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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master über eine Zwischeneinheit.
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IO-Link ist ein herstellerübergreifendes standardisiertes Kommunikationssystem zur Anbindung von intelligenten Sensoren und Aktoren an eine Steuerung. Dieses Kommunikationssystem ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) normiert.
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Dieser Standard definiert sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit der Steuerung in Datenaustausch treten.
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Ein IO-Link-System besteht aus einem IO-Link-Master, der über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem oder mehreren IO-Link-Devices (Geräten) verbunden ist. Der IO-Link-Master stellt die Schnittstelle zur überlagerten Steuerung (SPS) zur Verfügung und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Geräten.
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Ein IO-Link-Master kann einen oder mehrere IO-Link-Ports haben, an jedem Port kann aber nur ein IO-Link-Gerät angeschlossen werden. IO-Link verwendet Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und ist somit kein Feldbus im klassischen Sinne.
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Ein IO-Link-Gerät ist ein intelligenter Sensor oder Aktor. Intelligent heißt im Hinblick auf IO-Link, dass ein Gerät z. B. eine Seriennummer oder Parameterdaten (z. B. Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien) besitzt, die über das IO-Link-Protokoll lesbar bzw. schreibbar sind. Das Ändern von Parametern kann damit z. T. im laufenden Betrieb durch die SPS erfolgen.
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Die Konfigurations-Parameter der Sensoren und Aktoren sind gerätespezifisch, daher gibt es für jedes Gerät Parameterinformationen in Form einer IODD (IO Device Description).
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Mit Hilfe von IO-Link können Sensoren automatisch parametriert, Anlagenzustände diagnostiziert und Messwerte verlustfrei übertragen werden.
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IO-Link erlaubt gemäß Spezifikation eine Kabellänge zwischen Master und Device von max. 20 m.
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Soll eine Kommunikation über eine längere Strecke erfolgen oder ist eine galvanische Trennung zwischen Master und Device erforderlich sein werden häufig induktive Koppler eingestzt. Solche Koppler auch als NIC-Koppler bezeichnet, werden von verschiedenen Herstellen angeboten.
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Problematisch bei der Verwendung von Kopplern ist die Anforderung der Latenzzeit, die gemäß IO-Link Spezifikation einzuhalten ist. Bei IO-Link ist die Latenzzeit zwischen Request und Response auf maximal 10 tBit (bei 38.4 kBaud sind dies nur 260µs) begrenzt.
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Die Spezifikation erlaubt keine Verzögerung, welche über dieses Zeitlimit hinausgeht.
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Die Zeiterzögerung, die z. B. bei einer Signalübertragung an einem Koppler ensteht, übersteigt die Latenzzeit bei weitem, typischerweise ca. 800 µs Latenzzeit. Die Datenübertragung über einen Koppler ist somit nicht mehr konform mit der Spezifikation.
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Trotzdem werden diese Koppler eingesetzt.
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Dies kann zum Ausfall von ganzen Protokollblöcken führen, da hierbei die Verwendung der systemimmanenten Fehlerwiederholungen als Latenzpuffer verwendet wird.
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Ein weiterer Nachteil ist auch mindestens eine Halbierung der effektiven Kommunikationsgeschwindigkeit.
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Die Konfiguration des Devices bzw. die Darstellung der Prozesswerte ist außerdem immer nur mit Hilfe des Masters möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, das diese Nachteile nicht aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master über eine Zwischeneinheit und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, in der Zwischeneinheit einen Sekundär-Master und ein generisches Device vorzusehen, wobei das generische Device bei der Systeminitialisierung wie das eigentliche IO-Link Device konfiguriert wird. Insbesondere antwortet das generische Device erst auf Anfragen des Masters, wenn die entsprechende Information/Informationen vom Device vorliegen. Solange dies nicht der Fall ist, stellt sich das generische Device für Anfragen des Masters quasi„taub“.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematische Darstellung einer Kommunikationsverbindung IO-Link Master-Device mit einer dazwischengeschalteten erfindungsgemäßen Zwischeneinheit
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1a Funktionsansicht gemäß 1
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2 Blockdiagramm eines IO-Link Device Schnittstelle
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3 Blockdiagramm eines Dual Port IO-Link Master
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4 schematische Darstellung des Objekt-Transfers zwische IO-Link Master und IO-Link Device
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5 schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Zwischeneinheit die mit einer Erweitungseinheit verbunden ist.
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6 Tabelle mit verschiedenen IO-Link-Spezifikationen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zwischeneinheit Z, die in eine Kommunikationsverbindung zwischen einem IO-Link Master und einem IO-Link Device, das als Sensor ausgebildet ist, zwischengeschaltet ist. Dabei sind das IO-Link Device, die Zwischeneinheit und der IO-Link Master über je ein 3-Leiterkabel, das eine Signalleitung C/Q und zwei Versorgungsleitungen L+, L– aufweist, miteinander verbunden. Die Datenübertragung erfolgt nach dem Master/Slave-Prinzip erfolgt und ist in dem IO-Link-Standard definiert. Die Komponenten weisen jeweils einen Mikrocontroller mit einer UART-Schnittstelle C/Q auf. Typischerweise sind die UART-Schnittstellen in die Mikrocontroller integriert.
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Die gestrichelte Linie in der Zwischeneinheit Z trennt den Sekundär Master M´ links von dem generischen Device rechts.
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1a zeigt eine funktionale Ansicht zur Darstellung gemäß 1. Die Zwischeneinheit Z weist ein generisches Device D´und einen Sekundär-Master M´ auf. Die Zwischeneinheit Z ist in die Kommunikationsleitung einfach zwischengeschaltet.
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen IO-Link Device Schnittstelle mit den externen Anschlüssen L+, L– und C/Q.
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3 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen IO-Link Masters mit zwei externen Anschlüssen L + 1, L – 1 und CQ1 sowie den Anschlüssen L + 2, L – 2 und CQ2 für jeweils ein IO-Link Device.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Objekt-Transfers zwische IO-Link Master und IO-Link Device. Die Prozessdaten-Objekte werden über einen zyklischen Kommunikations-Kanal zwischen IO-Link Master und dem IO-Link Geröät ausgetauscht, die Event Objekte und die Konfigurations-Parameter Objekte über einen azyklischen Kommunikations-Kanal.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Zwischeneinheit Z an die ein Erweiterungsmodul angeschlossen ist. Da die IO-Link Kommunikation zwischen dem IO-Link Master und dem IO-Link Device durch die Zwischeneinheit quasi nicht beeinflußt wird, aber die Daten in der Zwischeneinheit Z zur Verfügung stehen, sind verschiedene Erweiterungsalternativen möglich. Die Daten können in derm Erweiterungsmodul Z z. B. auf einer SD-Karte abgespeichert werden. Alternativ ist als Erweiterungsmodul auch ein Display möglich, auf dem die Daten z. B. die Prozesswerte etc. darstellbar sind.
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Das Erweiterungsmodul kann auch ein Konfigurationstool z. B. auf einem Laptop-Rechner sein, mit dem das IO-Link Device konfiguriert werden kann. In diesem Fall ist eine drahtlose Verbindung zur Zwischeneinheit vorteilhaft.
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Das Erweiterungsmodul kann deshalb auch nur eine WLAN- oder eine Bluetooth-Schnittstelle sein.
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Nachfolgend ist das erfindungemäße Verfahren näher erläutert.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht wie bereits erwähnt darin, in der Zwischeneinheit Z einen Sekundär-Master M´ und ein generisches Device D´ vorzusehen, wobei das generische Device D´ bei der Systeminitialisierung wie das eigentliche IO-Link Device konfiguriert wird.
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Hierfür liest der Sekundär-Master M´ die Konfigurations-Parameterliste (Parameterpage) des IO-Link Devices D aus und überträgt diese in das generische Device D´, das in Richtung zum IO-Link Master M wie ein IO-Link Device fungiert.
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Nach der Übertragung steht die Konfigurations Parameterliste des IO-Link Devices D im generischen Device D´ auf Abruf (Request) für den IO-Link Master M bereit.
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Der Sekundär-Master M´ frägt außerdem auch zyklisch die Prozessdaten vom IO-Link Device D ab. Somit stehen die Prozessdaten im generischen Device D´ ebenfalls auf Abruf für den IO-Link Master M´ bereit.
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Im Falle eines Events liest der Sekundär-Master M' die Eventinformation aus dem IO-Link Device D, überträgt diese an das generische Device D' welches wiederum diese dem IO-Link Master M zur Verfügung stellt.
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Nach Erhalt der Diagnosedaten werden diese an das generische Device übertragen, wo sie für eine Abfrage durch den IO-Link Master bereitstehen.
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Die Spiegelung der Daten von der Sekundärseite Sekundär-Master M´ auf die Primärseite generisches Device D´ erfolgt durch ein zusätzliches Programm-Modul damit die korrekten Responses innerhalb der System-Latenzzeit vom generischen Device D´ erzeugt werden können.
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Die einzelnen Verfahrensschritte sehen wie folgt aus:
Verfahrensschritt A: Konfiguration des Sekundär-Masters M´ für einen zyklischen Prozesswerteabruf
Verfahrensschritt B: Abfrage der Konfigurations-Parameterliste vom IO-Link Device durch den Sekundär-Master und Übertragung der Konfigurations-Parameterliste an das generische Device bei der Systeminitialisierung
Verfahrensschritt C: Im laufenden Betrieb zyklische Austausch der Prozesswerte zwischen Sekundär-Master und IO-Link-Device und ständiger konsistenter Abgleich der Prozesswerte zwischen generischem Device und dem Sekundärmaster.
Verfahrensschritt D: Bei einem Eventereignis Abfrage der Diagnosedaten vom IO-Link Device durch den Sekundärmaster und Übertragung der Diagnosedaten an das generische Device
Verfahrensschritt E: Bei der Systeminitialisierung gegebenenfalls mehrfache Anfrage nach der Konfigurations-Parameterliste beim generischen Device durch den IO-Link Master, bis diese Parameterliste im generischen Device zur Verfügung steht
Verfahrensschritt F: Im Betrieb zyklische Austausch der Prozesswerte zwischen generischen Device und dem IO-Link Master
Verfahrensschritt G: Bei einem Eventereignis Abfrage der Diagnosedaten vom generischen Device durch den IO-Link Master
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Im Speziellen bedeutet dies für eine IO-Link Implementierung (bezogen auf die Datenkanäle):
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- • Prozessdaten
kontinuierliche Spiegelung der Daten durch eigenständige zyklische Kommunikation auf der Sekundärseite
- • Eventspeicher
Bei Meldung eines Events auf der Sekundärseite wird automatisch der zu erwartende Ablauf auf der Sekundärseite durchgeführt, um den zu erwartenden Anfragen auf der Primärseite zeit- und inhaltskonform gerecht zu werden
- • ISDU (große azyklische Kommunikationspakete)
Keine Spiegelung notwendig, da dieses unterlagerte Protokoll größere Latenzzeiten schon unterstützt
- • DPP (Direct Parameter Page)
Auslesen des Inhaltes bei der Systeminitialisierung zur Konfiguration der Primärseite gemäß den Eigenschaften der Sekundärseite (Kommunikations- und Identifikationsparameter)
Abgleich der Inhalte sporadisch zur Laufzeit zur Gewährung der Konsistenz über die Laufzeit.
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Zwischen D‘ und M‘ findet eine Datenübertragung statt, die im Prinzip nur geringe zeitliche Anforderungen hat. Denkbar ist eine proprietäre wie auch eine Standard-Datenübertragung (Ethernet, Bluetooth, etc.) um die Daten von der rechten Sekundärseite auf die linke Primärseite zu spiegeln.
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Dies kann innerhalb einer geschlossenen Einheit oder über eine galvanische Entkopplung stattfinden.
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Sowohl das generische Device als auch der Sekundär-Master erfordern eine gewisse Programmanpassung.
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Die Daten sind in IO-Link Devices in sogenannten Datenpages abgespeichert. Der Sekundär-Master muss die Daten, die er vom IO-Link Device D erhält, an die entsprechende Speicherstelle im generischen Device D´ schreiben.
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Die erfindungsgemäße Zwischeneinheit Z und das erfindungsgemäße Verfahren liefern eine Vielzahl von Vorteilen insbesondere im Hinblick auf die möglichen Erweiterungsmodule.
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IO-Link Spezifikation
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- A.3 Timing constraints 3843
- A.3.1 General 3844
- The interactions of a Master and its Device are characterized by several time constraints that 3845 apply to the UART frame, Master and Device message transmission times, supplemented by 3846 response, cycle, delay, and recovery times. 3847
- A.3.2 Bit time 3848
- The bit time TBIT is the time it takes to transmit a single bit. It is the inverse value of the 3849 transmission rate (see equation (A.2)). 3850 TBIT = 1/(transmission rate)
- (A.2)
- Values for TBIT are specified in Table 8. 3851
- Version 1.1.2 – 202 – IO-Link Interface and System© IO-Link
- A.3.3 UART frame transmission delay of Master (ports) 3852
- The UART frame transmission delay t1 of a port is the duration between the end of the stop bit 3853 of a UART frame and the beginning of the start bit of the next UART frame. The port shall 3854 transmit the UART frames within a maximum delay of one bit time (see equation (A.3)). 3855 0 ≤ t1 ≤ 1 TBIT
- (A.3)
- A.3.4 UART frame transmission delay of Devices 3856
- The Device’s UART frame transmission delay t2 is the duration between the end of the stop 3857 bit of a UART frame and the beginning of the start bit of the next UART frame. The Device 3858 shall transmit the UART frames within a maximum delay of 3 bit times (see equation (A.4)). 3859 0 ≤ t2 ≤ 3 TBIT
- (A.4)
- A.3.5 Response time of Devices 3860
- The Device's response time tA is the duration between the end of the stop bit of a port's last 3861 UART frame being received and the beginning of the start bit of the first UART frame being 3862 sent. The Device shall observe a delay of at least one bit time but no more than 10 bit times 3863 (see equation (A.5)). 3864 1 TBIT ≤ tA ≤ 10 TBIT
- (A.5)
- A.3.6 M-sequence time 3865
- Communication between a port and and its associated Device takes place in a fixed schedule, 3866 called the M-sequence time (see equation (A.6)). 3867 t M-sequence = (m + n)·11·TBIT + tA + (m – 1)·t1 + (n – 1)·t2
- (A.6)
- In this formula, m is the number of UART frames sent by the port to the Device and n is the 3868 number of UART frames sent by the Device to the port. The formula can only be used for 3869 estimates as the times t1 and t2 may not be constant. 3870
- Figure A.16 demonstrates the timings of an M-sequence consisting of a Master (port) 3871 message and a Device message. 3872
- UARTframeUARTframeUARTframeUARTframeUARTframeUARTframet1t1t2t2tAtMsequencePort(Master)Device 3873
- Figure A.16 – M-sequence timing 3874
- A.3.7 Cycle time
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Bezugszeichen:
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- M:
- IO-Link Master
- D:
- IO-Link Device
- D‘:
- generisches Device (Virtuelles IO-Link Device, spiegelt Eigenschaften und Daten des
- IO-Link
- Device D)
- M‘:
- Sekundär-Master zur Kommunikation mit IO-Link Device D
- IOL:
- IO-Link Kommunikationsschnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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