用於匹配工業自動化部件的微處理器的時鐘頻率的方法，和相應的自動化部件的製作方法

2023-12-08 18:57:16

專利名稱：用於匹配工業自動化部件的微處理器的時鐘頻率的方法，和相應的自動化部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求I的前序部分所述的、用於匹配工業自動化部件的微處理器的時鐘頻率的方法，以及一種根據權利要求9的前序部分所述的自動化部件。
背景技術：
在工業自動化裝置中大多使多個自動化部件工作，這些自動化部件經常還被稱為可編程控制器(SPS)或者「CPU」等，其中其在此通常為微處理器控制的計算單元，其通過簡稱為10』 S的傳感器和執行器來控制生產過程或者其他的 自動化任務。在常用的自動化裝置中大多使用多個微處理器控制的自動化部件，使得這些自動化部件、即控制器的能量需求佔自動化裝置的整個能量需求的極大的部分。為了儘可能大地降低自動化裝置的電功率消耗，因此不僅考慮或者優化電動機、加熱器、照明裝置等，還應該儘可能大地降低控制器、即微處理器控制的自動化部件的能量需求。因此例如通常的是，在工作間歇或者在暫時未使用的設備部分的情況下關斷不需要的控制器和因此關斷自動化部件。在此，從個人計算機領域已知的「休止狀態」或者「待機模式」的狀態越來越多地用於自動化部件，也就是說，關斷微處理器並且僅為工作存儲器供給能量(待機模式)，或者，將工作存儲器內容暫時地保存在硬碟等等上，然後同樣地使微處理器和整個「主板」不工作(休止狀態)。然而由於可用性，這些方法遠未在全部的自動化裝置中使用。微處理器的功率消耗(能量需求)在第一近似情況中可以被假設為與時鐘頻率成比例，藉助所述時鐘頻率使得微處理器工作(系統時鐘)。因此在個人計算機中，尤其在電池或者蓄電池驅動的設備(例如可攜式計算機)中已知的是根據所需要的計算能力來選擇微處理器的時鐘頻率,其中在空閒狀態中降低時鐘頻率,而在複雜任務的處理中提高時鐘頻率，由此再次提高了功率消耗和損耗功率。在所描述的個人計算機中，該功能性由晶片製造商設置並且通過相應的作業系統來控制。然而缺點是，特別在從低時鐘頻率切換到更高時鐘頻率時會出現延遲，所述延遲儘管在個人計算機中通常被容忍，然而其在通常要求所謂的「實時操作」的工業自動化裝置中是不可容忍的。此外，作業系統以及尤其存儲器可編程的控制器和其他的自動化部件的應用程式通常構建為使得不出現空閒狀態。這基於下述理由，即在(儘可能快地)執行循環之後無延遲地開始下一個循環，使得沒有出現空閒狀態。甚至在延遲地開始下一循環的情況中，也不可能有意地或也不可能將時鐘頻率(系統時鐘)暫時地降低而不用忍受幹擾或者延遲。

發明內容
因此本發明的目的是，提出一種方法和一種自動化部件，由此在考慮到相應的所要求的功能性的情況下可以降低微處理器控制的自動化部件的能量消耗。在此，實現該目的的核心思想是確定自動化部件的利用率，然後確定必需的計算能力並且由此鑑於能量節約和鑑於必需的功能性來確定微處理器的時鐘頻率的最優值並將其應用到微處理器上。根據本發明，在此檢測所謂的主程序循環的運行時間(還稱作持續時間)作為用於存儲器可編程的控制器或者自動化部件的微處理器必需的計算能力和因此用於其必需的時鐘頻率的標尺，並且將該運行時間用作用於確定時鐘頻率的參數。主程序循環還通常稱作「主循環」、「後臺任務」或者在Simatic-控制器的環境中還稱作「0B1」(第一組織模塊)。在主程序循環中，通常執行用於控制應用並且因此控制工業自動化裝置的主要程序部分，使得藉助其運行時間或者重複頻率來確定控制器的基本調節循環，並且因此該運行時間表示為裝置的最慢反應時間的量度。通過較高優先級的運行級別來中斷主程序循環，在這些運行級別中模擬快速的調節任務、運動控制、工藝反應等等。因此，在較高優先級的運行級別中的較高的計算需求自動地延長主程序循環的運行時間(循環時間)。因此，主程序循環的運行時間是自動化部件的當前的整個運算需求的量度。在休止階段中，運算負荷自動地降低，因為取消了多個事件控制的計算，例如外圍設備警報、在運動控制中的運動性能的計算、中斷等等。當用戶的程序在機器的休止狀態中跳過全部 不需要功能時，用戶可以增強該效果。簡短地說，主程序循環的所要求的(最大的)運行時間(循環持續時間)是用於必需的計算能力的良好量度並且預先給定所使用的微處理器的必需的時鐘頻率。該目的尤其以根據權利要求I所述的方法來實現，其中提出一種用於匹配工業自動化部件的微處理器的時鐘頻率的方法。在此，根據需要的計算能力來選擇微處理器的時鐘頻率，其中在第一步驟中檢測執行在自動化部件上運行的控制程序的主程序循環現在所需要的持續時間，在第二步驟中，將該持續時間與預設的最大值相比較，並且在第三步驟中根據比較的結果得出新的時鐘頻率且將其用於微處理器。通過主程序循環的運行時間(執行時間)的這種周期的或者持久的監控還可以在對於計算能力的波動的需求中將微處理器的時鐘頻率始終選擇為使得所述時鐘頻率並不過高，但是另一方面還要足夠快速，以便確保在在所要求的最大時間內執行主程序循環。此外，該目的以一種用於控制工業自動化裝置的自動化部件來實現，所述工業自動化裝置裝備有具有可變的時鐘頻率的微處理器，其中自動化部件構建用於使用上述方法來設置微處理器的時鐘頻率。根據本發明的方法的有利的擴展方案在從屬權利要求中說明。在此描述的特徵和其優點還相應地適用於根據本發明的自動化部件。有利的是，將濾波過的用於持續時間的值使用於在第二步驟中的比較，所述值由多個所檢測的、主程序循環的之前的執行的持續時間形成。因此避免了時鐘頻率不期望的振蕩，尤其在運行時間的短時間的波動情況下的振蕩。在此，表明為尤其有利的是，除了例如通過平均值確定或者低通濾波對參數「運行時間」進行濾波之外，還藉助遲滯來進行時鐘頻率的匹配，其中僅當根據比較得出新的時鐘頻率時改變時鐘頻率，所述新的時鐘頻率位於目前有效的時鐘頻率的遲滯之外。當並不可以連續地，而是可以分級地設置時鐘頻率時，這是尤其有利的。因此可以對於時鐘頻率的每個轉換級確定轉換遲滯的值對(下轉換閾值，上轉換閾值)。尤其在時間重要的處理中可以有意義的是，對於時鐘頻率始終保證根據計算出的(必需的)時鐘頻率進行測量的下一個更高的轉換級，其中還可以有利地將「安全範圍」(例如為10%)加到所得出的必需的時鐘頻率。為了提高工作安全性，尤其在實時要求中，可以將轉換閾值的值不對稱地設置在時鐘頻率級的靜態值附近。在對用於主程序循環的運行時間的值進行濾波、例如低通濾波的情況中，有利的是，當在時鐘頻率或者時鐘頻率級的變化之後將濾波器算法的「初始值」確定為下述值，該值是根據新設置的、針對主程序循環未來的運行時間的時鐘頻率而被預期的；這尤其適用於在濾波器中的平均值確定。


下面藉助附圖闡明根據本發明的方法的一個實施例。該實施例同時用於闡明根據本發明的自動化部件。其中圖I示出用於匹配微處理器的時鐘頻率的方法的方塊電路圖，
圖2示出用於切換時鐘頻率或者時鐘頻率級的轉換特徵曲線的示意圖,和圖3示出在匹配微處理器的時鐘頻率中產生的遲滯的示意圖。
具體實施例方式下面假設，使用者知道主程序循環的運行時間最大應該是多長，以便還可以足夠快速地控制或者調節待控制的自動化裝置或者待控制/調節的過程。該持續時間在下面和在附圖中稱為過程持續時間PD。然而如果由此形成的運行時間LZ (循環時間)明顯位於最大值以下，則這是過程位於休止階段或者至少時鐘頻率相對於需要的計算能力被設置得過高的標誌。在這種情況下，只要運行時間LZ或處理持續時間ro尚保持在最大值以下，就可以降低微處理器CPU的時鐘頻率(系統時鐘，過程時鐘)。然而，隨著計算負荷上升，運行時間LZ又升聞，其中最遲在超過最大時間時必須再次提聞時鐘頻率。在圖I中示出方塊圖，下面將根據所述方塊圖闡明用於工業自動化部件的微處理器CPU的時鐘頻率T的設置。原則上，圖I的方塊圖示出數字調節器，所述調節器的輸入量在該簡化的圖中是運行在微處理器CPU上的程序的主程序循環的當前運行時間LZ，其中此外將(最大可允許的)過程持續時間ro預設為最大值，並且最後將可能的頻率級FST引入到計算中，其中這些頻率級FST通常由所使用的硬體來預設，也就是說，常見的主系統-電路板(主板)經常僅許可時鐘頻率的以分級方式進行的匹配。在下面，描述藉助模塊/功能模塊確定/匹配時鐘頻率的方法；然而實際上這些過程可以在單獨的功能模塊之內或者在以不同方式組織的軟體等等中來計算。這些計算以有利的方式由在自動化部件的作業系統中的函數來進行。特別的是，通過這樣的作業系統還進行主程序循環的運行時間的測量。因為主程序循環通常總是由作業系統來啟動，並且監控或者記錄主程序循環的結束，所以可以實現後面描述的方法，而不必改變自動化部件的應用程式。在用於轉換值確定的功能塊SWB中，從預設的(最大的)過程持續時間ro和從頻率級FST中得出邊界值I +、並且將其傳輸給用於確定轉換特性曲線SKL的模塊。在圖2中再次詳細地示出該轉換特徵曲線，其又稱作轉換遲滯。用於生成轉換特徵曲線SKL的模塊的另一輸入信號是藉助於濾波器裝置F濾波的「信號」，即運行時間LZ的濾波過的值。在此，用於濾波的模塊F執行平均值形成或者低通濾波。當然，還可以根據使用目的來考慮更複雜的濾波器算法。用於計算轉換特徵曲線SKL的模塊的輸出信號是用於提高或者降低時鐘頻率或時鐘率T的「升」、「降」指令，其中利用時鐘頻率的已經提及的可供使用的轉換級在時鐘頻率確定模塊TB中按照指令選擇時鐘頻率T的下一個更高級或者下一個更低級，其中然後將相應選擇的時鐘頻率T應用到微處理器CPU上。在圖2中詳細地示出在用於計算或者確定時鐘頻率T的模塊中所使用的轉換特徵曲線SKL。基於預設的過程持續時間PD或者由此計算出的最大運行時間I 大得出該轉換特徵曲線SKL並且該轉換特徵曲線在有利的擴展方案中隨著所使用的時鐘頻率級變化。在此，最大值在大多是情況中不是絕對的上限，超過所述最大值有可能對要控制的過程起到致命的影響。偶發的、小的超出根據需求特徵在大多數情況下是常見的並且經常可以容忍。在這些情況中，得出的最大值符合主程序-循環的例如可藉助濾波器F確定的平均運行時間LZ，所述平均運行時間可以在所謂的「最差情況」工作中出現，即例如在全負荷等的情況下。在需要時，尤其在控制時間重要的過程時，還可以使用位於由用戶給出的最大的過程持續時間H)以下的值作為最大值，例如在由用戶給出的邊界的90%。一旦運行時間LZ (如需可能作為濾波過的值)下降到邊界以下(在圖2 中是60ms)，則可以降低微處理器CPU的時鐘頻率(「降」)；相反的是，在過長的運行時間LZ的情況下給出轉換指令「升」。在此，的值取決於微處理器CPU的下一個更低的、可設置的時鐘頻率T，因此該值可以從轉換級到轉換級地來變化。在此將1 7>選擇為使得在在未改變計算需求情況下的時鐘降低之後得出位於I + (在此60ms)和(在此80ms)之間的新的運行時間(循環時間)LZ等。必要時還必須在更換時跳過多個時鐘頻率級或者相繼多次應用該方法。如果運行時間LZ位於最大值和最小值之間，則轉換特徵曲線保留在遲滯區域HB中。這表示，在該區域中沒有開始時鐘頻率T或者所使用的時鐘頻率級的變化。在圖3中針對時鐘頻率T示出了從根據圖2的、具有遲滯區域HB的轉換特徵曲線SKL中引起的調節器特性。根據轉換特徵曲線SKL，小於(或者等於)60ms的運行時間LZ引起較低的時鐘頻率T(NF)，而大於(或者等於)80ms的運行時間LZ引起較高的時鐘頻率T(HF);在圖2中示出的轉換遲滯因此直接導致時鐘頻率遲滯。通過適當設置的遲滯避免了時鐘頻率T的不期望的波動。因為由於用於運行時間LZ的濾波過的值的時鐘頻率的切換延遲地得到運行時間LZ的(濾波過的)新的、靜態的值，所以應該避免在切換後繼續藉助目前濾波過的運行時間值LZ進行計算。為了儘可能快速地「穩定」濾波過的值將在此採取上述提及的措施，其包含以根據新的時鐘頻率所預期的值來「預佔據」所述濾波過的值。特別在大的、複雜的自動化裝置中，在替選的實施形式中有意義的是，不預設最大的過程持續時間ro或者最大的運行時間的固定的值，而是通過其他部件動態地產生這些值並且例如藉助於數據電報(「Profi能量電報(Profi-Energy-Telegramm) 」)來傳輸這些值。由此，上級的設備管理部例如可以有目的地將自動化部件轉換到具有較低能量消耗或者具有較高功率的狀態中。
權利要求
1.用於匹配工業自動化部件的微處理器(CPU)的時鐘頻率(T)的方法，其中根據需要的計算能力來選擇所述微處理器(CPU)的所述時鐘頻率(T)， 其特徵在於， -在第一步驟中，檢測執行在所述自動化部件上運行的控制程序的主程序循環所需要的持續時間(LZ)， -在第二步驟中，將所述持續時間(LZ)與最大值(PD)相比較，並且 -在第三步驟中，根據比較的結果得出新的時鐘頻率(T)並且將其用於所述微處理器(CPU)。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，從用於所述主程序循環的多次運行的多個所檢測的持續時間(LZ)中形成用於比較的持續時間(LZ)。
3.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，為所述時鐘頻率(T)確定時鐘頻率級，其中在所述第三步驟中，將相對其的下一個更高的時鐘頻率級作為待使用的時鐘頻率(T)用於所述微處理器
4.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，根據遲滯進行所述時鐘頻率(T)的匹配，其中在根據所述比較得出的新的時鐘頻率⑴位於目前有效的時鐘頻率⑴的遲滯之外的情況下，改變所述時鐘頻率(T)。
5.根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所得出的用於所述新的時鐘頻率(T)的值在其應用之前被濾波。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，通過對所得出的時鐘頻率(T)進行濾波，所述持續時間(LZ)短暫和/或稍微超過所述最大值(PD)不影響所述新的待使用的時鐘頻率⑴。
7.根據上述權利要求之一所述的方法。其特徵在於，能夠通過用戶或者其他的控制裝置預設所述最大值(PD)。
8.根據權利要求2至7之一所述的方法，其特徵在於，在所述時鐘頻率(T)的匹配之後，將所述濾波器預先設置到所述持續時間(LZ)的平均值上，其中所述預先設置的值是對於就所述新設置的時鐘頻率(T)而言所預期的未來的持續時間(LZ)的估計值，其中藉助目前的持續時間(LZ)、目前的時鐘頻率(T)和所述新設置的時鐘頻率(T)來計算所述估計值。
9.用於工業自動化裝置的自動化部件，該自動化部件具有帶有可變的時鐘頻率(T)的微處理器(CPU)， 其特徵在於，將所述自動化部件構建用於設置所述微處理器(CPU)的所述時鐘頻率(T)，用於實施前述方法。
全文摘要
本發明涉及用於匹配在工業的自動化裝置中的微處理器(CPU)的時鐘頻率(T)的一種方法和一種自動化部件，其中根據需要的計算能力來選擇微處理器(CPU)的時鐘頻率(T)。在此，在第一步驟中，檢測執行在自動化部件上運行的控制程序的主程序循環所需要的持續時間(LZ)，在第二步驟中，將該持續時間(LZ)與最大值(PD)相比較並且在第三步驟中根據比較結果得出新的時鐘頻率(T)並將其應用於微處理器(CPU)。通過該方法和該自動化部件可能的是，動態地匹配微處理器(CPU)的時鐘頻率(LZ)，其中一方面始終提供所必需的計算能力，另一方面避免過高的時鐘頻率(T)，由此能夠實現相應地節約能源或者減小損耗功率。
文檔編號G06F1/08GK102681647SQ20121002180
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月31日 優先權日2011年1月31日
發明者京特·諾伊曼 申請人:西門子公司