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Die Erfindung betrifft eine Übertragungsanordnung für ein Fluggerät zur Übertragung von Daten innerhalb des Fluggerätes sowie ein entsprechendes Fluggerät.
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Aus der Praxiserfahrung ergibt sich, dass sich mit jedem neuen Flugzeugprogramm der Verkabelungsaufwand erhöht und somit das Gewicht an Kabelmasse. Es Werden neue Systeme integriert, die mehr Daten produzieren und konsumieren. Die Daten werden entweder über einen Netzwerkbus wie ARINC-664 (A664) oder über andere Medien wie CAN, ARINC-429 oder diskrete und analoge Leitungen übermittelt. Auch das elektrische System ist komplexer geworden, indem die Spannungsvielfalt zunimmt (zum Beispiel 26V DC, 115V AC, 230V AC oder 270V DC).
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Es ist Praxis in der Avionik, Datenleitungen von elektrischen Netzwerken zur Energie- bzw. Leistungsversorgung zu trennen. Geräte sind dann sowohl an einem elektrischen Energie-Netzwerk angeschlossen und zusätzlich mit Datenleitungen verkabelt. Die Anzahl von Datenleitungen an einem Gerät kann hierbei variieren.
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Mit der Technologie der Power-Line-Communication (PLC) kann ein großer Anteil dieser Datenleitungen wegfallen, indem neben der Energieübertragung auch die Kommunikation über die elektrische Leitung erfolgt. Die Nutzung der PLC-Technik in Flugzeugen ist beispielsweise aus dem Artikel „'Model based design of an avionics power line communications physical layer', Jürgen Wassner, Stephen Dominiak, Javier Moya, Lucerne University of Applied Sciences & Arts, Lucerne, Switzerland“ bekannt. Dank der PLC-Technologie erfolgt die Nutzung der Energie- bzw. Stromleitungen, um auch Daten darüber zu übertragen und somit Gewicht einzusparen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Einsatz der PLC-Technologie in einem Fluggerät zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Übertragungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 für ein Fluggerät. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung, sowie den beigefügten Figuren.
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Die Übertragungsanordnung dient zur Übertragung von Daten innerhalb des Fluggerätes. Ein entsprechendes Fluggerät weist ein elektrisches Leitungsnetz in Form eines Energie- bzw. Leistungsverteilungsnetzwerkes auf. Das Leitungsnetz umfasst mindestens eine, in der Regel jedoch mehrere bzw. eine Vielzahl zusammenhängender Leitungen. Das Leitungsnetz dient zur Bereitstellung elektrischer Energie bzw. Leistung für Verbraucher im Fluggerät. Die Übertragungsanordnung enthält mindestens zwei PLC-Elemente. Jedes der PLC-Elemente ist an mindestens einer jeweiligen der Leitungen des Leitungsnetzes anschließbar. Mindestens zwei der PLC-Elemente dienen zur Übertragung der Daten zwischen den PLC-Elementen über das Leitungsnetz. Daten werden also an einem der PLC-Elemente eingespeist, vom PLC-Element in eine der Leitungen des Leitungsnetzes eingekoppelt, über das Leitungsnetz zum anderen PLC-Element übertragen, aus der dortigen Leitung durch das PLC-Element ausgekoppelt und können dann vom PLC-Element aus weitergeleitet oder verwendet werden usw.
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Mindestens eines der PLC-Elemente weist einen Filteranschluss auf und ist damit insbesondere ein Filter oder ein Knoten, wie sie unten erläutert werden.
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Der Filteranschluss ist durch mindestens einen PLC-Anschluss und mindestens einen korrespondierende Energieanschluss gebildet bzw. weist diese auf. Vermittels des PLC-Anschlusses ist das PLC-Element an eine der Leitungen des elektrischen Leitungsnetzes anschließbar, um das PLC-Element in das vorhandene elektrische Leitungsnetz zu integrieren und eine PLC Kommunikation (Leistung bzw. Energie und Daten) auf der dort angeschlossenen Leitungen nutzen zu können. Vermittels des Filteranschlusses ist das PLC-Element an eine der Leitungen des elektrischen Leitungsnetzes anschließbar, um das PLC-Element in das vorhandene elektrische Leitungsnetz zu integrieren und eine Energieübertragung (nur Leistung bzw. Energie, keine Daten) auf der dort angeschlossenen Leitung nutzen zu können. Innerhalb des PLC-Elements wird Energie zwischen mindestens einem der PLC-Anschlüsse und mindestens einem korrespondierenden der Energieanschlüsse durch das PLC-Element hindurch transportiert. Am Energieanschluss findet also keine Datenübertragung im Leitungsnetz statt. Mit anderen Worten ist das PLC-Element mit den Leitungen bzw. dem elektrischen Leitungsnetz verbindbar, um nur einseitig Daten am PLC-Anschluss in dieses ein- oder aus diesem auszukoppeln, aber beidseitig Energie zwischen PLC- und Energieanschluss zu transportieren. Hinsichtlich der in den Leitungen geführten Energie weist das PLC-Element einen beidseitig energieführenden Filteranschluss am Leitungsnetz auf. Hinsichtlich den in der Leitung geführten Daten ist das PLC-Element am Filteranschluss nur einseitig datenführend und einseitig datenfrei bezüglich der Leitungen ausgebildet.
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Mit anderen Worten kann Energie, welche auf der Leitung transportiert wird, das PLC-Element bi-direktional passieren. Daten können jedoch das PLC-Element nicht passieren, sondern jede Datenübertragung im Leitungsnetz endet am PLC-Anschluss des PLC-Elements. Innerhalb des Leitungsnetzes bildet der Filteranschluss also eine Sperre für Daten und trennt das Leitungsnetz in zwei Abschnitte, wobei auf dem ersten Abschnitt (am Energieanschluss) keine Daten vorhanden sind. Lediglich auf dem zweiten Abschnitt (am PLC-Anschluss) können Daten vorhanden sein, um im Leitungsnetz bis zum Filteranschluss zu gelangen.
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Das Fluggerät ist insbesondere ein Flugzeug, Helikopter oder UAV (Unmanned Aerial Vehicle, Unbemanntes Fluggerät). Das Leitungsnetz weist mindestens eine Leitung auf. Wenn das Leitungsnetz mehrere Leitungen aufweist, sind diese zusammenhängend, das heißt es existiert eine elektrische Leitungsverbindung von jedem ersten zu jedem zweiten Punkt des Leitungsnetzes über jeweilige Leitungen und gegebenenfalls auch Zwischenelemente wie Stecker, elektrische Schaltungen, Module, etc., die Teile des Leitungsnetzes sind.
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PLC-Elemente können keine (z.B. Filter), eine oder mehrere Datenschnittstellen aufweisen. Zum Beispiel sind die Datenschnittstellen für verschiedene Protokolle, Netzwerksysteme, Datenkomponenten etc. ausgelegt, das heißt es können verschiedene Datenleitungen / Datenkanäle an verschiedenen Datenschnittstellen angeschlossen werden, z.B. ist eine Datenschnittstelle für einen CAN-Bus, eine andere für eine Ethernet-Kommunikation, eine andere für eine A429-Verbindung ausgelegt. Die PLC-Elemente können auch einen oder mehrere Energie- und/oder PLC-Anschlüsse aufweisen, sodass das PLC-Element zum Beispiel an Leitungen verschiedener Netzspannungen oder verschiedener Spannungsformen wie Gleichspannung oder Wechselspannung gleichzeitig anschließbar ist. Im Falle mehrerer Anschlüsse ist dann bei einem Filter oder Knoten (siehe unten) mindestens einer der Leitungsanschlüsse, also der Energie- bzw. PLC-Anschlüsse, an denen das Leitungsnetz anschließbar ist, ein Energie-, und mindestens einer ein PLC-Anschluss.
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Am Filteranschluss findet also eine „Auftrennung“ des Leitungsnetzes statt bzw. wird dieses durch den Filteranschluss hindurchgeführt. Energie- und PLC-Anschluss sind also zwei Teilanschlüsse des Filteranschlusses zur Aufnahme eines jeweiligen Endes einer Leitung. Eine Energiedurchführung zwischen den Teilanschlüssen ist möglich. Daten liegen jedoch nur an einem der Teilanschlüsse auf der Leitung an. Der andere Teilanschluss ist datenfrei ausgebildet. Hier liegt also lediglich die elektrische Energie, ohne jegliche Dateninformation an. Zwischen Energie- und PLC-Anschluss erfolgt also eine Durchführung der auf der Leitung transportierten Energie, gegebenenfalls mit Abzweig für den Eigenbedarf des jeweiligen PLC-Elements oder gegebenenfalls an weitere Verbraucher. Eine Datendurchleitung im Leitungsnetz findet jedoch nicht statt. Datentechnisch bildet der Filteranschluss also einen Abschluss oder Filter für den datenführenden Teilabschnitt des Leitungsnetzes.
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Gemäß der Erfindung erfolgt an der Stelle des Filteranschlusses eine Trennung der PLC-Kommunikation (Daten und Energie auf der Leitung) vom restlichen elektrischen Netzwerk (nur Energie, keine Daten). Gemäß der Erfindung erfolgt daher eine dedizierte Propagierung von Daten nur auf einer Seite des Filters, insbesondere nur auf einem Teilabschnitt des elektrischen Netzes zwischen zwei oder mehreren Filtern (oder Knoten, siehe unten), die mit ihren datenführenden Seiten (PLC-Anschlüssen) einander zugewandt sind.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in einem herkömmlichen elektrischen Netzwerk PLC Daten im gesamten Netzwerk propagieren. Jeder kann im Prinzip überall auf die Daten zugreifen. Gemäß der Erfindung erfolgt dagegen eine dedizierte Propagierung von Daten nur auf einer Seite eines Filters (oder Knotens, s.u.) bzw. zwischen Filteranschlüssen, also nur in einem Teilabschnitt des elektrischen Leitungsnetzes. Der Filteranschluss trennt PLC-Netzwerke bzw. Netzwerkteile von reinen elektrischen Netzwerken bzw. Netzwerkteilen. Das PLC-Netzwerk ist also am Filteranschluss abgegrenzt, „jenseits“ des Filteranschlusses erfolgt kein Datenverkehr mehr. Somit können in einem Fluggerät herkömmliche Fluggerätnetzwerke (bei denen Strom und Daten getrennt sind) mit einem erfindungsgemäßen PLC-Netzwerk bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung verbunden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der PLC-Elemente ein Filter, der keine Datenschnittstelle zur Ein- und/oder Ausgabe der Daten und mindestens einen Filteranschluss (20) aufweist. Mit anderen Worten enthält ein Filter nur den Filteranschluss. Ein „Filteranschluss“ kann in Form eines PLC-Elementes also auch als „Filter“ bezeichnet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der PLC-Elemente ein Knoten. Der Knoten weist mindestens eine Datenschnittstelle auf. Der Knoten weist auch mindestens einen wie oben für den Filter beschriebenen Filteranschluss auf. Der Knoten entspricht also einem Filter, jedoch mit Datenschnittstelle bzw. mit Funktionalität, um Daten über die Datenschnittstelle und den PLC-Anschluss in das Leitungsnetz ein- oder aus diesem auszukoppeln. Eine Durchleitung von Daten im Leitungsnetz erfolgt wie oben beschrieben nicht, jedoch eine Durchleitung von Energie. Ein derartiger Knoten dient wie ein Filter dazu, das eigentliche Daten und Energie führende PLC-Netzwerk bzw. den Teilabschnitt vom herkömmlichen elektrischen, nur Energie führenden, Leitungsnetz abzutrennen und ein Propagieren von Daten zu verhindern, jedoch einen Durchtritt von elektrischer Energie zu ermöglichen. An einem derartigen Konten kann also datentechnisch eine Stichleitung des Datennetzes realisiert werden, an der der Datenverkehr im Leitungsnetz endet bzw. vermittels der Datenschnittstelle aus diesem aus oder in dieses eingeleitet wird, die elektrische Leistungs- bzw. Energieleitung im Leitungsnetz jedoch weitergeführt ist.
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Eine solche Datenschnittstelle dient zur (vom Leitungsnetz verschiedenen) Ein- oder Ausgabe von Daten an das betreffende PLC-Element, das diese aufweist. Die Datenschnittstelle kann, muss aber nicht, ein physikalischer „Anschluss“ sein, sondern kann auch eine andere Möglichkeit zum Datenaustausch sein, z.B. eine physikalische oder logische bzw. virtuelle Schnittstelle. Die Datenschnittstelle kann also jede Möglichkeit zum Datenaustausch sein. Jedenfalls können dort Daten zur Weiterverarbeitung empfangen oder zur Übertragung übergeben werden.
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Im Betrieb der Anordnung werden Daten also zwischen der Datenschnittstelle des Knotens und einer entsprechenden Gegenstelle in Form eines zweiten PLC-Elements übertragen und nehmen dabei den Weg von der Datenschnittstelle über den Knoten, denjenigen Teil des Leitungsnetzes, der den Knoten mit dem anderen PLC-Element verbinden, über das andere PLC-Element und dort gegebenenfalls zu dessen Datenschnittstelle oder werden intern im anderen PLC-Element verarbeitet. Die Daten können auch in der anderen Richtung transportiert werden.
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Die entsprechende Gegenstelle bzw. das PLC-Element zum Datenaustausch mit dem Knoten kann entweder ein weiterer Knoten oder auch jedes andere PLC-Element sein, das Daten senden und/oder empfangen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der PLC-Elemente ein Client. Der Client weist wie der Knoten mindestens eine Datenschnittstelle auf. Der Client weist auch mindestens einen PLC-Anschluss, jedoch keinen Energieanschluss auf. Der Client bildet daher ein hinsichtlich des Leitungsnetzes (bei mehreren Leitungsanschlüssen) durchgängiges, d.h. allseits datenführendes und zur Datenein- und/oder Auskopplung in und/oder aus dem Leitungsnetz ausgerüstetes PLC-Element. Insbesondere kann der Client in Bezug auf Leitungsanschlüsse nur einen oder mehrere einseitige Endanschlüsse aufweisen. Der jeweilige Endanschluss ist dann ein einziger PLC-Anschluss, der keinen korrespondierenden Gegenanschluss zur Durchleitung von Energie durch den Client besitzt. Der Client ist dann nur zur Aufnahme eines jeweiligen Stichleitungsendes ausgebildet. Am Endanschluss findet also keine Durchleitung von Energie oder Daten im Leitungsnetz statt. Nur Daten können den Client an einer (reinen) Datenschnittstelle anderweitig verlassen oder in diesen gelangen. Der Client stellt dann ein Abschlusselement für des Leitungsnetzes in Form einer Stichleitung dar. Der Endanschluss bzw. die Energiezuleitung ist also daten- und energieführend. Der Endanschluss konsumiert oder extrahiert die Daten aus oder speist diese in das Leitungsnetz ein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei der PLC-Elemente zum gegenseitigen Datenaustausch hinsichtlich eines Datenkanals konfigurierbar, welcher zur Übertragung der Daten über das Leitungsnetz benutzt ist bzw. wird. Insbesondere ist der Datenkanal hinsichtlich seines Frequenzbandes, das zu Übertragung der Daten auf dem Leitungsnetz benutzt ist, konfigurierbar. Insbesondere ist die Frequenzlage und/oder die Bandbreite des Frequenzbandes konfigurierbar. Somit kann festgelegt werden in welchem Frequenzbereich diese bestimmte Datenübertragung erfolgt und auch welche Bandbreite, das heißt Datenkapazität, diesem Daten- bzw. Kommunikationskanal zur Übertragung innerhalb des Leitungsnetzes zur Verfügung steht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der PLC-Elemente mindestens zwei verschiedene Datenschnittstellen auf. Zumindest zweien oder jeder zur gegenseitigen Kommunikation vorgesehenen Gruppe gleicher Datenschnittstellen ist in der Übertragungsanordnung dabei ein eigener, unterschiedlicher bzw. segregierter Datenkanal, insbesondere Frequenzband, zur Übertragung der Daten über das elektrische Leitungsnetz zugewiesen. So können auf dem elektrischen Leitungsnetz mindestens zwei parallele, virtuelle Datenkanäle geführt werden, wobei jeder der Datenkanäle einer Gruppe gleicher Datenschnittstellen zugeordnet ist. Auf dem elektrischen Leitungsnetz entstehen so parallele, virtuelle Datennetzwerke, auf denen individuell und segregiert voneinander Datenverkehr möglich ist. Hierbei kann ein einzelnes PLC-Element oder unterschiedliche PLC-Elemente jeweils verschiedene Datenschnittstellen aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der PLC-Elemente an seinem Energie- und/oder PLC-Anschluss zur induktiven und/oder kapazitiven Ein- bzw. Auskopplung der Daten in die Leitung ausgebildet. Jedes der Anschlusskonzepte „kapazitiv“ oder „induktiv“ bietet jeweilige, aus der Elektrotechnik allgemein bekannte, Vor- und Nachteile.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist mindestens eines der PLC-Elemente ein Knoten, der hinsichtlich seines Energie- und/oder PLC-Anschlusses zur induktiven Ein- / Auskopplung der Daten in die Leitung ausgebildet ist. Für Knoten ist die induktive Ein-/Auskopplung besonders vorteilhaft, da sich hierdurch besonders einfach die Durchleitung von Energie, jedoch die Abgrenzung der Daten zu einer Leitungsnetzseite hin realisieren lässt.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist mindestens eines der PLC-Elemente ein Client. Der Client ist hinsichtlich seines PLC-Anschlusses zur kapazitiven Ein- / Auskopplung der Daten in die Leitung ausgebildet. Da Clients keine Datenabgrenzung auf der Leitung bewirken, ist die kapazitive Datenkopplung hier besonders vorteilhaft.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der PLC-Elemente eine Gateway-Funktionalität und/oder Routerfunktionalität und/oder Filterfunktionalität auf. Mit derartigen PLC-Elementen lassen sich klassische bzw. bekannte Datennetzwerkstrukturen auf dem jeweiligen PLC-Teilabschnitt des Leitungsnetzes realisieren.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Fluggerät gemäß Patenanspruch 10. Das Fluggerät und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Übertragungsanordnung erläutert.
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Das Fluggerät enthält eine erfindungsgemäße Übertragungsanordnung sowie mindestens eines der im Zusammenhang mit dieser Übertragungsanordnung erwähnten elektrischen Leitungsnetze. Ein zusammenhängender Teilabschnitt des elektrischen Leitungsnetzes ist ein datenführender Teilabschnitt, der hinsichtlich der Daten gegenüber dem restlichen Teil dieses Leitungsnetzes abgegrenzt ist. Dies wird dadurch erreicht, dass alle von einem zusammenhängenden Teilabschnitt wegführenden Leitungen, d.h. jede der wegführenden Leitungen, jeweils einen Filter oder Knoten enthalten, wie sie oben beschrieben wurden. Insbesondere sind zwei dieser PLC-Elemente Knoten. Die vom Teilabschnitt wegführenden elektrischen Leitungen sind in jedem Fall an dem jeweils datenfreien Energieanschluss des betreffenden Filteranschlusses des entsprechenden PLC-Elements (Filter oder Knoten) angebracht.
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Im erfindungsgemäßen Fluggerät sind also alle Teile des Leitungsnetzes, welche nicht zum Teilabschnitt gehören, bezüglich der im Teilabschnitt vorhandenen Daten datenfrei. Insbesondere befinden sich alle PLC-Clients, die zum Teilabschnitt gehören, innerhalb des Teilabschnittes; an den Grenzen des Teilabschnittes bei heraus- oder hereinführenden (reinen Energie-)Leitungen sind dagegen nur Knoten oder Filter vorhanden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Teilabschnitt eine zwischen zwei PLC-Elementen mit Filteranschluss (Konten oder Filter) durchgehende Leitungsstruktur, von der allenfalls mindestens eine Leitung in Form einer Stichleitung abzweigt, die endseitig mit einem Client oder einem Filter abgeschlossen ist. Insbesondere ist nur eine einzige durchgehende Leitung zwischen zwei PLC-Elementen mit jeweiligem Filteranschluss (Knoten oder Filter) vorhanden. Von der durchgehenden Leitungsstruktur im Teilabschnitt, also zwischen den Filteranschlüssen, zweigen allenfalls Leitungen in Form von Stichleitungen ab, welche ihrerseits endseitig mit Clients oder Filtern abgeschlossen sind. Insbesondere sind weitere PLC-Elemente (insb. Clients mit mehr als einem PLC-Anschluss) innerhalb des Teilabschnittes angeordnet, also nicht an dessen Grenzen.
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An den Endanschlüssen endet die jeweilige Stichleitung, an Filteranschlüssen endet der jeweilige Teilabschnitt, wobei das Leitungsnetz dort nur noch mit einer Energie, jedoch keine Daten, führenden Leitung fortgesetzt sein kann. So entsteht ein besonders einfacher und leicht zu realisierender PLC-Teilabschnitt im Leitungsnetz.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Leitungsnetz mindestens zwei virtuelle Datennetzwerke, insbesondere innerhalb des Teilabschnittes. Der Datenverkehr innerhalb der virtuellen Netzwerke erfolgt jeweils völlig unabhängig voneinander bzw. segregiert voneinander, sodass beide Netzwerke gleichzeitig bzw. parallel nutzbar sind.
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Die beiden Netzwerke befinden sich innerhalb des Leitungsnetzes bzw. Teilabschnittes insbesondere auf der selben Leitung bzw. auf dem selben Leitungsabschnitt. Das virtuelle Netzwerk weist insbesondere für eine Übertragung der Daten, von einem ersten zu einem zweiten PLC-Element, hinsichtlich Latenzzeit und Varianz festgelegte Maximalwerte auf. Insbesondere weisen die Netzwerke eine geringe Latenzzeit und eine geringe Varianz auf. So sind echtzeitfähige Netzwerke realisierbar. Dank der maximalen Latenzzeit ist sichergestellt, dass Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt bei einem Empfänger ankommen, zum Beispiel fünf Millisekunden nach dem Senden. Die Varianz (Jitter) für diese Zeit ist gering und beträgt beispielsweise eine Millisekunde, sodass sich eine Gesamtlaufzeit für die Daten von vier bis sechs Millisekunden ergibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei Datenkanäle, insbesondere Frequenzbänder, zur jeweiligen, segregierten Übertragung von Daten innerhalb des Teilabschnitts vorgesehen. Wie oben erläutert, sind so mehrere, virtuelle, voneinander unabhängige Datenkanäle bzw. -Netzwerke innerhalb des Teilabschnitts bzw. auch auf einer einzigen physikalischen Leitung realisierbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leitungsnetz mindestens zwei voneinander getrennte, durch mindestens eine datenfreie Leitung verbundene Teilabschnitte auf. Mit anderen Worten existieren im elektrischen Leitungsnetz mindestens zwei Teilnetze, die zwar hinsichtlich zu übertragender Energie elektrisch verbunden sind aber nicht miteinander Daten auf den Verbindungsleitungen kommunizieren können oder sich nicht berühren und völlig voneinander getrennt sind. Beide Teilnetze sind somit datentechnisch unabhängig voneinander und bilden mit anderen Worten zwei „PLC-Inseln“ im ansonsten datenfreien, elektrischen Leitungsnetz. Eine datentechnische Querverbindung der Teilabschnitte ist dann z.B. über eine reine Datenleitung (keine Energie übertragen) zwischen zwei Datenschnittstellen in je einem der Teilabschnitte notwendig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Fluggerät mindestens einen Verbraucher, welcher insbesondere über PLC-Technologie angesteuert wird. Mindestens eines der PLC-Elemente ist ein in den Verbraucher integriertes bzw. integrierbares Bauteil. Für solche Bauteile sind vor allem PLC Clients interessant, aber auch andere PLC-Elemente sind als integrierbare Bauteile realisierbar. Durch Anschluss des Verbrauchers mit integriertem PLC-Element am elektrischen Leitungsnetz erfolgt somit nicht nur ein Anschluss des Verbrauchers am Leitungsnetz bezüglich Energie- bzw. Leistung, sondern auch bezüglich Daten. Es entsteht automatisch mit dem Anschluss an eine der datenführenden Leitungen eine (PLC-)Datenschnittstelle zum Leitungsnetz bzw. eine Netzkonfiguration. Die Art der Netzkonfiguration richtet sich hierbei je nach integriertem PLC-Element; zum Beispiel ergibt sich bei einem Client ein Datendurchlass auf der Leitung, bei einem Filter das Ende einer Datenleitung oder bei einem Knoten oder Filter ein Energiedurchlass auf der Leitung. Es ergibt sich ein Verbraucher mit integriertem PLC-Element, der besonders einfach und unaufwändig im Flugzeug installierbar ist.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
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Durch die Einführung der Power-Line-Communication können Daten über Stromleitungen übertragen werden. Bisher waren Daten und Strom durch separate Leitungen getrennt. Es entstehen elektrische Datennetzwerke, in welche Systeme / einzelne Komponenten Daten einkoppeln oder von welchen Daten abgegriffen werden können. Hierdurch ergibt sich eine Gewichtsersparnis durch Wegfall der dedizierten Datenleitungen, eine Reduzierung der Leitungskomplexität und somit eine vereinfachte Installation von Komponenten. Besonders im Kabinenbereich, zum Beispiel bei Retrofit, birgt dies große Vorteile. Außerdem ist es möglich, die Vorteile der Power-Line-Communication nicht nur für Flugzeuge zu nutzen, sondern Power-Line-Communication auch bei Helikoptern oder UAVs einzuführen.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Power-Line-Communication (PLC) Architektur für Flugzeuge, Helikopter und UAV. bzw. Architekturen, welche dort eingesetzt werden können. Es ergibt sich ein flexibles, kapazitives und/oder induktives Einkoppeln von PLC-Elementen mit unterschiedlichen digitalen Schnittstellen, die auf der selben elektrischen Leitung kommunizieren. Dabei können unterschiedliche Datensignale gleichzeitig und segregiert voneinander übertragen werden. Bei dieser PLC-Architektur können die PLC-Elemente (insbesondere Clients, Knoten) unterschiedliche Funktionen (zum Beispiel Gateway, Routing, Filterung) übernehmen. Es ergibt sich eine Konfigurierbarkeit hinsichtlich Verteilung und Verfügbarkeit der Datenmenge in Form einer Bandbreitenallokation über ein virtuelles Netzwerk mit Hilfe eines konfigurierbaren Frequenzbereiches.
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PLC-Elemente mit unterschiedlichen, digitalen Datenschnittstellen, die auf der selben elektrischen Leitung kommunizieren, können kapazitiv und/oder induktiv flexibel eingekoppelt werden. Dabei können unterschiedliche Datensignale gleichzeitig und segregiert übertragen werden. Es besteht eine Konfigurierbarkeit hinsichtlich der Verteilung und Verfügbarkeit der Datenmengen in Form einer Bandbreitenallokierung über ein virtuelles Netzwerk mit Hilfe eines konfigurierbaren Frequenzbereiches. Ein erfindungsgemäßes PLC-Netzwerk kann auch erweitert werden, sodass die Systeme über mehrere PLC-Netzwerke kommunizieren können. Insbesondere ergeben sich folgende PLC-Netzwerkkomponenten:
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Ein PLC-Knoten ist eine kleine LRU (Line Replaceable Unit), um zwei Netzwerke zu segregieren (Gateway). Der PLC-Knoten benutzt ein induktives Kopplungsverfahren. Der Koppler ändert sich abhängig von den Strömen und Spannungen des elektrischen Netzwerkes bzw. es werden verschieden große Koppler verwendet.
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Ein PLC-Client stellt ein Interface dar. Ein PLC-Client kann ein einzelner Chip sein, welcher Teil eines Gerätes ist und mit dem elektrischen Netzwerk verbunden ist. Der PLC-Client kann aber auch als kleine LRU realisiert sein, welche mit einem vorhandenen Verbraucher über eine Datenschnittstelle verbunden wird und somit nur die Daten weiterleitet. Der PLC-Client verwendet ein kapazitives Verfahren, um mit dem PLC-Netzwerk (insbesondere Leitungsnetz) zu verbinden.
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Ein PLC-Filter ist ein eigenständiges Gerät, welches ein elektrisches Datennetz (insbesondere Teilbereich) von einem reinen, elektrischen Netz ohne Daten (insbesondere datenfreier Abschnitt des Leitungsnetzes) trennt. Der PLC-Filter ist auch Teil des PLC-Knotens.
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Das erfindungsgemäße PLC-Netzwerk zeichnet sich durch besondere Merkmale gegenüber den kommerziellen PLC-Netzwerken (Hausanwendung) aus: Es bietet eine robuste und deterministische Übertragung mit geringer Latenzzeit und Varianz. Es können konfigurierbare Datenbandbreiten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde erreicht werden. Um Störungen auf anderen Netzwerken zu vermeiden, segregiert der PLC-Knoten ein PLC-Netzwerk von dem herkömmlichen elektrischen Netzwerk ohne Daten. Bei dieser PLC-Architektur können die PLC-Elemente (insbesondere PLC-Clients oder die PLC-Knoten) unterschiedliche Funktionen (zum Beispiel Gateway, Routing, Filterung) übernehmen. Dieses PLC-Netzwerk vereinfacht drastisch den Installationsaufwand, sowie die Komplexität bei Neuausrüstung und generiert große Vorteile beim Retrofit, wie zum Beispiel für die Kabinenanteile eines Flugzeuges, durch die einfache und schnelle Installation bei der Umgestaltung bzw. Neugestaltung von Kabinenelementen. Auch in bestehenden Flugzeugen bzw. Helikoptern oder UAVs kann diese neue Technologie in bestehende elektrische Systeme eingebunden werden und somit zu Gewichtseinsparungen führen.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 ein Flugzeug mit elektrischem Leitungsnetz und PLC-Teilabschnitt,
- 2 ein Flugzeug mit zwei Leitungsnetzen mit je einem Teilabschnitt,
- 3 ein Flugzeug mit Leitungsnetz und PLC-Teilabschnitt.
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1 zeigt symbolisch angedeutet eine Übertragungsanordnung 2 für ein Fluggerät 4, hier ein Flugzeug, in welches die Übertragungsanordnung 2eingebaut ist. Das Fluggerät 4 enthält ein Leitungsnetz 6, von dem als Ausschnitt in 1 mehrere Leitungen 8a-g dargestellt sind. Das Leitungsnetz 6 dient primär der Verteilung von Energie E im Fluggerät 4 zu Verbrauchern 10 hin, von denen lediglich einer beispielhaft dargestellt ist. Daten D werden im Fluggerät 4 primär über Datenleitungen 9a,b übertragen. Die Datenleitungen 9a,b sind reine Datenleitungen zum ausschließlichen Transport von Daten D nicht jedoch von Energie E. Die Leitungen 8a,b sind reine Stromleitungen, welche ausschließlich zur Weiterleitung von Energie E, nicht jedoch von Daten D dienen.
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Die Leitungen 8c-g entsprechen physikalisch den Leitungen 8a,b, sind also originär zum Transport von Energie E dienlich, transportieren jedoch dank „aufgesetzter“ PLC-Technologie auch Daten D. Die Übertragungsanordnung 2 enthält im Beispiel sechs PLC-Elemente 12a-f zur Übertragung der Daten D zwischen einigen der PLC-Elemente 12a-f über das Leitungsnetz 6 bzw. dessen Leitungen 8c-g. Die PLC-Elemente 12a,b sind Knoten 14, die PLC-Elemente 12c-f sind Clients 24.
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Die Knoten 14 enthalten je eine Datenschnittstelle 16, um die Daten D dem Knoten 14 von außerhalb des Leitungsnetzes 6 auf den Datenleitungen 9a,b zuzuführen oder von diesem abzuführen. Außerdem weisen sie Leitungsanschlüsse auf, um die Knoten 14 am Leitungsnetz 6 anzuschließen: Die Konten 14 weisen je einen PLC-Anschluss 22a und einen Energieanschluss 22b auf. Der PLC-Anschluss 22a und der Energieanschluss 22b eines der Knoten bilden je einem Filteranschluss 20 an diesem Knoten 14. Hinsichtlich der in den Leitungen 8a-c geführten Energie E sind jeweils PLC-Anschluss 22a und Energieanschluss 22b energieführend. Die Energie E durchläuft also alle Leitungsabschnitte 8a,b,c, die zusammen eine durchgehende Leitungsstruktur bilden, ungehindert. Energie E gelangt also von der Leitung 8a,b jeweils durch den beidseitig energieführenden Filteranschluss 20 in die Leitung 8c oder umgekehrt. Hinsichtlich der Daten D ist der Filteranschluss 20 einseitig, nämlich am PLC-Anschluss 22a datenführend, an der anderen Seite des Filteranschlusses 20, dem Energieanschluss 22b, datenfrei ausgeführt. Daten D können zwar den Filteranschluss 20 am PLC-Anschluss 22a passieren, d.h. zwischen Knoten 14 und Leitung 8c ausgetauscht werden, nicht jedoch am Energieanschluss 22b. Die Daten D können also nicht vom Knoten 14 bzw. der Leitung 8c in die Leitung 8a,b gelangen und umgekehrt. Auf dieser „Seite“ des Knotens 14 werden die Daten D daher über die separate Datenschnittstelle 16 mit der Datenleitung 9a,b geführt.
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Insbesondere sind Daten D auf den energieführenden Leitungen nur zwischen der Leitung 8c und den Knoten 14 austauschbar und müssen die Leitung am Knoten 14 zur Datenleitung 9 hin verlassen.
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Im Leitungsnetz 6 ist also ein durch einen Doppelpfeil gekennzeichneter Teilabschnitt 34 ein datenführender Teilabschnitt 34, wobei alle vom Teilabschnitt 34 wegführenden Leitungen, hier die Leitungen 8a,b jeweils an einem datenfreien Energieanschluss 22b des jeweiligen Filteranschlusses 20 der Knoten 14 angebracht sind. Im Beispiel ist der Teilabschnitt 34 außerdem durch eine einzige durchgehende Leitungsstruktur in Form der Leitung 8c zwischen den PLC-Elementen 12a,b gebildet, die jeweils den Filteranschluss 20 aufweisen. Dazwischen sind lediglich Stichleitungen in Form der Leitungen 8d bis 8g angeschlossen, die mit Clients 24 abgeschlossen sind.
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Die restliche Elektrotechnik 35 des Fluggerätes 4 ist lediglich angedeutet. Diese ist mit dem Teilabschnitt 34 durch eine herkömmlich getrennte Verkabelung für Energie E (reine Energie-Leitung 8b) und Daten D (reine Daten-Leitung 9b) über den Knoten 14 verbunden.
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Die „Sperre“ für Daten im Knoten 14 bezüglich der Leitungen 8a,b in Richtung aus dem Teilbereich 34 heraus ist durch ein in Sperrrichtung orientiertes Dioden-Schaltbild symbolisiert.
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Die Clients 24 weisen jeweils eine Datenschnittstelle 16 und einen PLC-Anschluss 22a auf. Der PLC-Anschluss 22a ist hier jeweils ein Endanschluss 30, der nur zur Aufnahme einer der Leitungen 8d-g bzw. Leitungsenden dient und somit eine jeweilige StichLeitung 8d-g des Leitungsnetzes 6 abschließt. Der Endanschluss 30 ist datenführend und energieführend ausgebildet. Das heißt Energie E und Daten D können jeweils in den PLC-Anschluss 22a der Clients 24 sowohl eintreten als auch diesen verlassen.
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Die Datenschnittstelle 16 ist hier beispielhaft teils innerhalb des Clients 24 (PLC-Element 12d) dargestellt, und symbolisiert eine virtuelle oder reale interne Client-Schnittstelle, wenn Daten D auch client-intern verarbeitet werden können. Wie am Beispiel des PLC-Elements 12c gezeigt, können jedoch Daten D auch auf eine physische Datenschnittstelle 16 durchgeführt werden und außerhalb des Clients 24 zur Verfügung stehen bzw. eingespeist werden. In bzw. mit Hilfe der PLC-Elemente 12 kann auch Energie E aus dem Leitungsnetz 6 zu deren Eigenverbrauch abgezweigt werden.
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Für das PLC-Element 12e ist beispielhaft gezeigt, dass der Client 24 in den Verbraucher 10 integriert ist, um diesen mit Energie E zu versorgen und um diesem verbraucherintern eine Datenschnittstelle 16 zum Austausch von Daten D bereitzustellen.
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Die Möglichkeit eines Datenaustausches von Daten D innerhalb des Leitungsnetzes 6 in Form eines Datenkanals ist gestrichelt dargestellt. Die beiden Knoten 14 sind an diesem Datenaustausch jeweils nicht beteiligt, sondern dieser erfolgt zwischen den PLC-Elementen 12c und 12e einerseits und zwischen 12d und 12f andererseits. Die PLC-Elemente 12 sind zum gegenseitigen Datenaustausch der Daten D hinsichtlich des Frequenzbandes konfigurierbar, welches zur Übertragung der Daten über das Leitungsnetz benutzt ist. So verwenden die PLC-Elemente 12c, e einen ersten virtuellen Kanal, hier ein erstes Frequenzband, zur Datenübermittlung, die PLC-Elemente 12d, f einen zweiten virtuellen Kanale, hier ein zweites, anderes Frequenzband. So entstehen insbesondere auf der einzigen bzw. selben Leitung 8c zwei virtuelle Datenkanäle bzw. Netzwerke 32a,b, welche unabhängig voneinander nutzbar sind, ohne sich gegenseitig zu stören und welche trotzdem gleichzeitig auf der Leitung 8c verwirklicht sind.
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An den Knoten 14 ist der Filteranschluss 20 zur induktiven Einkopplung bzw. Auskopplung der Daten D in die Leitung 8c ausgebildet. Die PLC-Anschlüsse 22a der Clients 24 dagegen sind zur kapazitiven Kopplung der Daten D mit den Leitungen 8d-g ausgebildet.
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2 zeigt ein Fluggerät 4, welches zwei getrennte Leitungsnetze 6 enthält, von welchen jedes einen Teilabschnitt 34a,b enthält. Die Leitungsnetze 6 entsprechen prinzipiell bzw. sinngemäß jeweils dem aus 1 mit dem Unterschied, dass je eine weitere Stichleitung 8j von der Leitung 8c abzweigt, die ebenfalls mit einem Client 24 abgeschlossen ist. Das in 2 obere Leitungsnetz 6 führt Energie E als Spannung von 28V DC, das untere Leitungsnetz 6 als Spannung von 230V AC. Die beiden Leitungsnetze 6 sind nicht durch energieführende Leitungen verbunden. Eine Datenkommunikation bzw. Austausch von Daten D ist dennoch möglich, indem Daten auf einer separaten Datenleitung 9c ausgetauscht werden. Hierzu ist ein virtuelles Netzwerk 32c gebildet. Dieses verwendet einen dritten Datenkanal bzw. Frequenzband, um auch diese Datenkommunikation datentechnisch unabhängig von den virtuellen Netzwerken 32a,b der jeweiligen Teilabschnitte 34a,b zu halten. Die PLC-Elemente 12b und 12g als Knoten 14 weisen jeweils eine Gateway-Funktionalität auf.
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Für den Fall, dass alternativ die beiden Leitungsnetze 6 die gleiche Spannungsform führen würden, hier 28V DC, könnte auch ein einziges Leitungsnetz 6 etabliert sein, indem die Leitungen 8b,i verbunden sind bzw. eine einzige Leitung 8 darstellen (gestrichelt angedeutet). Diese Leitung 8 ist dann wegen der Verbindung mit den jeweils datenfreien Energieanschlüssen 22b der PLC-Elemente 12b,g datenfrei und überträgt einzig Energie E. Es handelt sich dann in 2 um ein einziges Leitungsnetz 6, das zwei Teilabschnitte 34a,b aufweist. Wegen der datenfreien Verbindung bleiben die beiden Teilabschnitte 34a,b jedoch datentechnisch unabhängig voneinander, bis auf das virtuelle Netzwerk 32c, welches nach dem selben Prinzip funktioniert, wie oben beschrieben.
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3 zeigt eine weitere Alternative eines Leitungsnetzes 6. Hier ist ein PLC-Element 12g als Filter 36 ausgebildet. Der Filter 36 weist keinen Datenschnittstelle 16 auf, jedoch einen Filteranschluss 20, dessen PLC-Anschluss 22a wieder datenführend und dessen Energieanschluss 22b wieder datenfrei gestaltet ist. An der Stelle des Filters 36 kann daher aus dem sonstigen Leitungsnetz 6 Energie E datenfrei in eine weitere Leitung 8k des Leitungsnetzes 6 abgezweigt werden, um einen Verbraucher 10c zu versorgen.
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3 zeigt außerdem Verbraucher 10a,b in die ein jeweiliger Client 24 als integrierbares Bauteil integriert ist. Die Verbraucher 10a,b sind komplexe Großverbraucher, hier zwei separate Bordküchen des Fluggerätes 4, hier eines Großraumflugzeuges. Die Bordküchen verfügen über interne Datennetzwerk in Form von CAN-Bussen 40. Die Datenschnittstellen 16 der PLC-Elemente 12d,f sind daher CAN-Bus-Schnittstellen, um die CAN-Busse 40 zum Austausch von Daten D mit anderen Komponenten des Flugzeuges über das Leitungsnetzwerk 6 zu verbinden. Die PLC-Elemente 12c,e weisen Datenschnittstellen 16 in Form von A429 Schnittstellen zum Austausch der Daten D mit den Datenleitungen 9c,d auf, welche als getrenntes A429 Datennetzwerk in herkömmlicher Technologie realisiert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Übertragungsanordnung
- 4
- Fluggerät
- 6
- Leitungsnetz
- 8a-k
- Leitung
- 9a-d
- Datenleitung
- 10
- Verbraucher
- 12a-g
- PLC-Element
- 14
- Knoten
- 16
- Datenschnittstelle
- 20
- Filteranschluss
- 22a
- PLC-Anschluss
- 22b
- Energieanschluss
- 24
- Client
- 30
- Endanschluss
- 32a-c
- virtuelles Netzwerk
- 34a,b
- Teilabschnitt
- 35
- Elektrotechnik
- 36
- Filter
- 40
- CAN-Bus
- D
- Daten
- E
- Energie
