CN102109844A - 用于建筑机械的控制系统以及操作该控制系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于建筑机械的控制系统以及操作该控制系统的方法，所述控制系统包括至少一个传感器以及至少一个控制器，其中在传感器和控制器之间有串行连接，以及其中，至少一个传感器和/或控制器为双信道或多信道类型。

Description

用于建筑机械的控制系统以及操作该控制系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于建筑机械(construction machine)的控制系统，所述控制系统具有至少一个传感器以及至少一个控制器，其中所述传感器和所述控制器之间有串行连接。

背景技术

为了满足操作复杂机械时苛刻的安全需求，一个可能是以冗余的或分散式的方式设计机械的重要部件。

在此连接中，数据从传感器传输到处理控制器应考虑到机械的控制系统的安全操作，因为在某些条件中，传感器要获取与机械的安全操作有关的测量参量。在此方面，冗余性可能变成必要的，以保证所需的安全条件。由于测量结果以冗余形式呈现，可以检测到整个测量链的个体部件的可能的错误。

发明内容

本发明的目的在于提高这样的用于建筑机械的控制系统的安全性。

根据本发明，此目的首先通过具有权利要求1所述的特征的用于建筑机械的控制系统实现。

因此，控制系统包括至少一个传感器和至少一个控制器，其中该至少一个传感器通过串行连接与控制器连接。因此，所述系统包括一个或多个传感器，其检测一个或多个测量参量并通过串行连接将它们传输到至少一个控制器。控制器用作操作该建筑机械的控制和/或调整单元，其基于该至少一个传感器检测到的和评估的测量值来操作。可以提供一个或多个控制器来执行相同或不同的任务。根据本发明，该控制系统的该至少一个传感器和/或控制器的每一个为双信道或多信道类型。单信道系统通常在出现错误时会失效，而双信道或多信道系统可以进行内部检查并检测可能的处理错误。一方面，该至少一个传感器为双信道或多信道类型，从而检测的测量值以安全的和冗余的形式呈现。另一方面，控制器为双信道或多信道类型，从而可以安全的和冗余的处理测量值。

有利地，这样的传感器在传感器外壳内包括至少两个转换器(transducer)以及至少两个处理单元。转换器限定为传感器的第一部分，其直接响应待检测的测量参量。优选地，每个转换器通过信号线准确地与一个处理单元连接，从而表示测量值的信号参量能传输到处理单元。为了提高传感器的可靠性和安全性，转换器和处理单元均为冗余式和/或分散式(diversitary)类型。至少两个转换器独立地获取至少两个测量值并将该测量值传输到它们所连接的处理单元。本发明将该至少两个转换器在传感器外壳中布置为只具有一个样本供给器(specimen supply)，这确保了待检测的测量参量的实际值没有时间偏差的呈现于两个转换器。优选地，转换器和/或处理单元为分散式类型。

优选地，该两个转换器在传感器外壳中的空间最小化的布置显著地减少了检测的测量值的时间偏移或几乎排除了时间偏移。更优选地，所有的转换器布置为距该样本供给器的入口有相同的距离。因此，在所有的转换器同时获得测量参量的变化。而且，本发明的传感器可以简单地实现冗余设计的传感器系统，因为在传感器外壳中已经集成了冗余性。不需要多个分离的独立的传感器的复杂布置。

更优选地，该至少两个转换器直接并排布置在传感器的样本供给器内或传感器的样本供给器的端区域中。还可以想到将转换器在样本供给器中安装到相对的点上。两个转换器之间的空间距离越小，测量参量的实际值的延时检测越小。通过本发明的布置，获取的实际值之间的时间偏移可以忽略。在传感器的无错功能下，在转换器的输出端获得几乎同时呈现的实际值。

如果测量结果取决于外部干扰参量，优选地，在传感器外壳中布置一个或多个次级传感器。可以想到合适的温度传感器或用于检测空气压力的传感器。特别地，次级传感器提供的测量值被提供到处理单元。有利地，从而通过次级传感器提供的测量数据来补偿对传感器的外部影响。

有利地，该至少两个处理单元彼此耦合。优选地，该至少两个处理单元基于公共时钟源来操作，或者采用可以彼此同步的分离的时钟源。处理单元的公共时基(time base)的使用或同步的信号处理减少了或优化了在处理单元的输出端呈现的测量值的时间偏移。优选地，个体处理单元的测量值或其他数据的相互交换通过处理单元之间的信号连接实现。因此，每个处理单元将其检测到的测量值提供到一个或所有其他处理单元。可以想到，在至少一个处理单元内部提供一个装置，通过该装置可以将至少一个第一测量值与至少一个其他测量值相比较。而且，可以想到，该至少一个处理单元将其自己的测量值与所有其他连接的处理单元的测量值相比较。

更优选地，配置该装置，从而可以在至少两个测量值之间执行真实性检查(plausibility check)，特别是交叉对比。如果偏差位于所限定的公差极限内，将测量归为真实的，该至少两个处理单元达成协议将该统一测量值应用于所有或至少部分处理单元。然后，该统一测量值作为二进制值被提交(file)到该所有或部分处理器单元的输出区域中。例如，两个处理单元彼此比较它们的测量值。在只有小的容许偏差的情况中，第一处理单元将其测量值提交到输出区域，而第二或所有其他的测量单元丢弃它们自己的测量值，而将第一处理单元的该统一测量值提交到它们的输出区域。因此，提交的值的位组合形式(bit pattern)在所有的输出区域中是相同的。如果两个比较的测量值的偏差位于所限定的容忍范围之外，则可标记该至少一个处理单元的测量结果是错误的。识别出的测量值可以提交到至少两个处理单元的输出区域中，并通过串行连接传输到控制器。由于该标记，控制器可以推断传感器的故障。

特别优选地，通过可编程微处理器或数字信号处理器(DSP)来实现该至少一个处理单元的该装置。通过微处理器的中央时钟馈送来提供处理单元或微处理器的耦合。所使用的微处理器的同步最小化了测量值之间的时间偏移，因为微处理器内的所有处理操作可以同时执行或相对与彼此同步执行。因此，在微处理器内可以评估并几乎同时输出测量参量的个体实际值。

在本发明的特别优选的方面，至少一个控制器包括相对于彼此冗余地和/或分散的布置的至少两个控制单元。控制单元实现了控制器的双信道或多信道结构，并且通过任意的内部总线系统彼此连接。因此，可以在个体控制单元之间实现通信或数据交换。无论彼此独立或不独立，控制单元处理接收到的数据。因此，评估的数据在控制器中以冗余形式呈现，并且基于以冗余形式呈现的信息，可以通过控制器进行特定测量。

可以设定在至少一个传感器和至少一个控制器之间的串行连接为总线系统，特别是CAN总线系统、利勃海尔(Liebherr)系统总线或基于以太网的总线系统。总线装置可以分成总线主控(bus master)、总线观测器和传感器。有利地，控制器用作总线主控。可以想到，提供至少一个或多个总线主控，其可以关联到一个或多个控制器。优选地，在至少一个传感器的处理单元中集成有发送和/或接收单元，其将检测到的测量值或处理后的测量信号提供到总线。可以设定，与传输过程并行，处理单元检查传输的信号来用于校正。因此，处理单元同时截取其传输的信号。传感器的所有的处理单元都可以连接到总线系统。在此情况中，一个处理单元通过总线发送其信号，所有其他的处理单元截取该一个处理单元提供到总线上的该传输信号，并检查该传输信号来用于校正或将总线信号与其期望值相比较。在错误检测的情况中，特别优选地，至少一个处理单元将相应的总线信号拉低一段时间，特别的为512μs。这对应于所使用的总线系统的传输协议的超时设定，从而呈现于总线上的所有的信号被宣告无效或在接收单元内被丢弃。

可以想到，在至少一个传感器中设置一装置来加密或打包待传输的测量值。可以想到的是对数字化的测量值使用合适的数据处理算法，例如CRC和/或CRT算法。测量值在传感器中已加密并通过总线系统传输到控制器。而且，优选地，在至少一个控制器中提供用于对测量值解密或解包的装置。因此，可以在接收器一侧检测以及有利地校正发生的测量值的处理错误或通过加密进行的数据传输。

根据本发明，上述目的通过一种操作上述的用于建筑机械的控制系统的方法来实现，该方法具有在权利要求9中所述的方法步骤。

对应于本发明的方法步骤，初始地，测量参量被至少一个传感器冗余地和/或分散地检测和处理，被内部检查来用于校正，并随后提交到测量协议的数据包中，通过传感器的用于执行安全和/或保护功能的装置来对所述数据包提供安全信息。而且，通过串行连接将该数据包传输到控制器。在接收器一侧或在控制器内部，通过冗余的和/或分散设计的控制器通过安全和/或保护功能，检查该数据包或测量值来用于校正，特别是用于无错传输。

根据本发明的特定方面，存储针对至少一个传感器的每个信道的个体传感器描述。该传感器描述表示所用的每个传感器的确定的个体标识。制造者将该数据完整地提交到传感器的所有信道中，特别是在处理单元中。基于传感器描述，可以通过特定算法来针对每个传感器计算个体密钥。因此，控制系统的每个传感器处理明确识别的以及分配的密钥，优选地，当将测量值从传感器传输到控制器时额外传输该密钥。控制器可以周期性地请求传感器描述，以监控传感器的功能。

有利地，至少一个控制器用作总线主控并且初始化针对每个传感器的状态查询。状态查询例如可以周期性地执行。作为响应，每个传感器通过总线系统将其独立协议的数据包中的传感器状态描述传输到查询控制器。通过相应的诊断方法，在传感器的每个信道内部或每个处理单元中内部确定传感器状态描述。状态查询的重复率可以可变的方法来限定，并且优选地适应现有的安全需求。

更有利的，用作总线主控的控制器通过测量协议请求至少一个传感器的测量值。优选地，测量值在数据包内基于控制器或总线主控的请求专有地从传感器传输到控制器。通过遵守所需的安全规则，单个测量值或数据包的传输可以重复地实现。为了传输，使用为此目的提供的测量协议。该测量协议优选地从测量值、时间戳和编码的安全信息产生数据包，其中编码的安全信息通过安全性和/或保护功能方便地通过测量值、时间戳和传感器的个体密钥来计算。通过安全性和/或保护功能，在接收器一侧的可能的数据处理或传输错误可以被检测到，并特别优选地可以基于对传输的数据包的内容的评估来校正。为此目的，状态查询或测量值查询的响应数据的内容是需要的并一起被处理，因为该信息需要用于检查。根据本发明的特定方面，个体密钥用于验证传输的数据包，特别用于验证测量值和传感器状态描述。

传感器的控制单元可以通过总线系统接收至少一个传感器的数据，并且将数据或数据包的副本转发(forward)到控制器的所有其他的控制单元。接收的数据包的内容由个体控制单元冗余地处理和检查。优选地，通过每个个体控制单元来肯定地确认检查成功。优选地，通过基于安全性和/或保护功能来验证数据，从而实现接收的测量值或数据包的检查。

原则上，所使用的传感器包括至少两个转换器，所述转换器用于待检测的任意测量参量。优选地，至少一个传感器适用于测量一个或多个不同的测量参量，例如，压力、角度、旋转、倾斜、长度、距离、声音、亮度、湿度、方向或填充水平。传感器的兼容性仅取决于一个或多个安装的转换器。而且，样本供给器可方便地适应待检测的测量参量或介质。优选地，测量值处理的类型在所有传感器中相同。所有的传感器优选地包括相对于彼此冗余地和/或分散地布置的至少两个转换器和/或处理单元。传感器的可能的实施例包括电缆长度编码器、激光传感器、旋转角度转换器、倾角计(inclinometer)以及通过旋转编码器的长度测量装置。

附图说明

下面参考附图中所示的实施例来详细描述本发明的其他特征、细节和优点，其中：

图1显示了使用压力传感器的示例的传感器的示意图，

图2显示了本发明的控制系统的实施例的示意图，以及

图3a和图3b显示了控制系统的传输协议。

具体实施方式

图1显示了在本发明的控制系统中使用的传感器200的示意性结构。在图1所示的实施例中，冗余设计的双信道传感器200作为压力传感器操作来检测管道1中的介质的液压。传感器200的传感器外壳201上的螺纹被旋入了相匹配的压力管道1的螺纹连接。当管道1充满液体油或相似的压力介质时，样本供给器210的空间中也被充满，到达布置在那里的转换器220、230。转换器220、230将检测到的样本供给器210中的压力测量参量(实际值)转换为相应的电信号，该电信号通过两个信号线240、250提供至两个处理单元260、270的输入端261、271。有技巧的选择两个转换器220、230的位置，包括将转换器220、230的布置选择为距样本供给器210的进口相当短的距离且等距。在转换器220、230在同一时间获得相同的测量值。因此，由转换器220和处理单元260形成第一信道，而第二信道包括转换器230和处理单元270。

为了检测与环境相关的干扰参量，每个转换器220、230包括一个次级传感器221、231。还可以利用多个次级传感器来检测一个或不同的干扰参量，例如温度或气压影响。由于次级传感器221、231非常接近，一个次级传感器221、231在技术上是足够的，但这损害了冗余性。为了补偿干扰参量，所确定的干扰影响通过信号线222、232传输到相关的处理单元260、270的输入端261、271。两个次级传感器221、231均被配置为温度传感器，以补偿传感器200的取决于温度的测量波动。次级传感器同样可以配置为压力传感器，来检测传感器200上或者传感器外壳201内占据优势的空气压力，并将其转发来进行补偿。

在传感器200的操作期间，转换器220、230和次级传感器221、231通过信号线240、250、222、232持续提供测量信号到两个处理单元260、270的相应输入端261、271。

该两个处理单元260、270提供了集成电路布置，其主要部件为可编程微处理器或DSP。处理器的主要任务包括处理呈现于输入端261、271上的转换器220、230和次级传感器221、231的电测量信号。一方面，实现当前值的模数转换，另一方面，每个处理单元260、270通过连接266将其自己转换的测量值提供给另一个处理单元。为了监控传感器的合适功能，通过交叉对比的方法在处理单元260、270内实现对现有的测量值的真实性检查。由于各测量值以与时间相关以及持续的方式呈现于两个处理单元260、270的输入端261、271，因此两个处理单元260、270方便地以公共时基265操作。两个微处理器均被一公共时钟源馈送，或者采用彼此同步的分离的时钟源。决定性的是利用公共时基265。

如果测量值的偏差没有超过所限定的公差极限，则将该测量归为真实的。一般地，处理单元260的测量值，以及由两个处理单元260、270获得的测量值，然后被提交到输出区域262、272来用于传输。在传感器的无错误行为的操作期间，在数字化和比较测量值之后，在输出区域262、272中确保了相同的位组合形式。为了将传感器值转发到建筑机械的控制器600，传输统一测量值就足够了。

如果偏差位于特定的容许范围之外，则一般认为测量出错，相应地与两个处理单元260、270的输出区域262、272中所提交的标识一起识别测量值。

对于到总线系统290的连接，传感器200包括连接点280，其在外壳201内部被分成两个分支总线280a、280b。通过分支总线280a、280b，两个处理单元260、270连接到总线系统的总线290。

图2显示了本发明的控制系统500的示意性结构。系统500实质上包括传感器200、总线系统290以及控制器600，其中系统500可以很容易地包括不定数量的传感器200和控制器600。

每个传感器200包括其明确的个体标识，该标识被提交到传感器200的第一信道或处理单元260中，还被提交到第二信道或处理单元270中。该标识随后被理解为个体传感器描述，传感器200的个体密钥通过特定算法从该传感器描述中计算得出。

此外，通过传感器状态描述来限定每个传感器200的状态。通过相应的诊断方法，在每个信道或每个处理单元260、270中内在地确定该传感器状态描述。

传感器200通过总线系统290与建筑机械的控制器600连接。总线系统290例如配置为利勃海尔系统总线，这可从DE 196 47 131 C2中获知。通过控制单元610和620将控制器600配置为双信道形式。为了最小化总线装置的数量，只有控制器600的控制单元610被配置为总线主控，并且通过其接收单元611接收传输的数据。还可以想到采用控制系统500具有多个总线主控的配置，该多个总线主控用于控制系统500的不同的任务区。

控制单元610的总线主控周期性地扫描前述个体传感器描述。这确保检查传感器200是活动的且可操作的。相同的操作也应用于传感器状态描述，通过采用独立协议(standalone protocol)的总线主控来周期性地扫描传感器状态描述，其中扫描周期的重复率可变地适应各自的安全需求。

专有地基于总线主控的请求，传感器200的测量值被重复地传输到控制器600或控制单元610的接收单元611。如果控制器600需要来自传感器200的数据，则总线主控通过初始化不同的协议来对总线290进行扫描。

为了传输测量值，使用为此目的限定的测量协议，这可从图3b中获知。图3b包括测量值、时间戳和编码的安全信息，所述安全信息是根据测量值、时间戳和传感器的个体密钥的函数计算的。

处理单元260通过传输输出区域262中提交的测量值或个体传感器描述或传感器状态描述，来对接收的总线主控的请求作出反应。为了传输测量值，计算安全信息，并且将测量协议的整个数据包打包到总线系统290的整个协议(图3a)中并且放到总线290上。在传输过程中，处理单元260同时检查放到总线290上的传输信号的正确性。处理单元270也进行类似的处理，其中处理单元270专有地检查通过处理单元260放到系统总线上的信号的正确性，其将该信号与其期望值(即在输出端272中提交的测量值)相比较，或者与其个体传感器描述或传感器状态描述相比较。如果待检查的处理单元260、270中的一个识别出传输错误，处理单元260、270使协议失效，例如在利勃海尔系统总线的情况中，是通过将总线信号拉低一段时间，特别是512μs。该时间间隔表征了利勃海尔系统总线协议的相应的超时设定，因此该总线传输的所有的传输信号被各个接收单元丢弃。

通常，所有的总线装置，即观测器、总线主控和所有的传感器都能监听传输的数据的内容。对于每个传感器200，在本地数据字段中，总线主控以及观测器中提供限定的并且总是相同的字段，即字段BW和XW。传输的有用的数据，即测量协议，存储在本地数据字段BW中，所述传输的有用的数据分为测量值、时间戳和安全信息。因此，每个总线装置读取放在总线290上的数据并且相应地填充其本地数据字段。传感器200对状态查询的响应被填充到数据字段XW中，并进一步被相关联的传感器的个体密钥完善。因此，该密钥是通过特定算法在每个接收器中本地独立的计算得到的。

在图2的实施例中，控制单元610通过接收单元611接收传输的数据。另外前述的传输协议也打包到总线系统290的整个协议(图3a)中，其通过校验和(check sum)来确保安全。控制单元610用该传输的数据填充其本地数据字段BW和XW，并通过装置615来执行安全和保护功能来验证传感器数据。一方面，如此可以确定数据的正确性，另一方面，优选地可以进行传输错误的校正。为了验证数据，两个数据字段的内容均需要在装置615中彼此进行处理。

随后，控制单元610将其数据字段BW和XW的内容的副本转发到冗余地或发散布置的控制单元620。该转发通过任意的内部总线系统实现，例如SPI、CAN、LAN、LSB，控制单元620的本地数据字段被数据副本占用。与控制单元610类似，执行安全和保护功能是利用装置625实现。两个控制单元都确认接收的数据的正确性来作为成功验证的结果。

优选地，保护和安全功能基于执行已知的安全算法或恢复算法(restoration algorithm)，例如CRC或CRT算法。

由于控制器的冗余式和/或分散式设计，检查后的测量值通过不同的管道结构分发到控制系统的处理逻辑中。如果加密的测量数据被管道结构破坏，处理控制器600将检测这些错误。可能地，如果合适的选择了安全算法和恢复算法，控制器600甚至可以校正这些错误。

在图2的示例中，还显示了控制器600的其他控制单元630的可能的连接。图示的控制系统500不限于个体控制器600。可以想到多个控制器、多个传感器以及观测器的应用，其中所有的传感器和所有的控制器根据前述的结构可能性进行设计。

传感器200的实施例用作测量管道1内的压力。然而，传感器200的这样的结构不限于测量压力参数。传感器200的其他实施例可以测量角度、旋转、倾斜、长度、距离、声音、亮度、湿度、方向或填充水平。为此，仅需要使用的两个转换器220、230适应相应的介质以及修改样本供给器210。可能的实施例包括电缆长度编码器、激光传感器、旋转角度转换器、倾角计以及通过旋转编码器的长度测量装置。

Claims (13)

1.一种用于建筑机械的控制系统，包括至少一个传感器以及至少一个控制器，其中在所述传感器和控制器之间存在串行连接，其特征在于，

所述至少一个传感器和/或控制器为双信道或多信道类型，在所述至少一个传感器中，相对于彼此冗余地和/或分散地布置有至少两个转换器和/或至少两个处理单元，所述传感器的所述至少两个处理单元彼此耦合，和/或在所述处理单元之间存在数据连接。

2.根据权利要求1所述的用于建筑机械的控制系统，其特征在于，在所述传感器内布置一个或多个次级传感器，特别是温度传感器和/或压力传感器。

3.根据权利要求1或2所述的用于建筑机械的控制系统，其特征在于，所述至少一个控制器包括相对于彼此冗余地和/或分散地布置的至少两个控制单元。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于建筑机械的控制系统，其特征在于，至少一个传感器和至少一个控制器之间的所述串行连接为总线系统，特别是CAN总线系统，利勃海尔系统总线或基于以太网的总线系统。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的用于建筑机械的控制系统，其特征在于，在至少一个传感器中提供用于对待传输的测量值加密并打包的装置，在控制器的至少一个控制单元中提供用于对测量值解密并解包的装置。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于建筑机械的控制系统，其特征在于，至少一个传感器检测如下测量参数中的一个：压力、角度、旋转、倾斜、长度、距离、声音、亮度、湿度、方向或填充水平。

7.一种操作方法，用于操作根据权利要求1至6中任一项所述的用于建筑机械的控制系统，其特征在于，所述方法包括：

a)通过至少一个传感器冗余地和/或分散地检测测量参量，

b)将至少一个传感器的测量值提交到测量协议的数据包中，并通过所述传感器为所述测量值提供安全和/或保护功能，

c)将所述数据包通过串行连接传输到控制器，以及

d)通过冗余地和/或分散地设计的控制器通过所述安全和/或保护功能来检查所述数据包或所述测量值来用于校正。

8.根据权利要求7所述的操作方法，其特征在于，存储针对传感器的每个信道的个体传感器描述，优选地通过控制器周期性地扫描所述传感器描述，其中，特别地，通过算法从所述传感器描述中计算个体密钥。

9.根据权利要求7或8所述的操作方法，其特征在于，至少一个传感器周期性地初始化针对每个传感器的状态查询，作为响应，每个传感器通过总线系统将其传感器状态描述传输到查询控制器。

10.根据权利要求7、8或9所述的操作方法，其特征在于，所述控制器通过测量协议请求至少一个传感器的所述测量值。

11.根据权利要求7至10中任意一项所述的操作方法，其特征在于，为了验证传输的数据包，特别是所述测量值和所述传感器状态描述，使用所述安全和/或保护功能，特别是所述个体密钥。

12.根据权利要求7至11中任意一项所述的操作方法，其特征在于，所述控制器的控制单元通过总线系统接收至少一个传感器的数据，并将所述数据的副本转发到所述控制器的所有其他控制单元。

13.根据权利要求12所述的操作方法，其特征在于，每个控制单元通过所述安全和/或保护功能来验证接收的传感器数据或数据副本。

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