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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum Betrieb eines Übertragungssystems für einen IO-Link nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Automatisierungstechnik haben sich zahlreiche genormte Feldbussysteme als Alternative zur parallelen Einzelverkabelung bewährt. Dabei werden an eine zentrale Steuereinrichtung eine Mehrzahl von sog. Feldbusmodulen über den Feldbus angeschlossen. An die Feldbusmodule werden wiederum Endgeräte angeschlossen.
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Zur Verbindung der Endgeräte an die Feldbusmodule werden in jüngerer Zeit sog. „IO-Link“-Verbindungen verwendet. Ein solcher IO-Link sowie ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum Betrieb eines solchen IO-Links gehen aus der
DE 10 2012 009 494 A1 hervor. Wie dort beschrieben, übernehmen die Feldbusmodule die Rolle eines IO-Link-Masters. Als Endgeräte (im Folgenden „IO-Link-Geräte“) kommen beispielsweise Sensoren, Aktoren, Anzeigegeräte, Bediengeräte, bis hin zu kleineren Antrieben an Maschinen, in Betracht.
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Bei vielen Montageanlagen überschreitet der Platzbedarf für eine Verkabelung und für Schaltkästen für die Elektroinstallation nicht selten den verfügbaren Bauraum der Handhabungsmechanik. Fast immer übersteigen die Kosten für die Arbeitszeit und den Materialaufwand der Installation der Hardware zur Signalübertragung an die Maschine die Beschaffungskosten der angeschlossenen binären Sensoren und Aktoren.
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Um diesem Problem zu begegnen, hat ein Konsortium betroffener Hersteller einen Standard für eine intelligente Sensor-/Aktorschnittstelle mit der genannten Bezeichnung "IO-Link" spezifiziert, der als internationaler offener Standard in der Norm IEC 61131-9 genormt werden soll. Genannte IO-Link-Geräte werden danach über Beschreibungsdateien IODD, IO-Link Device Description, beschrieben. Die IODD als Beschreibungssprache soll zudem in der Norm ISO 15745 als offener Standard genormt werden.
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Ein solcher IO-Link stellt eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung für die Signalübertragung zwischen Sensoren und Aktoren und der IO-Ebene der Maschine zur Verfügung. Grundsätzlich überträgt ein IO-Link Daten zwischen einem genannten IO-Link-Master und einem angeschlossenen IO-Link-Gerät (Device) als Slave. Als IO-Link-Master stehen sowohl Feldbusmodule als auch SPS-Schnittstellenbaugruppen zur Verfügung.
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Ein solcher IO-Link ist zudem abwärtskompatibel zu binären Standardsensoren und verwendet durchgängig ungeschirmte drei- oder fünfadrige Standardleitungen. Während die Feldbusebene für die Verknüpfung einzelner Maschinen oder deren Bestandteile mit der Steuerung der Anlage verantwortlich ist, ist der IO-Link der Maschinen- oder der Sensor-Aktor-Ebene zuzuordnen. Zur Feldbusebene zählen die meisten der standardisierten Feldbusse, wie sie im Maschinen- und Anlagenbau durchgängig zum Einsatz kommen.
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Gebräuchliche Feldbusse sind beispielsweise PROFIBUS-DP, Interbus, DeviceNet, CC-Link und CANopen. Darüber hinaus werden neuerdings auch auf Ethernet basierende Felsbusstandards wie PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT sowie Ethernet POWERLINK eingesetzt. Feldbusse sind besonders vorteilhaft bei der Überbrückung großer Entfernungen zwischen einzelnen Teilnehmern, die von mehreren 100 Metern bis zu teilweise über 10 km betragen können. Problematisch und nachteilig ist es jedoch, dass diese leistungsfähigen Bussysteme auf der Sensor-/Aktorebene praktisch wirtschaftlich nicht einsetzbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen genannten IO-Link für ein berührungsloses Übertragungssystem bereitzustellen, welches wenigstens einen kabellosen Übergang zwischen einem IO-Link-Master und wenigstens einem IO-Link-Gerät aufweist. Ein solcher kabelloser Übergang kann mittels induktiver Kopplung, z.B. durch einen an sich bekannten „Balluff Inductive Coupler“ (BIC), erfolgen, jedoch kommt es vorliegend auf die Art der Kopplung nicht an, so dass auch eine kapazitive Kopplung oder eine optische Übertragung oder eine Funkübertragung möglich ist.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass innerhalb eines IO-Link-Kommunikationszyklus’ mehrmals, bevorzugt viermal, ein Übergang zwischen den Übertragungsmedien, d.h. der kabelgebundenen und der kontaktlosen Kommunikation, stattfindet. Bei jedem genannten Medienübergang verzögert sich das jeweils zu übertragende Signal.
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Darüber hinaus findet die Kommunikation eines hier betroffenen Übertragungssystems in Einheiten von Datenbits oder Datenbytes statt, was zur Folge hat, dass die Verzögerung bei jedem Medienübergang wenigstens eine oder mehrere Bit- bzw. Bytelängen beträgt.
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Eine solche Verzögerung ist bei einer IO-Link-Kommunikation nicht zulässig, da hierdurch die Pause zwischen jeweils zwei Übertragungszyklen zu sehr verkürzt wird, oder sich im ungünstigsten Fall die Übertragungszyklen sogar überschneiden, was zum Abbruch der Kommunikation führen kann. Um dies zu verhindern, schlägt die Erfindung vor, eine vom IO-Link-Gerät an den IO-Link-Master übertragene minimale Zykluszeit (sog. „MinCycleTime“) in der Weise zu manipulieren, dass die zeitliche Verzögerung des BIC-Systems zur MinCycleTime hinzuaddiert wird.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Kommunikation zwischen dem IO-Link-Master und einem IO-Link-Gerät (Slave) überwacht wird und eine Anfrage des Masters bezüglich der MinCycleTime erkannt wird, und dass die zugehörige Antwort des IO-Link-Gerätes ausgeblendet bzw. nicht an den IO-Link-Master zurückübertragen, also abgefangen wird. Anstelle des IO-Link-Gerätes wird die MinCycleTime-Anfrage vom IO-Link-Master oder einem BIC-Koppler in der Weise beantwortet, dass die von dem IO-Link-Gerät erhaltene MinCycleTime zuzüglich der durch das BIC verursachten Verzögerung an den IO-Link-Master übertragen wird, wodurch die genannte Verkürzung der Pause zwischen den Übertragungszyklen wirksam verhindert wird.
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Da zusätzlich zu den genannten Eingriffen erfindungsgemäß keine weiteren Eingriffe in die IO-Link-Kommunikation erfolgen, ist die Kommunikation aus der Sicht eines IO-Link-Gerätes mit der IO-Link-Spezifikation konform, so dass alle IO-Link-Geräte, insbesondere Hersteller-unabhängig, an einem hier betroffenen BIC-Koppler transparent betrieben werden können.
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Werden die genannte Überwachung der Übertragung der MinCycleTime sowie die genannten, entsprechenden Eingriffe in das Übertragungsprotokoll von einem genannten BIC-Koppler selbst durchgeführt, hat dies den Vorteil, dass dem BIC-Koppler als Verursacher der genannten Verzögerung auch die Höhe der Verzögerung bekannt ist bzw. dieser diese leicht bestimmen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine transparente Datenübertragung bzw. Kommunikation, welche aus Sicht eines IO-Link-Gerätes eine uneingeschränkte IO-Link-Kommunikation ermöglicht. Diese Transparenz wird insbesondere durch die genannte erfindungsgemäße Anpassung eines IO-Link-Parameters erreicht, wodurch sichergestellt ist, dass die genannten Einflüsse der kontaktlosen Übertragung auf das Zeitverhalten des IO-Links kompensiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner eine bidirektionale Kommunikation in einem hier betroffenen berührungslosen Übertragungssystem, wodurch neben der Übertragung von Sensorsignalen auch eine eingangs genannte Aktorik angesteuert werden kann.
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Der erfindungsgemäße Verfahren und die Steuereinrichtung eignen sich insbesondere zum Betrieb eines genannten IO-Links, da aus der Sicht des IO-Link Gerätes vollständige Konformität mit dem eingangs genannten IO-Link-Standard erzielt werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 zeigt ein hier betroffenes IO-Link-Übertragungssystem mit einem kontaktlosen Übergang.
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2 zeigt ein Zeitdiagramm einer in einem in 1 gezeigten Übertragungssystem erfolgenden stufenweise transparenten Kommunikation.
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3a, b zeigen eine typische Telegrammstruktur einer in einem keinen kontaktlosen Übergang aufweisenden IO-Link-Übertragungssystem erfolgenden IO-Link-Kommunikation.
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4a, b illustrieren einen der Erfindung zugrundeliegenden Kollisionsfall bei einer Telegrammstruktur gemäß 3 in einem einen kontaktlosen Übergang aufweisenden IO-Link-Übertragungssystem.
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5 zeigt eine gegenüber der 4 erfindungsgemäß modifizierte Telegrammstruktur.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in 1 gezeigte Übertragungssystem umfasst einen IO-Link-Master 100 und ein mit dem IO-Link-Master 100 (im Folgenden „IOL-Master“) kommunizierendes IO-Link-Gerät 105 (im Folgenden „IOL-Gerät“). Der IO-Link umfasst insbesondere zwei kontaktlos miteinander kommunizierende BIC-Koppler 110, 115, welche über einen Luftübergang 112 in an sich bekannter Weise induktiv Daten austauschen. Dieser Datenaustausch erfolgt gemäß dem Pfeil 140 bidirektional.
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Der dem IOL-Master 100 zugeordnete erste Koppler 110 („Base“-Koppler) ist mit dem Master 100 über eine draht- bzw. kabelgebundene Leitung 120 verbunden. Der dem IOL-Gerät 105 zugeordnete zweite Koppler 115 („Remote“-Koppler) ist mit dem Gerät 105 ebenfalls über eine kabelgebundene Leitung 125 kommunikationstechnisch verbunden.
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In 2 ist eine in einem Übertragungssystem gemäß 1 typischerweise ablaufende Kommunikation anhand von über der Zeit (in horizontaler Richtung) dargestellten Datenblöcken, sogenannten „Telegrammen“, gezeigt.
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Ein Telegramm besteht in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus jeweils drei, sequentiell übertragenen Datenblöcken (sogenannte „Byte“). So sendet der IOL-Master 100 zunächst drei Blöcke 200, 205, 210, und zwar einen Startblock 200, um die Kommunikation mit dem Base-Koppler 110 zu initiieren. Darauf folgt ein oder ggf. mehrere Datenblöcke 205, welche die eigentlichen „Nutzdaten“ an das IOL-Gerät 105 enthalten. Die Kommunikation mit dem BIC-Koppler 110 wird mit einem der Fehlerüberwachung dienenden CRC-Schlussblock 210, vorliegend ein Byte 31, abgeschlossen. Abhängig vom IOL-Gerät variiert die Datenlänge bzw. die Anzahl dieser Datenblöcke. Nach dem IO-Link liegt die Datenlänge zwischen 1 und 66 Byte.
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Parallel, um einen Datenblock zeitlich versetzt, findet die berührungslose Übertragung der drei Datenblöcke 200–210 zwischen dem ersten BIC-Koppler 110 und dem zweiten BIC-Koppler 115 statt. Dieser drahtlose Übertragungsschritt führt zu einer ersten Verzögerung 230 in Höhe von etwa 290 µs. Ebenfalls parallel, um einen weiteren Datenblock zeitlich versetzt, werden die Datenblöcke 200–210 von dem zweiten BIC-Koppler 115 kabelgebunden an das IOL-Gerät 105 übertragen, was eine zweite Verzögerung 235 von etwa 160 µs bedingt. Die genannten Verzögerungszeiten sind nur beispielhaft, allerdings ist, wie das Zahlenbeispiel andeutet, die Verzögerung bei einer drahtlosen bzw. kontaktlosen Übertragung meist höher als bei einer draht- bzw. kabelgebundenen Übertragung.
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Nach einer relativ kurzen, dritten Verzögerung 238, welche durch die Reaktionszeit des IOL-Gerätes 105 selbst hervorgerufen wird, sendet das IOL-Gerät 105 seine Antwort, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wiederum einem aus drei Datenblöcken 215, 220, 225 gebildeten Telegramm entspricht. Der Startblock 215 initiiert zunächst eine draht- bzw. kabelgebundene Kommunikation 125 mit dem zweiten BIC-Koppler 115, wobei sich eine vierte Verzögerung 240 in Höhe von etwa 160 µs ergibt. Der mittlere Block 220 entspricht wiederum (stellvertretend) einem oder mehreren Datenblöcken für die eigentlichen Nutzdaten und der Abschlussblock 225 wiederum einem genannten Byte 31.
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Bei der nachfolgenden drahtlosen bzw. kontaktlosen Übertragung zwischen dem zweiten BIC-Koppler 115 und dem ersten BIC-Koppler 110 ergibt sich eine fünfte Verzögerung 245, und zwar wiederum in Höhe von 290 µs.
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Wie aus 2 zu ersehen, ergibt sich in dem gesamten Kommunikationszyklus demnach insgesamt eine Verzögerung 230–245 von etwa 900 µs.
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Eine in einem IO-Link-Übertragungssystem ohne berührungslosen Übergang, d.h. ohne genannte BIC-Koppler 110, 115, bekanntermaßen verwendete Telegrammstruktur zeigt 3a. In der 3, und den folgenden 4 und 5, werden von einem IOL-Master generierte bzw. kommunizierte Datenblöcke mit dem Buchstaben „M“ bezeichnet und von einem IOL-Gerät generierte bzw. kommunizierte Datenblöcke mit dem Buchstaben „D“ (für Device).
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sendet der IOL-Master eine vorliegend aus drei Datenblöcken gebildeten Anfrage 300 an das IOL-Gerät, woraufhin das IOL-Gerät die Anfrage 300 mit einem aus zwei Datenblöcken gebildeten Antworttelegramm 305 beantwortet. Diese Kommunikation entspricht einem Halb-Duplex-Betrieb, denn die Datenblöcke werden nicht synchron ausgetauscht, sondern im Wechselbetrieb und somit nicht gleichzeitig übertragen.
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Zwischen der Anfrage 300 und der Antwort 305 findet, wie bereits in 2 gezeigt, eine kurze Verzögerung 303 mit einer Bit-Länge von vorliegend 1–10 TBit statt, wobei 1 TBit der Länge eines Bits entspricht. Die Bitlängen des Anfrage-Telegramms 300 und des Antwort-Telegramms 305 betragen in dem Ausführungsbeispiel jeweils 1 bis 66 Byte. Die minimale Zykluszeit („MinCycleTime“) für den Kommunikationszyklus 300, 303, 305 entspricht der Länge des Pfeils 320. Erst danach kann der IOL-Master erneut ein Anfrage-Telegramm 310 absetzen, welches dann entsprechend vom IOL-Gerät beantwortet wird 315.
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Die MinCycleTime ist als Parameter im IOL-Gerät hinterlegt und wird vom IOL-Master ausgelesen. In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Wert der MinCycleTime vom Hersteller des IOL-Geräts hinterlegt, welcher in etwa der Dauer der Datenübertragung entspricht. Die zeitliche Lücke zwischen einer Antwort des IOL-Geräts und einer erneuten Anfrage des IOL-Masters verringert sich infolgedessen. Dies ergibt im Ergebnis eine MinCycleTime der Länge entsprechend dem eingezeichneten Pfeil 345. Direkt danach kann der IOL-Master (M) wiederum eine weitere Anfrage 335 absetzen, welche dann vom Gerät (D) in der bereits beschriebenen Weise beantwortet wird 340.
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In den 4a und 4b ist gezeigt, wie es bei einem IO-Link-Übertragungssystem mit einem kontaktlosen Übergang, d.h. einem System mit genannten BIC-Kopplern 110, 115, zu einer eingangs genannten zeitlichen Kollision bzw. Überlappung einer Anfrage seitens des IOL-Masters und einer entsprechenden Antwort des IOL-Gerätes kommen kann.
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In 4a ist wiederum eine Telegrammstruktur einer solchen IOL-Master-/IOL-Geräte-Kommunikation dargestellt, und zwar zunächst für ein übergangsloses Übertragungssystem ohne genannte Koppler 110, 115. Dabei sendet 400 der IOL-Master an das IOL-Gerät, welches nach einer kurzen Reaktions- bzw. Verzögerungszeit 403 von 1 bis 10 TBit antwortet 405. Nach Ablauf der MinCycleTime, welche mit der Telegrammanfrage 400 seitens des Masters begonnen hat, erfolgt eine weitere Telegrammanfrage 410 seitens des IOL-Masters, welche wiederum nach einer kurzen Reaktions- bzw. Verzögerungszeit 413 seitens des IOL-Gerätes von diesem durch das Antworttelegramm 415 beantwortet wird.
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Wie bereits beschrieben und in 4b illustriert, führt ein berührungsloser Übergang mit Kopplern 110, 115 zu einer nach der Masteranfrage 425 erfolgenden, zusätzlichen Verzögerung 430 von z.B. 900 µs. Wie durch den Pfeil 433 angedeutet, verschiebt sich daher die Versendung des Antwort-Telegramms 435 seitens des IOL-Gerätes. Aus dem Vergleich mit 4a erkennt man, dass es somit zu einer zeitlichen Überlappung, vorliegend des zweiten Datenblocks des Antwort-Telegramms, mit dem gemäß MinCycleTime bereits abgesetzten weiteren Telegrammanfrage 410 (bzw. 440) seitens des IOL-Masters kommt.
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Es gilt demnach der Grundsatz, dass es dann zu einer Nachrichten- bzw. Telegrammkollision kommt, wenn die Pause bzw. Unterbrechung zwischen einer Antwort des IOL-Gerätes und einer darauffolgenden Anfrage des IOL-Masters kürzer ist als die durch den kontaktlosen Übergang verursachte Verzögerung.
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5 zeigt eine gegenüber der 4 erfindungsgemäß abgewandelte bzw. modifizierte Telegrammstruktur 500, 505, 510, 515 mit einer gemäß dem Pfeil 520 gegenüber der 4b modifizierten MinCycleTime. Die zunächst in an sich bekannter Weise im IOL-Gerät hinterlegte und vom IOL-Master aus dem IOL-Gerät ausgelesene bzw. von dem IOL-Gerät kommunizierte MinCycleTime wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vom BIC-Koppler 115 abgefangen bzw. erkannt und durch Addition der durch den kontaktlosen Übergang bedingten Verzögerung, d.h. vorliegend den genannten 900 µs, manipuliert bzw. abgeändert. Dadurch ergibt sich die gegenüber 4a verlängerte Zeitdauer 520 der MinCycleTime. Durch diese Maßnahme wird eine beschriebene Kollision wirksam verhindert, wobei der erfindungsgemäß modifizierte Zeitablauf (Timing) insbesondere aus Sicht des IOL-Gerätes mit der Spezifikation des IO-Link konform ist.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand eines in 6 gezeigten Ablaufdiagramms beschrieben. Die gezeigte Routine ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in den Kopplern 110, 115 oder einem mit den Kopplern 110, 115 zusammenarbeitenden Steuergerät implementiert. Die Routine befindet sich gemäß Programmschleife 600, 605 zunächst in einem Ruhe-(Standby-)Modus und wird dadurch aktiviert, dass der IOL-Master über einen Kommunikationskanal mit einem genannten, kontaktlosen Übergang eine Anfrage an ein IOL-Gerät sendet. Nach der Aktivierung der Routine wird der Kommunikationskanal, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wiederum in einer Programm- bzw. Prüfschleife überwacht 610 und solange gewartet 615, bis auf dem Kommunikationskanal auf die Masteranfrage nach Ablauf der MinCycleTime eine Antwortnachricht des IOL-Gerätes erfasst wird. In diesem Fall wird die Antwortnachricht (bzw. das Antworttelegramm) an einer Weiterleitung an den IOL-Master gehindert 620 und aus der Nachricht der vom IOL-Gerät vorgeschlagene Wert der MinCycleTime extrahiert 625.
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Im nachfolgenden Schritt 630 wird ein Verzögerungswert für den kontaktlosen Übergang abgerufen, und zwar aus einem Datenspeicher 633, einer Tabelle oder dergleichen. Dieser Verzögerungswert wird dann auf den vom IOL-Gerät vorgeschlagenen MinCycleTime-(MCT-)Wert aufaddiert 635, um einen modifizierten Wert MCTmod zu erhalten. Dieser modifizierte MCT-Wert wird dann an den IOL-Master weitergeleitet 640, welcher den modifizierten MCT-Wert für die nachfolgende Zeitsteuerung der IO-Link-Kommunikation zwischen dem IOL-Master und dem betreffenden IOL-Gerät zugrunde legt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012009494 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm IEC 61131-9 [0005]
- Norm ISO 15745 [0005]
