输尤其是发生在相应的自动化部件TP1、...、TP4的运行状态已经改变时。在此，也可以以确定的时间间隔来调节自动传输。