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Die
Erfindung betrifft ein drahtloses Automatisierungssystem zur Steuerung
und Überwachung eines
technischen Prozesses oder einer technischen Anlage gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Automatisierungssysteme
umfassen üblicherweise
eine zentrale Steuereinheit (PLC), welche die von daran angeschlossenen
Feldgeräten übertragenen
Daten verarbeitet. Die nutzerdefinierten Applikationsdaten werden
mittels eines Engineering Werkzeuges, über die zentrale Steuerung
und daran angeschlossenen Ein-/Ausgangseinheiten zu den Feldgeräten, wie
intelligente Sensoren und Aktoren, übertragen. Weiterhin stellt
die zentrale Steuerung über die
angeschlossenen Ein-/Ausgangseinheiten Signale für die Steuerung der Aktoren
bereit.
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Zur
Kommunikation mit dem Prozess wird eine Vielzahl von Informationen,
die zur Steuerung und Führung
des technischen Prozesses notwendig sind, über den Feldbus an die zentrale
Steuereinheit zur Auswertung und Weiterverarbeitung übermittelt. Zu
den übermittelten
Informationen zählen
Steuersignale von der zentralen Steuerung, Diagnosedaten von den
Feldgeräten,
Applikationsdaten sowie Ein- und/oder Ausgabedaten. Die Übermittlung
der Vielzahl der Informationen führt
zu einer hohen Belastung der Übertragungswege.
Die gesamte Verarbeitungsleistung der Kommunikation innerhalb des
Automatisierungssystems des technischen Prozesses ist somit auf
eine einzige Stelle, die zentrale Steuereinheit, konzentriert.
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Bei
einem Ausfall der zentralen Steuerung oder des Feldbusses ist eine Übertragung
der Steuersignale, der Applikationsdaten und/oder der Diagnosedaten
zu und von den Feldgeräten
nicht mehr gewährleistet.
Auch die Antriebe des Automatisierungssystems können somit nicht mehr gesteuert werden.
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Die
Datenübertragung,
beispielsweise der nutzerdefinierten Applikationsdaten vom Engineering Werkzeug
zur zentralen Steuerung und weiter zu den Feldgeräten über den
Feldbus, bedingt eine erhöhte Systemwartezeit.
Jede geringfügige Änderung
in der Applikation muss über
die zentrale Steuerung und den Feldbus in die Feldgeräte übertragen
werden, was eine geringe Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der Datenübertragung
zur Folge hat.
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Ausgehend
von den beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Verarbeitung von nutzerdefinierten Applikationsdaten,
Steuersignalen und/oder Diagnosedaten, welche in der vom Engineering
Werkzeug oder der zentralen Steuerung voreingestellten Weise bereitgestellt
werden, auch bei einer Störung
oder einem Ausfall der zentralen Steuereinheit oder des Feldbusses
zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Automatisierungssystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Einrichtung
sind in weiteren Ansprüchen
und in der Beschreibung angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Automatisierungssystem
umfasst eine zentrale Steuerung, welche mit einer Basisstation verbunden
ist, wobei die Basisstation mit mehreren Slave-Modulen über eine
drahtlose Kommunikationsverbindung Daten austauscht.
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In
der Basisstation und/oder in den Slave-Modulen sind Funktionsblöcke zur
lokalen Verarbeitung von Applikationsdaten und/oder Steuersignale
und/oder Diagnosedaten und/oder Ein- und/oder Ausgabedaten des jeweiligen
Moduls oder der Basisstation integriert, die mittels eines Engineering
Werkzeuges über
eine drahtlose Verbindung parametrierbar und/oder programmierbar
sind.
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Das
Engineering Werkzeug kann weiterhin über den Feldbus, beispielsweise
mittels einer ETHERNET-Verbindung, mit dem Automatisierungssystem
verbunden sein.
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In
den Funktionsblöcken
sind nutzerdefinierte Applikationen abgelegt, die in vorteilhafter
Weise dafür
vorgesehen sind, Fehler- und Störmeldungen der
Slave-Module und/oder
Applikationsdaten von einem Engineering Werkzeug und/oder Ein- und Ausgabedaten
des jeweiligen Moduls oder der Basisstation zu verarbeiten.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung erfassen die Basisstation und/oder
die Slave-Module
Fehler- und/oder Störmeldungen
des jeweils nächst
höheren
Systemlevels, also der zentralen Steuerung oder der Basisstation,
verarbeiten die Fehler- und/oder Störmeldungen in den Funktionsblöcken und
führen
die in den Funktionsblöcken
abgelegten nutzerdefinierten Applikationen aus. Beispielsweise kann
ein Motorsteuergerät
den entsprechenden Motor abschalten, wenn die Kommunikationsverbindung unterbrochen
ist.
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Weiterhin
ist vorgesehen, die Funktionsblöcke
von einem Engineering Werkzeug drahtlos in die Basisstation und/oder
in die Slave-Module zu übertragen.
Dazu weisen die Basisstation, das Engineering Werkzeug und/oder
die Slave-Module eine Funkschnittstelle zur Kommunikation untereinander
auf.
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Das
Engineering Werkzeug wird auch zur Einstellung von Parametern in
den intelligenten Feldgeräten,
wie intelligenten Sensoren und Aktoren über eine drahtlose Verbindung
zwischen dem Engineering Werkzeug und den drahtlosen Slave-Modulen oder über die
Basisstation über
eine drahtlose Verbindung zu den Slave-Modulen genutzt.
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Dazu
wird die im Engineering Werkzeug integrierte Funkschnittstelle genutzt. Über die
Funkschnittstelle des Engineering Werkzeuges werden somit Applikationsdaten
und Parameterinformationen nicht nur in die Basisstation und/oder
in die zentrale Steuerung sondern auch in die Slave-Module drahtlos übertragen.
Das Engineering Werkzeug kann somit die Applikationsprogramme und
Parameterdaten in jedes Modul, das eine Funkschnittstelle aufweist, übertragen.
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Die
Ausführungsformen
der Engineering Werkzeuge können
sich für
die zentrale Steuerung, die Slave-Module und die an die Slave-Module
angeschlossenen Feldgeräte
unterscheiden. Dazu sind die Engineering Werkzeuge für die zentrale
Steuerung, die Basisstation, die Slave-Module und die Feldgeräte entsprechend
ihrer Funktion angepasst.
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Die
in den Slave-Modulen und/oder dem Engineering Werkzeug und/oder
der Basisstation vorgesehenen Funkschnittstellen sind in vorteilhafter
Weise zur drahtlosen Übertragung
der Fehler- und Störmeldungen
von den Slave-Modulen und/oder der Applikationsdaten vom Engineering
Werkzeug und/oder den Steuersignalen von der Basisstation ausgestaltet.
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Die
Slave-Module des erfindungsgemäßen Automatisierungssystems
sind vorzugsweise drahtlose lokale Sensor/Aktorverteiler, die über eine
drahtlose Funkverbindung mit intelligenten Feldgeräten kommunizieren.
Auch drahtlose Sensorverteiler zum Anschluss mehrerer Sensoren und/oder
Sensor-/Aktorverteiler zum Anschluss mehrerer Sensoren und Aktoren
und/oder Kommunikationsmodule für
Sensorköpfe,
Sensor/Aktorverteiler und/oder digitale Eingangsmodule und/oder
digitale Ausgangsmodule und/oder digitale Ein- und Ausgangsmodule und/oder
analoge Eingangsmodule und/oder analoge Ausgangsmodule und/oder
analoge Ein- und
Ausgangsmodule und/oder digitale/analoge Eingangsmodule und/oder
digitale/analoge Ausgangsmodule und/oder digitale/analoge Ein- und
Ausgangsmodule und/oder Motorschutz- und Steuergeräte und/oder Frequenzumrichter
und/oder Stellungsregler sind als Slave-Module vorgesehen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems
umfasst das Automatisierungssystem mehrere Basisstationen mit integrierten
Funktionsblöcken
zur lokalen Verarbeitung von Applikationsdaten, Steuersignalen und/oder
Diagnosedaten. Die Basisstationen kommunizieren über jeweils eigene Funkschnittestellen
mit den zugeordneten drahtlosen Slave-Modulen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung beruht darauf, dass die drahtfreien
Slave-Module mittels des integrierten Funktionsblockes die vom Prozess
bzw. Anlage und/oder von der Basisstation bereitgestellten Eingangs-
und Ausgangssignale, wie Steuersignale, Parameterwerte und/oder
Diagnosesignale unabhängig
von der zentralen Steuerung und dem Feldbus in Echtzeit verarbeiten
können.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Automatisierungssystems
ist vorgesehen, dass mittels des Engineering Werkzeuges Diagnosedaten
bezüglich
der drahtlosen Verbindung der drahtlosen Slave Module und/oder der
Basisstation darstellbar sind.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Engineering Werkzeug Diagnosedaten bezüglich der
Energieversorgung der drahtlosen Slave Module und/oder Diagnosedaten
bezüglich
der an die drahtlosen Slave Module angeschlossenen Geräte darstellt.
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Das
erfindungsgemäße Automatisierungssystem
ist insbesondere zur Steuerung und Überwachung von Industrierobotern,
Herstellungsautomaten, Fertigungsautomaten, bei Steuer/Regelsystemen,
Fernsteuersystemen, Schutz- und Sicherheitssystemen, Alarmsystemen
und Zustandsüberwachungs-Systemen
vorgesehen.
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Anhand
des in den 1 dargestellten Ausführungsbeispieles
sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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1 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Automatisierungssystems
mit einer zentralen Steuerung PLC, welche mit einer Basisstation 1 verbunden
ist, und wobei die Basisstation 1 mit mehreren Slave- Modulen 3, 6, 8 über eine
Kommunikationsverbindung, vorzugsweise drahtlos kommuniziert. Zur
drahtlosen Kommunikation weisen die Basisstation 1, ein
mit der zentralen Steuerung verbundenes Engineering Werkzeug und die
Slave-Module jeweils eine Funkschnittstelle auf.
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Die
Funkverbindung zum Austausch der Signale zwischen der Basisstation 1 und
den lokalen Sensor/Aktorverteilern 6 und dem Engineering
Werkzeug erfolgt über
eine jeweils in der Basisstation und in den lokalen Sensor/Aktorverteilern 6 und
dem Engineering Werkzeug integrierten Antenne und eine entsprechende
Sende- und Empfangseinheit.
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Das
erfindungsgemäße Automatisierungssystem
ist so ausgestaltet, dass die Signalverarbeitung lokal in der Basisstation 1 und
Slave-Modulen 3, 6, 8 ausführbar ist.
Zur Verarbeitung der von der Basisstation 1 vorzugsweise
drahtlos übertragenen
Daten, wie beispielsweise Steuersignalen, in die Slave-Module 3, 6, 8 und/oder
der von den Feldgeräten 9 über die
Slave Module 3, 6, 8 bereitgestellten
Daten, wie beispielsweise Diagnosedaten, zur Basisstation 1 sind
in der zentralen Steuerung PLC des Automatisierungssystems, in der
Basisstation 1 und/oder in den Slave-Modulen 3, 6, 8 Funktionsblöcke FB zur lokalen
Verarbeitung von Steuersignalen und/oder Diagnosedaten integriert.
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Auch
nutzerdefinierte Applikationen sind als Funktionsblock FB nicht
nur in der zentralen Steuerung PLC, sondern auch direkt in der Basisstation 1 und
den Slave-Modulen 3, 6, 8 ablegbar.
Die Funktionsblöcke
FB sind vorzugsweise von einem Engineering Werkzeug 5 drahtlos
in die Basisstation 1 und in die Slave-Module 3, 6, 8 übertragbar.
Zur drahtlosen Kommunikation mit der zentralen Steuerung PLC, der
Basisstation 1 und den lokalen Slave-Modulen 3, 6, 8 weist
das Engineering Werkzeug 5 ebenfalls eine Funkschnittstelle
auf.
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Die
Basisstation 1 ist in vorteilhafter Weise in der Lage Diagnosedaten
von den Slave-Modulen 3, 6, 8, Applikationsdaten
vom Engineering Werkzeug 5 und/oder Steuersignale von der
zentralen Steuerung PLC lokal mittels des integrierten Funktionsblockes FB
zu verarbeiten. Insbesondere werden Daten von lokalen Ein- /Ausgabegeräten 6,
den drahtfreien Slave-Modulen 3, wie den drahtfreie Sensor/Aktorverteilern,
intelligenten drahtfreien Motorsteuergeräten 8, drahtfreie
Sensorverteiler 3 und drahtfreie Kommunikationsmodule für Sensorköpfe 3 der
Basisstation 1 zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt.
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Somit
sind die drahtfreien Slave-Module 3, 6, 8 in
vorteilhafter Weise so ausgeführt,
dass sie mittels des integrierten Funktionsblockes FB die vom technischen
Prozess bzw. der technischen Anlage und/oder von der Basisstation 1 bereitgestellten
Eingangs- und Ausgangssignale, wie Steuersignale, Parameter, Diagnosesignale,
unabhängig
von der zentralen Steuerung PLC und dem Feldbus verarbeiten können.
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Die
drahtfreien Slave-Module 3, 6, 8 sind
vorzugsweise drahtlose lokale Sensor/Aktorverteiler, die über eine
drahtlose als Funkverbindung ausgeführte Ein-/Ausgabeverbindung mit den intelligenten
Feldgeräten 9 verbunden
sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Automatisierungssystems
ist vorgesehen, dass die Basisstation 1 und die Slave-Module 3, 6, 8 Fehler
des jeweils nächst
höheren
Systemlevels erfassen und in diesem Fall eine spezielle Applikation
abarbeiten, beispielsweise eine Art Notprogramm, welches die jeweils
untergeordnete Ebene nach einem Ausfall der übergeordneten Ebene abarbeitet.
Somit ist die Basisstation 1 in der Lage, nicht nur die
vom Engineering Werkzeug 5 bereitgestellten Applikationsdaten
sondern auch Fehler und Störungen
der zentralen Steuerung PLC, des Feldbusses oder der Slave-Module 3, 6, 8 in
ihren Funktionsblöcken
FB zu verarbeiten. Dazu sind die Signale über die Funkschnittstellen
der Slave-Module 3, 6, 8 und des Engineering
Werkzeuges 5 drahtlos in die Basisstation 1 übertragbar.
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In
dem in 1 dargestelltem Automatisierungssystem ist die
Basisstation 1 über
ein Bussystem und eine Kommunikationsschnittstelle FBS an die zentrale
Steuerung PLC anschließbar.
In einer weiteren Ausführungsform
ist die Basisstation 1 direkt in der zentralen Steuerung
PLC integrierbar. An die Basisstation sind optional Sensoren und
Aktoren 7 und/oder Ein- und/oder Ausgabemodule direkt anschließbar.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Automatisierungssystems
beruht darauf, dass das Engineering Werkzeug 5, welches
drahtlos oder über eine
verdrahtete Verbindung mit der zentralen Steuerung PLC verbunden
ist, über
seine Funkschnittstelle die Applikationsdaten/Applikationsprogramme und/oder
Parameterdaten drahtlos in die Funktionsblöcke FB der Slave-Module 3, 6, 8 und/oder
in die Funktionsblöcke
FB der Basisstation 1 überträgt. Über die
Funkschnittstelle des Engineering Werkzeuges 5 sind somit
die Applikationsdaten/Applikationsprogramme und/oder Parameterdaten
nicht nur in die Basisstation 1 und die zentrale Steuerung
PLC sondern auch in die Slave-Module 3, 6, 8 drahtlos übertragbar.
Das Engineering Werkzeug 5 ist also in der Lage, Applikationsdaten/Applikationsprogramme und/oder
Parameterdaten in jedes Modul zu übertragen, welches eine entsprechende
Funkschnittstelle aufweist. Das Engineering Werkzeug 5 weist
dazu beispielsweise Device Type Manager Kommunikationskanäle (DTM-COM-Kanäle) auf,
die auch zum Abrufen von Informationen aus den drahtfreie Slave-Modulen 3, 6, 8 und
der Basisstation 1 nutzbar sind. Dazu ist im Engineering
Werkzeug 5 die Softwarekomponente Device Type Manager (DTM)
implementiert, welche zur Konfigurierung und Parametrierung der
intelligenten Feldgeräte 9 eingesetzt
wird.
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Das
Engineering Werkzeug 5 ist dazu in einer ersten Ausführung mit
der zentralen Steuerung PLC über
eine, beispielsweise als Field Device Tool (FDT) ausgeführten, Standardschnittstelle
verbunden oder in einer zweiten Ausführung kabellos über eine
Funkverbindung mit der Basisstation 1 verbunden.
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Die
als drahtlose lokale Sensor/Aktorverteiler ausgeführten Slave-Module 3, 6, 8 sind
vorzugsweise möglichst
in der Nähe
der intelligenten Feldgeräte 9 angeordnet
und übertragen
die Signale der mit dem jeweiligen Slave-Modul 3, 6, 8 verbundenen Sensoren
und/oder Aktoren zur Basisstation 1.
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Die
drahtlosen lokalen Sensor/Aktorverteiler 6 weisen einen
flexiblen Kommunikationsanschluss zur Verbindung mit den intelligenten
Feldgeräten 9 auf.
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Dieser
Kommunikationsanschluss ist auch zur Parametrierung der intelligenten
Feldgeräte 9 vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausführung
weist der jeweilige lokale drahtlose Sensor/Aktorverteiler 6 eine feldbusunabhängige Funkschnittstelle
auf. Die Funkschnittstelle ist dafür eingerichtet, wahlweise in
zwei Betriebsarten zu arbeiten; nämlich in einer als Mode 1 bezeichneten
ersten Betriebsart, bei der im Parallelbetrieb zwei digitale Signale über eine
Funkverbindung von den Sensoren/Aktoren 9 einlesbar und
ein digitales Signal über
die Funkverbindung an die Sensoren/Aktoren 9 ausgebbar
sind, und in einer als Mode 2 bezeichneten zweiten Betriebsart,
bei der im seriellen Betrieb Signale über die Funkverbindung ein-
und ausgebbar sind. Die Funkschnittstelle ist außerdem dafür eingerichtet, sich selbsttätig auf
die geeignete Betriebsart einzustellen, nachdem von einem drahtlosen
Aktor oder ein Sensor ein entsprechendes Signal ausgegeben wird,
also ein Aktor oder ein Sensor mit der Funkschnittstelle kommuniziert.
Die Funkschnittstelle sendet dazu nach dem Einschalten zunächst ein
serielles Testtelegramm in der Betriebsart Mode 2 an das angeschlossene
Gerät (Sensor/Aktor) und
erwartet ein Antworttelegramm. Wenn diese Antwort nicht eintrifft,
wechselt die feldbusunabhängige Funkschnittstelle
zur ersten Betriebsart Mode 1. Grundsätzlich ist es möglich, die
feldbusunabhängige
Funkschnittstelle dafür
einzurichten, abhängig von
der Antwort auf das gesendete Testtelegramm zwischen mehr als zwei
Betriebsarten zu unterscheiden.
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Auch
die Basisstation 1 nutzt den vorab beschriebenen flexiblen
Kommunikationsanschluss, beispielsweise zur Parametrierung der daran
angeschlossenen Aktoren und/oder Sensoren 7.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die lokalen Sensor/Aktorverteiler 6 eine
drahtlose Energieversorgung aufweisen, die beispielsweise mittels
einer elektromagnetischen Kopplung über ein induktives Magnetfeld
erfolgt.
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Das
erfindungsgemäße Automatisierungssystem
erlaubt in seiner vorab beschriebenen Ausführungsform auch bei einer fehlerhaften
Funktion oder einem Ausfall der zentralen Steuerung PLC eine Steuerung
des Systems mittels der Funkschnittstelle der Basisstation 1 und
der drahtlosen Slave-Module 3, 6, 8.
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Auch
ist eine Übertragung
der Applikationsdaten über
die Funkverbindungen der Basisstation 1 und/oder der Slave-Module 3, 6, 8 zu
den intelligenten Feldgeräten 9 gewährleistet,
was die Funktionssicherheit des gesamten Automatisierungssystems deutlich
erhöht.
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Desweiteren
wird eine Verringerung der Systemwartezeit und der Verarbeitungsgeschwindigkeit innerhalb
des Automatisierungssystems durch die Ausführung der Funktionen des Automatisierungssystems,
wie der Steuerung, der Diagnose und/oder Parametrierung, direkt
in der Basisstation 1 oder entsprechend in den Slave-Modulen 3, 6, 8 in
Echtzeit erreicht.
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Weiterhin
können
die Antriebe des Automatisierungssystems auch bei einer Störung oder
einem Ausfall des Feldbusses gesteuert und Diagnosemeldungen von
den Motorsteuergeräten 8 auf
der Basisstation 1 verarbeitet bzw. bereit gestellt werden.
Bedingt durch die drahtlose Datenübertragung reduziert sich Verdrahtungsaufwand
innerhalb des Automatisierungssystems deutlich, wodurch die Kosten
für die Installation
und Wartung des Automatisierungssystems verringert werden.
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Insbesondere
durch die drahtlose Übertragung
der Steuersignale sowie der Applikations- und Diagnosedaten entfällt auch
der kostenintensive und fehleranfällige Verdrahtungsaufwand zwischen
dem Automatisierungssystem und den Motorsteuergeräten 8.