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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik,
insbesondere zur Vernetzung von abgesetzten Sensoren, Aktoren und
einer zentralen Steuereinheit.
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Bei
der industriellen Herstellung von Produkten gibt es seit vielen
Jahren das Bestreben, die Prozessabläufe mehr und mehr
zu automatisieren. Dies führt zu einer zunehmenden Vernetzung
von Geräten und Komponenten, die an den Produktionsprozessen beteiligt
sind. Typischerweise sind dies Sensoren zum Detektieren von Anlagen-
oder Prozesszuständen, Aktoren, die eine Veränderung
der Anlagen- oder Prozesszustände bewirken, und Steuereinheiten
zum Erzeugen von Steuersignalen, mit denen die Aktoren in Abhängigkeit
von den Sensorsignalen angesteuert werden.
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Bei
kleinen Anlagen können die Sensoren und Aktoren direkt
an die Steuereinheit angeschlossen sein. Bei größeren
und weitläufigen Anlagen, die eine große Anzahl
von Sensoren und Aktoren benötigen, werden schon seit vielen
Jahren Kommunikationsnetzwerke verwendet, um die Sensoren, Aktoren und
Steuereinheiten miteinander zu vernetzen. Ein typisches Beispiel
für solche Kommunikationsnetzwerke sind die so genannten
Feldbusse. Dies sind Kommunikationsnetzwerke, die an die speziellen
Anforderungen für solche Anwendungen angepasst sind, insbesondere
im Hinblick auf die rauen Umgebungsbedingungen und den typischen
Kommunikationsbedarf zwischen Steuereinheiten und abgesetzten Sensoren
und Aktoren. Bekannte Feldbusse sind der so genannte Profibus, der
so genannte Interbus und der so genannte CAN-Bus. Typischerweise
verwenden diese Feldbusse elektrische und/oder optische Leitungen
zur Vernetzung der angeschlossenen Geräte.
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Es
gibt darüber hinaus seit einigen Jahren Bestrebungen, die
Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik auf
Basis des bekannten Ethernet-Standards zu realisieren, der sich
bei der Vernetzung von Personal Computern in Heim- und Büroanwendungen
durchgesetzt hat. In diesem Zusammenhang gibt es auch Bestrebungen,
die Verbindung zwischen den Geräten drahtlos zu realisieren,
was bei Heim- und Büronetzwerken mit Hilfe von WLAN schon
häufig der Fall ist. Beispielsweise bietet die Firma Phoenix
Contact GmbH & Co.
KG in ihrer Produktlinie Factory Line WLAN-Kommunikationsgeräte zur
drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik
an. Die Technologie von Heim- und Büronetzwerken ist allerdings
nicht ohne weiteres auf Anwendungen in industriellen Produktionsumgebungen übertragbar,
weil der Kommunikationsbedarf und die Umgebungsbedingungen unterschiedlich
sind. In Werkshallen gibt es typischerweise eine große
Anzahl metallischer Gegenstände und bewegter Objekte, die
die Ausbreitung von Funkwellen stark beeinflussen können.
Andererseits muss die Kommunikation zwischen den Steuereinheiten
und den Sensoren und Aktoren häufig in sehr engen, zyklisch
wiederkehrenden Zeitintervallen erfolgen, um einen kontinuierlichen
und störungsfreien Produktionsprozess zu ermöglichen.
Hinzu kommen erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit
der Kommunikationsverbindung, wenn sicherheitsrelevante Daten übertragen
werden sollen, von denen die Betriebssicherheit einer automatisierten Anlage
abhängt. Beispielsweise führen viele Produktionsanlagen
gefährliche Bewegungen aus, die sofort gestoppt werden
müssen, wenn sich eine Bedienperson der Anlage nähert.
In so einem Fall muss das Signal einer Lichtschranke, die die Person
detektiert, schnell an die zentrale Steuereinheit übertragen
werden, und der Abschaltbefehl muss den richtigen Antrieb der Anlage
innerhalb einer definierten und garantierten Zeitspanne erreichen.
Dabei kommt es im Gegensatz zu Heim- und Büronetzwerken
oft auf Bruchteile von Sekunden an.
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Angesichts
der schwierigen Übertragungsbedingungen in Werkshallen
besitzen die bekannten Geräte von Phoenix zwei Stabantennen,
die an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlicher Ausrichtung
(horizontal und vertikal) angeordnet sind. Es wird jeweils diejenige
Antenne verwendet, die bessere Empfangsbedingungen vorfindet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
der eingangs genannten Art anzugeben, die auf kostengünstige
Weise eine zuverlässige und stabile Kommunikation der vernetzten
Geräte unter den schwierigen Umgebungsbedingungen einer
Werkhalle ermöglichen.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art gelöst, mit einem Signalpfad
zum Übertragen eines hochfrequenten Signals, das eine Vielzahl
von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen besitzt, mit einer
ersten und einer zweiten Antenne, mit einem Antennenumschalter,
der den Signalpfad wahlweise mit der ersten oder mit der zweiten Antenne
verbindet, und mit einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist,
ein niederfrequentes Umschaltsignal für den Antennenschalter
aus den aufeinander folgenden Signalpaketen zu erzeugen.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein
Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, mit den Schritten:
- – Bereitstellen einer ersten und einer
zweiten Antenne,
- – Bereitstellen eines Antennenumschalters, der mit
der ersten und der zweiten Antenne verbunden ist,
- – Erzeugen eines hochfrequenten Signals, das eine Vielzahl
von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen besitzt,
- – Erzeugen eines niederfrequenten Umschaltsignals aus
den aufeinander folgenden Signalpaketen, und
- – Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Antenne,
indem der Antennenumschalter mit dem niederfrequenten Umschaltsignal
periodisch angesteuert wird.
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Die
neue Vorrichtung und das neue Verfahren verwenden zumindest zwei
Antennen, um die Signale drahtlos zu übertragen. Die zumindest
zwei Antennen kooperieren jedoch nicht miteinander im Sinne einer
Sendeantenne und einer Empfangsantenne. Vielmehr werden die beiden
Antennen alternativ zueinander oder zumindest in Ergänzung
zueinander verwendet, um entweder ein Sendesignal auszusenden oder
ein Empfangssignal zu empfangen. Vorzugsweise ist jeweils nur eine
der zumindest zwei Antennen im Betrieb, wobei mit Hilfe des Antennenumschalters
zwischen den beiden Antennen umgeschaltet wird. Prinzipiell ist
es denkbar, dass jedes vernetzte Gerät zumindest zwei solche
Antennen aufweist. In derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist allerdings vorgesehen, dass nur die Steuereinheiten zwei solche
Antennen besitzen und über jede dieser Antennen senden
und empfangen. Für die abgesetzten Sensoren und Aktoren
ist derzeit jeweils nur eine Antenne vorgesehen, die als Sende-
und Empfangsantenne fungiert.
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Bei
der neuen Vorrichtung und dem neuen Verfahren arbeiten die erste
und die zweite Antenne redundant zueinander. Vorzugsweise ist zu
jedem Zeitpunkt nur eine der zumindest zwei Antennen in Betrieb.
Da die zumindest zwei Antennen nicht an ein und demselben Ort angeordnet
sein können, senden und empfangen sie ihre Signale an unterschiedlichen Positionen.
Diese unterschiedlichen Positionen haben zur Folge, dass die Sende-
und Empfangsbedingungen für jede Antenne unterschiedlich
sein können. Aufgrund der zahlreichen Reflexionen eines Funksignals
in einer typischen Werkhalle mit vielen, zum Teil bewegten metallischen
Objekten können schon geringe räumliche Unterschiede
dafür sorgen, dass die eine Antenne gute Sende- und Empfangsbedingungen
hat, während die andere Antenne schlechte Sende- und Empfangsbedingungen
hat. Da die neue Vorrichtung und das neue Verfahren zumindest zwei
Antennen verwenden, die räumlich versetzt zueinander angeordnet
sind, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass zumindest
eine der Antennen gute Sende- und Empfangsbedingungen hat. Ein Umschalten
zwischen den Antennen erhöht somit die Verfügbarkeit
und Zuverlässigkeit der Funkverbindung.
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Die
neue Vorrichtung und das neue Verfahren sind jedoch nicht auf die
redundante Verwendung mehrerer Sende- bzw. Empfangsantennen an einem vernetzten
Gerät beschränkt. Hinzukommt, dass ein niederfrequentes
Umschaltsignal zum Umschalten zwischen den Antennen aus dem hochfrequenten
Signal erzeugt wird, das über die redundante Antennen gesendet
und/oder empfangen wird. Der Begriff „niederfrequent" ist
dabei nicht im Sinne eines absoluten Frequenzwertes zu verstehen,
sondern er bezieht sich darauf, dass das Umschaltsignal eine niedrigere Signalfrequenz
besitzt als das hochfrequente Funksignal, das über die
zumindest zwei Antennen gesendet und empfangen wird.
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Bei
der neuen Vorrichtung und dem neuen Verfahren wird das niederfrequente
Umschaltsignal aus den Signalpaketen erzeugt, die das hochfrequente
Sende- und Empfangssignal aufweist. Aufgrund des zyklischen Kommunikationsbedarfs
zwischen Steuereinheiten und Sensoren/Aktoren einer automatisierten
Anlage treten die Signalpakete regelmäßig innerhalb
definierter Zeitintervalle auf. Die neue Vorrichtung und das neue
Verfahren machen sich die regelmäßigen Signalpakete
zunutze, um daraus ein Umschaltsignal zu erzeugen, mit dem zwischen
den Antennen umgeschaltet wird. In bevorzugten Ausgestaltungen erfolgt
das Umschalten allein in Abhängigkeit von den aufeinander
folgenden Signalpaketen, d. h. die tatsächlichen Sende-
und Empfangsbedingungen am Ort jeder Antenne werden ignoriert.
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Die
neue Vorrichtung und das neue Verfahren lassen sich sehr kostengünstig
realisieren. Es ist insbesondere möglich, auf eine individuelle
Messung der Sende- und Empfangsbedingungen am Ort jeder Antenne
zu verzichten, weil in Abhängigkeit von den Signalpaketen
regelmäßig umgeschaltet wird. Durch das regelmäßige
und vorzugsweise periodische Umschalten werden die Sende- und Empfangsbedingungen
regelmäßig verändert. Infolge dessen
ermöglichen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren auf
sehr kostengünstige Weise eine erhöhte Verfügbarkeit
und Zuverlässigkeit bei der drahtlosen Vernetzung von Geräten,
die in Umgebungen mit schwierigen und variierenden Übertragungsverhältnissen
angeordnet sind.
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Die
oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Signalkoppler
mit zumindest drei Anschlüssen zum Aufteilen des hochfrequenten
Signals in Teilsignale verwendet, wobei ein erster Anschluss mit
dem Signalpfad verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss mit
der Steuerschaltung verbunden ist.
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In
dieser Ausgestaltung wird das hochfrequente Signal in zumindest
zwei Teilsignale aufgeteilt, wobei ein erstes Teilsignal über
den Signalpfad und den Antennenumschalter zu den Antennen geführt
ist, während ein zweites Teilsignal zu der Steuerschaltung
geführt ist. Die zumindest zwei Teilsignale sind in bevorzugten
Ausgestaltungen signalgleich, d. h. der Signalkoppler koppelt aus
dem hochfrequenten Signal lediglich ein Teilsignal für
die Steuerschaltung aus. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr
kostengünstige Realisierung, da die Steuerschaltung das
niederfrequente Umschaltsignal direkt aus dem hochfrequenten Antennensignal
erzeugen kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Signalkoppler dazu ausgebildet,
ein erstes Teilsignal mit einer höheren ersten Signalleistung
und ein zweites Teilsignal mit einer geringeren zweiten Signalleistung zu
erzeugen, wobei das zweite Teilsignal der Steuerschaltung zugeführt
ist.
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In
dieser Ausgestaltung teilt der Signalkoppler das hochfrequente Antennensignal
in zwei Teilsignale, die zwar hinsichtlich ihrer Signalform identisch sein
können, die sich jedoch in Bezug auf ihre Signalleistung
unterscheiden. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, um dem für
die Kommunikation verwendeten Funksignal möglichst wenig
Energie zu entziehen. Vorzugsweise ist das zweite Teilsignal wesentlich schwacher
als das erste Teilsignal. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
liegt die Koppeldämpfung zwischen dem hochfrequenten Signal
und dem zweiten Teilsignal zwischen etwa 10 dB und 20 dB.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Steuerschaltung einen Pulsgenerator,
der dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Pulsen in Abhängigkeit von
den Signalpaketen zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Pulsen das
Umschaltsignal repräsentieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird jeweils ein Puls pro Signalpaket erzeugt.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige
Realisierung des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung, da
das Umschaltsignal direkt mit der Folge der Signalpakete korreliert.
Diese Ausgestaltung führt zu einem sehr häufigen
Umschalten zwischen den Antennen, so dass die neue Vorrichtung auf
schlechte Sende- und Empfangsbedingungen an einer der Antennen sehr schnell
reagiert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Vielzahl der zeitlich
aufeinander folgenden Signalpakete Paare von aufeinander folgenden
Signalpaketen, wobei der Antennenumschalter nach jedem Paar umgeschaltet
wird.
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Diese
Ausgestaltung ist von Vorteil, weil hier nach jedem Paar von Signalpaketen
auf eine andere Antenne umgeschaltet wird. Es besteht somit eine
erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass zumindest jedes zweite
Paar von Signalpaketen bessere Sende- und Empfangsbedingungen vorfindet.
Infolge dessen kann man davon ausgehen, dass zumindest jedes zweite
Paar von Signalpaketen erfolgreich übertragen werden kann.
Die Ausgestaltung profitiert davon, dass ein Ausfall eines Signalpaketes
bei der Kommunikation in einer automatisierten Anlage in der Regel dazu
führt, dass das Signalpaket erneut gesendet wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhalten die Paare von Signalpaketen
jeweils ein Sendesignalpaket und ein Empfangssignalpaket.
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In
dieser Ausgestaltung repräsentiert jedes Paar von Signalpaketen
ein Kommunikationsereignis mit Anfrage und Antwort. Dies ist von
Vorteil, weil der Sender einer Nachricht sehr schnell eine Rückmeldung
erhält, anhand der er erkennen kann, ob die Sendenachricht
beim Empfänger angekommen ist. Wenn jedes Paar von Signalpaketen
jeweils ein Sendesignalpaket und ein Empfangssignalpaket beinhaltet,
hat dies in Kombination mit vorhergehenden Ausgestaltung zur Folge,
dass die aufeinander folgenden Kommunikationsereignisse über
verschiedene Antennen erfolgen. Diese Ausgestaltung führt
zu einem sehr einfache kostengünstigen Diversitysystem.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung einen Sender
zum Erzeugen eines hochfrequenten Sendesignals und einen Empfänger
zum Empfangen eines hochfrequenten Empfangssignals, wobei der Sender
und der Empfänger über den Signalkoppler mit dem
Signalpfad gekoppelt sind.
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In
dieser Ausgestaltung beinhaltet das hochfrequente Signal sowohl
ein Sendesignal als auch ein Empfangssignal. Beide Signale sind über
den Signalkoppler geführt, der ein Teilsignal für
die Steuerschaltung abzweigt. In dieser Ausgestaltung erhält
die Steuerschaltung eine maximale Anzahl an Signalpaketen. Infolge
dessen kann schneller zwischen den Antennen umgeschaltet werden
und die neue Vorrichtung und das neue Verfahren können
schneller auf schlechte Sende- und Empfangsbedingungen reagieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die Steuerschaltung eine Gleichspannungsschaltkreis auf,
der dazu ausgebildet ist, eine geregelte Gleichspannung aus dem
hochfrequenten Signal zu erzeugen. Die geregelte Gleichspannung
wird vorteilhaft als Betriebsspannung zum Umschalten des Antennenumschalters
und für andere elektronische Bauelemente der Vorrichtung
verwendet.
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In
dieser Ausgestaltung wird aus dem hochfrequenten Signal nicht nur
ein niederfrequentes Umschaltsignal für den Antennenschalter
erzeugt, sondern es wird außerdem eine geregelte Gleichspannung
erzeugt, die als Betriebsspannung für die Bauelemente der
Steuerschaltung zur Verfügung steht. Diese Ausgestaltung
besitzt den Vorteil, dass die Umschalteinheit unabhängig
von einer externen Stromversorgung betrieben werden kann. Bevorzugt wird
die Umschalteinheit im Bereich der ersten und zweiten Antenne angeordnet
und besonders bevorzugt sogar in die Antennen integriert. Durch
die räumliche Nähe genügt ein relativ
schwaches Umschaltsignal mit dem Vorteil, dass das Hochfrequenzsignal zum überwiegenden
Teil für den Sende- und/oder Empfangsvorgang zur Verfügung
steht. Darüber hinaus kann die Kombination aus erster und
zweiter Antenne und Steuerschaltung sehr flexibel eingesetzt werden.
Es genügt, ein Antennenkabel für die gemeinsame
Versorgung der Antennen und der Steuerschaltung anzuschließen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer automatisierten Anlage mit einer
Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 ein
Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der neuen Vorrichtung,
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3 und 4 Signalverläufe,
die an verschiedenen Stellen der Vorrichtung aus 2 gemessen
werden können.
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In 1 ist
eine Anlage, bei der die neue Vorrichtung und das neue Verfahren
zur Anwendung kommen, in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die
Anlage 10 besitzt eine Steuereinheit 12 und mehrere
abgesetzte E/A-(Eingabe/Ausgabe)-Einheiten 14, 16, 18.
An die E/A-Einheit 16 ist ein elektrischer Antrieb 20 angeschlossen.
Beispielsweise ist dies ein elektrischer Antrieb für einen
Roboter oder eine andere Maschine zur automatisierten Bearbeitung
von Werkstücken (hier nicht dargestellt). Der Antrieb 20 wird über
die E/A-Einheit 16 mit Strom versorgt und kann daher von
der E/A-Einheit 16 abgeschaltet werden. An die E/A-Einheiten 14 und 18 ist jeweils
eine Lichtschranke 22 angeschlossen. Mit den Lichtschranken 22 wird
der Roboter oder die elektrische Maschine gegen gefährliche
Eingriffe von außen gesichert. Die Lichtschranken 22 sind
typische Beispiele für Sensoren, deren Signalzustände von
der Steuereinheit 12 eingelesen werden, um in Abhängigkeit
davon Steuersignale zu erzeugen, mit denen der Antrieb 20 abgeschaltet
werden kann.
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Die
Steuereinheit 12 und die E/A-Einheiten 14, 16, 18 bilden
hier zusammen ein sicherheitsrelevantes Steuerungssystem im Sinne
der Normen EN 954-1, IEC 61508 und/oder EN
ISO 13849-1. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
sind die Steuereinheit 12 und die E/A-Einheiten 14, 16, 18 jeweils
fehlersicher im Sinne der Kategorie 3 und höher
der EN 954-1 ausgebildet. Um dies zu erreichen,
sind die sicherheitsrelevanten Teile der Steuereinheit 12 und der
E/A-Einheiten 14, 16, 18 redundant aufgebaut und
sie führen regelmäßige Funktionstests
durch, um ein Abschalten des Antriebs 20 auch bei Auftreten
eines Fehlers sicherzustellen. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen
beinhaltet die Steuereinheit 12 darüber hinaus
auch die Betriebssteuerung des Antriebs 20, d. h. die Steuerung
der normalen Arbeitsbewegungen des Roboters oder der Maschine. Grundsätzlich
könnte die Steuereinheit 12 auch eine reine Betriebssteuerung
sein und die sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen könnten
durch eine weitere Steuereinheit (hier nicht dargestellt) gesteuert
werden, die beispielsweise im Schaltschrank des Roboters oder der
Maschine installiert ist.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Steuereinheit 12 einen
Signal- und Datenverarbeitungsteil 24, der redundant aufgebaut
ist. Der Signal- und Datenverarbeitungsteil 24 besitzt zwei
Prozessoren 26a, 26b, die redundant zueinander
arbeiten und sich gegenseitig überwachen. Die Prozessoren 26a, 26b können
auf einen Speicher 28 zugreifen, in dem das Steuerprogramm
für die Anlage 10 abgespeichert ist.
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Die
Steuereinheit 12 besitzt ferner eine Kommunikationsschnittstelle 30,
die hier mit zwei Antennen 32, 34 verbunden ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die zwei
Antennen 32, 34 zu einer Diversityantenne integriert,
die in einer parallelen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel „Mikrowellenantenne
zur drahtlosen Vernetzung von abgesetzten Sensoren, Aktoren und
einer zentralen Steuereinheit" mit gleichem Zeitrang beschrieben
ist. Der Inhalt dieser parallelen Patentanmeldung ist hier durch
Bezugnahme aufgenommen. In anderen Ausführungsbeispielen
kann es sich um zwei separate Antennen handeln, etwa λ/2-Stabantennen.
Der Signal- und Datenverarbeitungsteil 24 kommuniziert über
die Kommunikationsschnittstelle 30 mit den abgesetzten
E/A-Einheiten 14, 16, 18, um die Signalzustände
der Sensoren 22 einzulesen und die Steuerbefehle für
den Antrieb 20 auszugeben.
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Jede
E/A-Einheit 14, 16, 18 besitzt eine Antenne 36 und
eine Kommunikationsschnittstelle 38. Die E/A-Einheiten 14, 16, 18 kommunizieren über
die Antenne 36 und die Kommunikationsschnittstelle 38 mit
der Steuereinheit 12, um die Sensorsignale zu übertragen
und die Steuerbefehle zu empfangen. Zu diesem Zweck senden und empfangen
die Kommunikationsschnittstellen 30, 38 hochfrequente
Funksignale 40, 42. In einem Ausführungsbeispiel
liegt die Frequenz der Funksignale 40, 42 bei etwa
2,4 Ghz. Jedes Funksignal besteht aus einer Vielzahl von zeitlich
aufeinander folgenden Signalpaketen (so genannte Bursts), zwischen
denen zeitliche Pausen liegen. Die hochfrequenten Signalpakete übertragen
so genannte Telegramme 46, in denen die Daten codiert sind,
die zwischen der Steuereinheit 12 und den E/A-Einheiten 14, 16, 18 ausgetauscht
werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kommuniziert die
Steuereinheit 12 der Reihe nach mit den einzelnen E/A-Einheiten 14, 16, 18,
die durch Adressen unterschieden werden, welche als Bestandteil
der Telegramme 46 gesendet werden. Jede angesprochene E/A-Einheit 14, 16, 18 antwortet
auf ein Sendetelegramm der Steuereinheit 12 mit einem entsprechenden
Antworttelegramm. Wie in 1 dargestellt ist, verwendet
die Steuereinheit 12 für diese Kommunikation wechselweise
jeweils eine der Antennen 32, 34, wobei der Wechsel
zwischen den Antennen 32, 34 in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel jeweils erfolgt, wenn die Steuereinheit 12 ein
Sendesignalpaket an eine E/A-Einheit 14, 16, 18 ausgesendet und
ein entsprechendes Empfangssignalpaket empfangen hat. Grundsätzlich
ist der Wechsel zwischen den Antennen 32, 34 (und
evtl. weiteren Antennen, die hier nicht dargestellt sind) auch nach
einem anderen Schema möglich.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Kommunikationsschnittstelle 30 der Steuereinheit 12.
Prinzipiell können auch die Kommunikationsschnittstellen 38 in
den E/A-Einheiten mit mehreren Antennen ausgerüstet sein.
In den derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen werden
in den E/A-Einheiten 14, 16, 18 allerdings
einfache Antennen und Kommunikationsschnittstellen 38 verwendet.
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Wie
in 2 dargestellt ist, weist die Kommunikationsschnittstelle 30 einen
Signalkoppler 50 auf, der über einen Signalpfad 52 und
einen Antennenumschalter 54 mit den beiden Antennen 32, 34 verbunden
ist. Der Antennenumschalter 54 ist dazu ausgebildet, den
Signalpfad 52 wahlweise mit der Antenne 32 oder
der Antenne 34 zu verbinden.
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Der
Signalkoppler 50 besitzt hier vier Anschlüsse.
An einem ersten Anschluss 56 ist der Signalpfad 52 angeschlossen.
An einem zweiten Anschluss 58 ist eine Steuerschal tung 59 angeschlossen,
deren Funktion weiter unten erläutert ist. An einem weiteren
Anschluss 60 ist hier ein Sender 62 angeschlossen.
An einem vierten Anschluss 64 ist ein Empfänger 66 angeschlossen.
Der Signalkoppler 50 ist so ausgebildet, dass ein hochfrequentes
Sendesignal des Senders 62, das an dem Anschluss 60 eingespeist
wird, auf die Anschlüsse 56, 58 aufgeteilt wird,
wobei das erste Teilsignal an dem Anschluss 56 eine wesentlich
höhere Leistung aufweist als das zweite Teilsignal an dem
Anschluss 58. In einem Ausführungsbeispiel liegt
die Koppeldämpfung zwischen den Anschlüssen 60 und 58 zwischen
bei etwa 16 dB. Dagegen ist die Koppeldämpfung zwischen
den Anschlüssen 58 und 56 größer
als 20 dB und vorzugsweise sogar größer als 30
dB. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die
Koppeldämpfung zwischen den Anschlüssen 58 und 56 bei
etwa 35 dB. Durch diese hohe Koppeldämpfung wird erreicht,
dass Signalanteile, die in der Steuerschaltung 59 generiert
werden, nicht über die Antennen 32, 34 abgestrahlt
werden.
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Beim
Empfangen eines Antworttelegramms wird das hochfrequente Empfangssignal über
den Signalpfad 52 übertragen und hier auf die
Anschlüsse 58 und 64 aufgeteilt. In einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Signalkoppler 50 lediglich
die Anschlüsse 56, 58, 60 verwenden
und die Aufteilung der Antennensignale zwischen dem Sender 62 und
dem Empfänger 66 erfolgt über einen weiteren,
hier nicht dargestellten Richtkoppler, der an den Anschluss 60 angeschlossen
ist.
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Die
Steuerschaltung 59 weist an ihrem Eingang einen Impedanzwandler 68 auf,
der vorzugsweise in Mikrostreifenleitertechnik realisiert ist. Der Impedanzwandler 68 dient
dazu, die Impedanz des Signalpfades 52 an die Impedanz
der nachfolgenden Gleichrichterschaltung 70 anzupassen.
Die Gleichrichterschaltung 70 beinhaltet hier eine Schottky-Diode
und eine so genannte Ladungspumpe (nicht dargestellt). Die Gleichrichterschaltung 70 ist
dazu ausgebildet, das hochfrequente Antennensignal auf dem Signalpfad 52 in
eine pulsierende Gleichspannung um zuwandeln, die in 3 bei
der Bezugsziffer 72 dargestellt ist. Jeder Puls der pulsierenden
Gleichspannung 71 repräsentiert ein Signalpaket 44.
Wie man in 3 erkennen kann, folgen jeweils
zwei Signalpakete 44a, 44b relativ dicht aufeinander.
Nach jedem Paar von Signalpaketen 44a, 44b folgt
eine etwas längere Pause, an die sich das nächste
Paar von Signalpaketen 44a, 44b anschließt.
Die Signalpakete 44a sind Sendesignalpakete, die über
eine der Antennen 32, 34 ausgesendet werden. Die
Signalpakete 44b sind Empfangssignalpakete, die über
eine der Antennen 32, 34 empfangen werden.
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Nach
der Gleichrichterschaltung 70 teilt sich die Steuerschaltung 59 in
zwei Teile auf. Ein erster Zweig der Steuerschaltung 59 beinhaltet
einen Differenzierer 72, einen Komparator 74 und
ein Flipflop 76. Der Differenzierer 72 dient als
Flankendetektor. Er erzeugt ein Signal 73 mit einer Vielzahl
von Nadelpulsen, wobei jeder Nadelpuls einer steigenden Flanke der
pulsierenden Gleichspannung 71 entspricht. Der Komparator 74 dient
als Impulsformer, der aus den Nadelimpulsen des Signals 73 Rechteckimpulse formt,
mit denen das Flipflop 76 getriggert wird. Am Ausgang des
Flipflops 76 steht ein Antennenumschaltsignal (Q und nQ)
zur Verfügung, das in 3 bei der
Bezugsziffer 77 dargestellt ist. Das Flipflop 76 schaltet
den Antennenumschalter 54 wechselweise um, so dass wechselweise
die Antenne 32 und die Antenne 34 zum Senden und
Empfangen verwendet wird.
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Im
zweiten Signalzweig der Steuerschaltung 59 wird die pulsierende
Spannung 71 am Ausgang der Gleichrichterschaltung 70 über
eine Diode 78 auf einen so genannten Buffer-Limiter 80 geführt.
Der Buffer-Limiter 80 ist eine Schaltung zur Speicherung und
Begrenzung, mit deren Hilfe die pulsierende Gleichspannung geglättet
wird. Die geglättete Gleichspannung am Ausgang des Buffer-Limiters 80 ist
einem DC/DC-Wandler 82 zugeführt, der eine geregelte
Gleichspannung 83 erzeugt. Die geregelte Gleichspannung
ist in 4 bei der Bezugsziffer 83 dargestellt.
Die Kurve 81 darunter zeigt die pulsierende Gleichspannung
am Eingang des Buffer-Limiters 80. Am Ausgang des DC/DC-Wandlers 82 ist
ein Speicherkondensator 84 angeordnet, der die geregelte
Gleichspannung 83 zwischenspeichert. Die gespeicherte Gleichspannung 83 dient
als Betriebsspannung, mit der die elektronischen Bauelemente der
Steuerschaltung 59, insbesondere der Differenzierer 72,
der Komparator 74 und das Flipflop 76 versorgt
werden.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Antennenumschalter 54 mit
dem Ausgang Q und mit dem negierten Ausgang nQ des Flipflops 76 so
angesteuert, dass die Antennen 32, 34 die Sendesignale
der Steuereinheit 12 abwechselnd abstrahlen. Der Wechsel
von einer Antenne zur anderen erfolgt, nachdem das zugehörige
Empfangssignal der angesprochenen E/A-Einheit empfangen wurde. Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich, dass die Steuereinheit 12 ihre
Sendesignale solange über eine der beiden Antennen 30, 32 absendet,
bis ein Wechsel zu der anderen Antenne dadurch veranlasst wird,
dass ein entsprechendes Empfangssignal ausbleibt. In allen Ausführungsbeispielen
ist es bevorzugt, dass die Steuereinheit 12 ein Sendetelegramm wiederholt,
wenn ein entsprechendes Empfangstelegramm als Antwort ausbleibt.
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In
den bevorzugten Ausführungsbeispielen sendet die Steuereinheit 12 Sendesignale
in definierten, periodischen Zeitabständen. Dementsprechend kann
in den definierten Zeitabständen von einer Antenne zur
anderen umgeschaltet werden. Des Weiteren versorgen die periodisch
auftretenden Sendesignalpakete und Empfangssignalpakete die Steuerschaltung 59 mit
Energie, aus der die Betriebsspannung mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 82 erzeugt
wird. Der Speicherkondensator 84 sorgt dafür,
dass kurze Spannungseinbrüche überbrückt
werden können, falls sich das Aussenden und/oder Empfangen
von Signalen verzögert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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