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Die Erfindung betrifft ein Netzwerk der Automatisierungstechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Automatisierungstechnik werden häufig herstellerübergreifende, standardisierte Kommunikationssysteme eingesetzt, um eine Kommunikation zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerungen zu ermöglichen.
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Meist sind die Kommunikationssysteme hierarchisch aufgebaut. In der Steuerungsebene, die intelligente Sensoren und Aktoren mit den Steuerungen (z. B. SPS) verbindet, werden meist Feldbusse (z. B. Profibus) oder Ethernet basierte Kommunikationssystem (z. B. ProfiNet) eingesetzt. In der untersten Feldebene mit einfachen I/O-Einheiten kann beispielsweise IO-Link eingesetzt werden.
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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 Singledrop 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 einer Mastereinheit, die als IO-Link Master über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem oder mehreren IO-Link-Geräten (I/O-Einheiten) verbunden ist. Die Mastereinheit kann als Gateway mit Schnittstelle zur überlagerten Steuerung (SPS) ausgebildet oder direkt mit in der Steuerungsbaugruppe integriert sein und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Geräten. Es gibt auch IO-Link Master ohne Feldbusverbindung und ohne SPS-Verbindung. Diese werden über eine USB-Verbindung direkt an einen PC angeschlossen z. B: ifm E30390.
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Eine Mastereinheit kann einen oder mehrere IO-Link-Ports aufweisen. An jedem Port kann aber immer nur eine I/O-Einheit (IO-Link-Gerät, Device) angeschlossen werden. Der IO-Link Standard verwendet die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und ist somit kein Feldbus im klassischen Sinne.
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Eine I/O-Einheit ist meist 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 Steuerung SPS erfolgen.
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Die Konfigurations-Parameter der Sensoren und Aktoren sind gerätespezifisch, daher gibt es für jedes IO-Link-Gerät Parameterinformationen in Form einer Gerätebeschreibung IODD (IO Device Description). Damit können IO-Link-Geräte herstellerübergreifend mit einem entsprechenden Konfigurationstool, z. B. dem Linerecorder der Fa. ifm electronic gmbh, konfiguriert werden.
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IO-Link erlaubt gemäß Spezifikation eine Kabellänge zwischen Mastereinheit und den IO-Link-Geräten von max. 20 m.
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Wie bereits erwähnt, ist es Stand der Technik mehrere IO-Link-Geräte an eine Mastereinheit anzuschließen. Die Mastereinheit kann ein Gateway darstellen und kommuniziert dann als Feldbus Slave z. B. mit einer Steuerung SPS.
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Häufig sind an eine Mastereinheit nur 4 bzw. 8 IO-Link-Geräte anschließbar.
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Jede als Gateway arbeitende Mastereinheit ME benötigt eine Feldbus- oder Ethernet-Schnittstelle.
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Normalerweise sind Sensoren als IO-Link Geräte in der Regel, wie die Norm schon sagt „small sensors or actors“, also eher einfache Sensoren oder Aktoren, wobei die Sensoren meist einen Schaltausgang aufweisen, der z. B. die Anwesenheit eines Targets in einem Überwachungsbereich signalisiert.
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Benötigt ein Anwender eine komlexere Funktionalität z. B. einen Drehzahlwächter, so muss er diese Funktionalität in der Steuerung implementieren oder gar ein externes Drehzahlwächermodul in seine Anlage einbauen (z.B. ifm DD2503). Für diese Überwachungsfunktion liefert üblicherweise ein einfacher induktiver Sensor ein alternierendes Schaltsignal (Taktsignal) als Prozesswert, dessen Frequenz propotional zur aktuellen Drehzahl ist. Dieser Prozesswert wird in der Steuerung in einem Steuerungsprogramm ausgewertet. Überschreitet die aktuelle Drehzahl z. B. einen vorgegebenen Grenzwert (max. Drehzahl) so generiert das Steuerungsprogramm oder der externe Drehzahlwächter eine Alarmmeldung. Um den Anwender über das Überschreiten des Grenzwertes zu informieren, muss das Steuerungsprogramm oder der Drehzahlwächter so programmiert sein, dass z. B. zur Signalisierung des Alarmzustandes (Überschreitung der max. Drehzahl) die Steuerung SPS einen entsprechenden Aktor ansteuert.
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In der Regel erfolgt die gesamte Datenverarbeitung in der Steuerung (SPS). Bei einer größeren Anlage erfordert die Programmierung umfassende Detailkenntnisse der gesamten Applikation.
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Bei Drehzahlwächtern kann der Sollbereich für die Drehzahl häufig erst bei der Inbetriebnahme festgelegt werden. Hierfür müsste die Programmierung der Steuerung währen des Anlageninbetriebnahme vorgenommen werden, was ebenfalls sehr aufwendig ist.
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Im konkreten Beispiel der Drehzahlüberwachung innerhalb der SPS muss aufgrund der schnellen Signalwechsel in Abhängigkeit der Drehzahl eine hohe Rechenleistung für eine aus Informationssicht recht einfache Aufgabe vorgehalten werden. Ebenso ist es anzustreben in möglichst kurzen Zeitintervallen die Sensorinformation zur SPS zu übertragen, was die Auslastung des Feldbusses stark erhöht und auch eine kürzere Zykluszeit der SPS und des Feldbusses erfordern kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Netzwerk der Automatisierungstechnik anzugeben, das die oben ganannten Nachteile nicht aufweist, das dem Anwender eine komplexere Funktionalität in einfacher Weise zur Verfügung stellt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Netzwerk der Automatisierungstechnik gemäß Anspruch 1.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, in einer I/O-Einheit (IO-Link Device) ein Programmmodul zu aktivieren, das über einen Port der I/O-Einheit eingehenden Prozesswerte eines Sensors verarbeitet und die aufbereitete Information als Ausgabewert dem IO-Link-Master und hierdurch dem gesamten Netzwerk zur Verfügung stellt. Für das Programmmodul kann eine oder mehrerer IODDs Gerätebeschreibung vorgesehen sein, dabei wird die Funktion des Gerätes über die gewählte IODD gesteuert, mit der das Programmmodul, wie ein herkömmliches IO-Link-Gerät parametriert werden kann. Alternativ können über Parameter die gewünschten Softwareteile / Funktionen im Gerät aktiviert werden. Die gewünschte Funktionalität wird in der I/O-Einheit, durch Auswahl des betreffenden Programmmoduls bereit gestellt. Dadurch kann beispielsweise eine intelligente Vorverarbeitung in der I/O-Einheit erfolgen, so dass die Schaltsignale eines induktiven Sensors als Drehzahl interprätiert und weiter gereicht werden. Alternativ kann ein Spannungswert in Temperatur umgesetzt und weiter geleitet werden. Hierdurch erfolgt einerseits eine Entlastung der SPS als auch der Mastereinheit in bezug auf die Rechenleistung.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 schematischer Darstellung ein herkömmliches Netzwerk der Automatsierungstechnik
- 2 Blockdiagramm einer typischen IO-Link Schnittstelle
- 3 Blockdiagramm eines typischen IO-Link Masters
- 4 zeigt das Netzwerk gemäß 1 in detaillierterer Form
- 5 graphische Benutzeroberfläche eines kapazitiven Sensors KQ5101
- 6 Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen I/O-Einheit
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In 1 ist ein herkömmliches Netzwerk der Automatsierungstechnik vereinfacht dargestellt.
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Wie bereits erwähnt, ist es Stand der Technik mehrere IO-Link-Geräte (Sensoren oder Aktoren) an eine Mastereinheit ME anzuschließen. Die Mastereinheit, die n SDCI- Master Schnittstellen MI1-MIn aufweist, arbeitet als Gateway. Sie kommuniziert über einen zweiten Kommunikationsstandard K2 z. B. als Feldbus Slave mit einer Steuerung SPS.
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An den Feldbus sind üblicherweise mehrere Slaves angeschlossen. Der Übersichtlichkeit halber ist in dieser Figur nur ein Slave dargestellt.
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Die Mastereinheit ME ist eine herkömmliche IO-Link-Mastereinheit
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen IO-Link 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 Gerät.
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4 zeigt das Netzwerk gemäß 1 etwas detaillierter. Die Mastereinheit ME (z. B. IO-Link Master AL1100 Fa. ifm electronic) kommuniziert als Gateway mit der Steuerung SPS über einen Feldbus oder was in 1 nicht gezeigt ist, als Station über ein Ethernet-Netzwerk. Zusätzlich zur Steuerung SPS ist noch ein Produktionsplanungstool z. B. der LINERECORDER der Fa. ifm angeschlossen.
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Drei Programmmodule mit der Bezeichnung Kommunikation, Gateway und IO-Link Master sind jeweils als Rechtecke dargestellt.
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Die Kreise symbolisieren die entsprechenden IO-Link Masterports bzw. Steckeranschlüsse typischerweise M12 (M8 oder M5 bzw. Klemmen). Einer der Ports ist mit einem IO-Link Device verbunden.
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Die ungenutzten Steckerstifte des IO-Link Masterports können auch mit einer Zusatzfunktion belegt werden. Beim IO-Link Master AL1100 ist ein zusätzlicher Port-PIN als binärer Schalteingang zum Anschluss einfacher Sensoren vorgesehen. Die eigentliche Gateway- Funktionalität besteht im Datenmapping zwischen der Feldbuskommunikation und den IO-Link Geräten über die Mastereinheit. Da an den IO-Link Masterport verschiedenartige Devices in unterschiedlichster Ausprägung und mit verschiedener Anzahl und Komplexität von Prozesswerten sowie Parametern angeschlossen werden können, gibt es gemäß IO-Link Spezifikation zu jeden IO-Link Gerät eine Gerätebeschreibungsdatei (IODD). In dieser IODD wird unter anderen beschrieben, wie die Prozessdaten des IO-Link Gerätes aufgebaut und organisiert sind und unter anderen auch welche Parameter existieren und in welchen Bereichen diese variiert werden können. Wird jetzt beispielsweise ein IO-Link Sensor an einem Masterport angeschlossen und die Mastereinheit über ein Ethernet-Netzwerk mit dem Produktionsplanungstool Linerecorder verbunden, dann fragt das Produktionsplanungstool über das Netzwerk bei der Mastereinheit nach der IO-Link Device ID des angeschlossenen Sensors. Anschließend lädt das Tool aus seiner eigenen Datenbank die Gerätebeschreibung IODD des entsprechenden Sensors.
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Das Produktionsplanungstool kann jetzt die Prozessdaten und Parameter des Sensors mit deren Bedeutung zur Anzeige bringen. Neben der IO-Link Kommunikation kann der IO-Link Masterport auch in die Betriebsart digitaler Eingang und digitaler Ausgang geschaltet werden. Dies ermöglicht den Betrieb von einfachen herkömmlichen binären Sensoren bzw. Aktuatoren.
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Erweitert kann über die Nutzung von verscheiden Device IDs bzw. Parametern eine bestimmte Funktion des Devices genutzt werden, die wiederum durch die entsprechende IODD beschrieben wird. Die Auswahl der IODD obliegt dabei dem Anwender und das Anwendertool (LR Device Fa. ifm electronic gmbh) stellt die entsprechende Funktion in Parametern und Prozessdaten zur Verfügung.
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5 zeigt eine graphische Benutzeroberfläche eines kapazitiven Sensors KQ5101 der Fa. ifm electronic gmbh gemäß der IODD Gerätebeschreibung mit einer Vielzahl von einstellbaren Parameter.
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In 6 ist ein Blockdiagramm einer I/O-Einheit für ein erfindungsgemäßes Netzwerk dargestellt. In der I/O-Einheit sind mehrere Programmmodule PM1, PM2 (virtual device) vorgesehen. Jedem Programmodul PM1, PM2 ist eine eigene DevicelD zugeordnet. Mit der I/O-Einheit sind mehrere Sensoren bzw. Aktoren verbindbar.
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Das gewünschte Programmmodul PM1 kann mit einem Bedientool einfach ausgewählt und konfiguriert werden. Das Programmmodul PM1 erlaubt somit die von dem Sensor gelieferten Prozesswerte auszuwerten und die Auswerteergebnisse als Ausgabewerte dem Netzwerk zur Verfügung zu stellen.
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Das Programmmodul PM1 ist mit der IODD 1 oder dem Parametersatz 1 (im Folgenden mit IODD1 bezeichnet) belegt. Die I/O-Einheit arbeitet anschließend mit dieser gewählten Funktion.
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Die Prozesswerte werden durch die IODD1 beschrieben und in eine aufbereitete Information umgewandelt. Mit der genutzten IODD1 kommuniziert ein IO-Link Master, der z. B. über ein Gateway und eine Kommunikationsschnittstelle Daten mit dem Netzwerk austauscht.
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Das per IODD vorgewählte und gewünschte Verhalten des Devices stellt dem Masterport die gewünschten Prozessdaten und die beschriebenen Parameter zur Verfügung. Zur Auswertung kommen vielfältige Verarbeitungsmöglichkeiten in Betracht. Es können beispielsweise Impulsauswertesysteme wie Drehzahlwächter, Frequenzzähler oder Stillstandswächter, Stromwandler, Spannungswandler etc. nachgebildet werden
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Die wesentlichen Vorteile, die das erfindungsgemäße Netzwerk bietet sind:
- • Erweiterung der Funktionalitäten einer I/O-Einheit ohne zusätzliche Hardwarekosten
- • Die Software im Device (IO-Link Stack) bleibt unverändert, lediglich die gewählte Funktion wird ausgewählt (für die Freischaltung von Funktionen ist Linzenzmodel denkbar)
- • Die Parametrierung mit den üblichen IO-Link Tool (Linerecorder, TIA-Portal, PACT ware) erfolgt für den Anwender in gewohnter Form
- • Aufgrund der intelligenten sensornahen Vorverarbeitung können auch sehr schnelle Signale erfasst und verarbeitet werden (Als Beispiel: Bei einen Drucksensor kann jeder vom Sensor gelieferte Messwert herangezogen werden um sehr kurzzeitige Druckstöße zu erfassen, drehzahlen bis zu einer Pulsfrequenz von z. B. 1000 Hz)
- • Einsparung von Device-Varianten (Gerätevarianten), wie beispielsweise Drehzahlwächter
- • Aufgrund von prozessnaher Informationsbildung durch Verarbeitung der Prozesswerte ergibt sich eine hohe Echtzeiteigenschaften der Daten
- • Nutzung der Vorteile von IO-Link für „herkömmliche“ Sensoren
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Probleme aufgrund verschiedener Abtastraten von IO-Link und Feldbussystem können verhindert werden Bei der Abstandsmessung eines bewegten Teils (z.B. Durchbiegung eines Förderbandes oder eines Antriebsriemens) treten durch die Eigenbewegung recht schnelle kurzzeitige Schwankungen [≈ms] des Messsignals auf. Die eigentlich interessante Messgröße ändert sich nur relativ langsam [>s]. Die schnellen Änderungen sind im Messsignal des Sensors welche beispielsweise im Intervall von 1ms Messwerte liefert enthalten. Die Zykluszeit der SPS und auch die des Feldbusses ist typischerweise deutlich größer 1ms. Damit wird nicht jeder Messwert des Sensors zur SPS übertragen und es kommt zur Unterabtastung (Aliasing) was sich als Rauschen oder noch schlimmer als niederfrequente Schwebung innerhalb der Messgröße bemerkbar macht. Implementiert man als intelligente Vorverarbeitung in das virtuelle Device einen „Antialiasing- Filter“ so kann die Qualität des Messwertes deutlich verbessert werden. Zusätzlich wird die SPS entlastet.
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Mit den Programmmodulen ist es möglich unterschiedliche Fähigkeiten im Device vorzuhalten bzw. für den Kunden in seiner Applikation die richtige Funktion verfügbar zu machen. In Abhängigkeit der Applikation können auch dynamische Änderungen des Devices vorgenommen werden. Diese können dann über den IO-Link-Master mittels dynamischer Portkonfigurationen erfolgen Implementierung einer oder mehrere Applikationen in IO-Link Geräten in einer zusätzlichen CPU (µC) innerhalb des IO- Link-Gerätes.
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Die Erfindung erlaubt die Implementierung von Funktionen des IO-Link Gerätes in programmierbarer Logik (FPGA, CPLD) oder fest verdrahtender Logik innerhalb des IO-Link Gerätes.
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Die Software des IO-Link Gerätes wird durch verschiedene Programmmodule innerhalb eines Betriebssystems (µC-OS) gebildet, wobei die Applikation des IO-Link Gerätes ebenfalls mindestens ein Programmmodul innerhalb des Betriebssystems darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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