DE102018109307B3 - 7Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik sowie Y-Weicheneinheit für ein solches Kommunikationssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik, mit einer Steuerung (2) als Signalempfänger und einem Sensor (3) als Signalquelle, die über eine Verbindungsleitung Spannungs- und/oder Stromsignale austauschen, wobei der Sensor (3) geeignet ist, digitale Daten nach dem IO-Link-Standard zur Verfügung zu stellen und die Steuerung (2) lediglich über einen Analog- und/oder Schaltsignaleingang verfügt.
Um es dem Anwender zu ermöglichen, auf einfache Weise auf die Daten eines in dem Kommunikationssystem befindlichen IO-Link-fähigen Sensors zugreifen zu können, wenn die Steuereinheit selbst hierfür nicht geeignet ist, ist die Kommunikationsleitung in zwei Teilleitungen unterteilt und an der Verbindungsstelle eine Y-Weicheneinheit (10) eingesetzt, wobei an der Y-Weicheneinheit (10) sensorseitig ein erster Anschluss (10a) und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss (10b, 10c) vorgesehen sind, wobei am zweiten Anschluss (10b) die Steuerung (2) und an dem dritten Anschluss (10c) ein weiterer Datenempfänger (4) angeschlossen ist und wobei die Y-Weicheneinheit (10) zum einen die digitalen Daten nach dem IO-Link-Standard des Sensors (3) am dritten Anschluss (10c) dem weiteren Datenempfänger (4) zur Verfügung stellt und zum anderen eine Auswerte- und Verarbeitungseinheit (11)umfasst, der die digitalen Daten nach dem IO-Link-Standard des Sensors (3) abgreift, daraus ein binäres Schaltsignal extrahiert und am zweiten Anschluss (10b) der Steuerung (2) zur Verfügung stellt, so dass der weitere Datenempfänger (4) die digitalen Daten des Sensors (3) abfragen und auf den Sensor (3) zugreifen kann, ohne dass die Signale zwischen dem Sensor (3) und der Steuerung (2) dadurch beeinflusst werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik, mit einer Steuerung als Signalempfänger und einem Sensor als Signalquelle, die über eine Verbindungsleitung Spannungs- und/oder Stromsignale austauschen, sowie Y-Weicheneinheit für ein solches Kommunikationssystem.
  • In der Automatisierungs- und Prozesstechnik kommen häufig Sensoren bzw. Messgeräte zum Einsatz, die den erfassten Messwert - z.B. Druck, Temperatur, Durchfluss, aber auch Abstand oder Vibration - in ein diesen Messwert repräsentierendes Ausgangssignal in Form eines analogen oder digitalen Strom- oder Spannungssignals umwandeln und dieses Signal an ihrem Kabel- oder Steckeranschluss, aber teilweise auch drahtlos zur weiteren Verarbeitung einer übergeordneten Steuereinheit anbieten, bspw. einer SPS.
  • Ein typisches Messgerät besteht zunächst aus einem Sensorelement, auch als Messwertaufnehmer bezeichnet, das der Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal dient. Des Weiteren ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die häufig als Mikrocontroller ausgeführt ist und in der die vom Sensorelement generierten Messsignale aufbereitet, d.h. verstärkt, und zumeist auch schon verarbeitet werden. Die Auswerteinheit ist ausgangsseitig mit einer Schnittstelle verbunden, über die die aufbereiteten Messsignale an die bereits erwähnte Steuereinheit in Form von binären Schaltsignalen oder Analogsignalen übertragen werden können.
  • Darüber hinaus ist in der Automatisierungstechnik die Verwendung eines Standard-Kommunikations-Schnittstellentreiber bekannt, der dem IO-Link-Standard entspricht. Der IO-Link-Standard ist ein spezielles Kommunikationssystem der Industrieautomatisierung, der zur Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren, die auch als Feldgeräte bezeichnet werden, an die Steuereinheit dient, sofern die Steuereinheit IO-Link-fähig ist, d.h. für eine derartige Kommunikation ausgelegt ist. Der IO-Link-Standard ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung „Singledrop digital communication interface for small sensors and actuators“ (SDCI) normiert. Die Standardisierung umfasst dabei sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit der IO-Link-fähigen Steuereinheit in Datenaustausch treten.
  • Heutzutage ist der weit überwiegende Anteil insbesondere der von der Anmelderin vertriebenen Sensoren IO-Link-fähig. Andererseits sind die bei den Anwendern vorhandenen Steuereinheiten vielfach nicht IO-Link-fähig und verfügen nur über einen Analog- und/oder Schaltsignaleingang, weil schlicht kein unmittelbarer Bedarf nach digitaler Kommunikation bestand. Dadurch entsteht die Situation, dass ein intelligenter, da IO-Link-fähiger Sensor an eine nicht-intelligente Steuereinheit angeschlossen ist und damit vom Sensor deutlich mehr Daten geliefert werden könnten, als von der übergeordneten Steuereinheit tatsächlich benötigt werden, um die betreffende Anlage zu steuern.
  • Im Industrie-4-Kontext entsteht aber inzwischen immer häufiger ein Bedarf, an die Daten des intelligenten Sensors zu gelangen, die von der Steuereinheit an sich nicht benötigt werden, um eine Überwachung oder Auswertung dieser Daten vornehmen zu können, ohne das eingerichtete Kommunikationssystem zwischen Steuerung und Sensor verändern bzw. austauschen zu müssen.
  • Als Stand der Technik wird zum einen das nachveröffentlichte deutsche Patent DE 102016221662 B4 genannt, aus dem ein Adapter für ein IO-Link-Signal zur Erzeugung eines analogen Signals (0..10V oder 4..20mA) aus einem IO-Link-Signal eines Feldgerätes bekannt ist, wobei das analoge Signal an ein nachfolgendes analoges Empfangsgerät weitergegeben wird.
  • Des Weiteren wird die EP 3324579 A1 genannt, die einen Y-Adapter zur Verbindung eines Feldgerätes mit einem Steuerungssystem und einem Kommunikationsgerät offenbart.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik derart weiterzubilden, dass es dem Anwender ermöglicht, auf einfache Weise auf die Daten eines in dem Kommunikationssystem befindlichen IO-Link-fähigen Sensors zugreifen zu können, wenn die Steuereinheit selbst hierfür nicht geeignet ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Y-Weicheneinheit für ein solches Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist die Kommunikationsleitung, über die die Steuerung an ihrem Analog- oder Schaltsignaleingang und ein Sensor miteinander verbunden sind, in zwei Teilleitungen unterteilt und an der Verbindungsstelle eine Y-Weicheneinheit eingesetzt. Der Begriff ,Y-Weicheneinheit‘ ergibt sich aus der Tatsache, dass sensorseitig ein erster Anschluss und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss vorgesehen sind. Dabei ist am zweiten Anschluss die Steuerung und an dem dritten Anschluss ein weiterer Datenempfänger angeschlossen.
  • Die Y-Weicheneinheit stellt zum einen die digitalen Daten nach dem IO-Link-Standard des Sensors am dritten Anschluss dem weiteren Datenempfänger zur Verfügung. Zum anderen umfasst die Y-Weicheneinheit eine Auswerte- und Verarbeitungseinheit, die gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung eine Abtasteinheit, einen Mikrocontroller und eine Verstärkereinheit umfasst. Die Auswerte- und Verarbeitungseinheit greift die digitalen IO-Link-Daten des Sensors ab, analysiert das Protokoll, extrahiert daraus das ursprüngliche binäre Schaltsignal und stellt dieses schließlich am zweiten Anschluss der Steuerung zur Verfügung. Dadurch kann nun der weitere Datenempfänger die digitalen Daten des Sensors abfragen, ohne dass die Schnittstelle zwischen dem Sensor und der Steuerung dadurch beeinflusst wird. Entscheidend dabei ist also, dass die Signale vom ersten Anschluss zum dritten Anschluss, d.h. vom Sensor zu dem weiteren Datenempfänger, in der Y-Weicheneinheit direkt und unverändert weitergegeben, sozusagen durchgeschleift werden, während die Verbindung zwischen erstem und zweitem Anschluss, d.h. vom Sensor zur Steuerung, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Signale hier in der Y-Weicheneinheit über die Auswerte- und Verarbeitungseinheit geführt werden und dort das binäre Schaltsignal aus dem digitalen IO-Link-Signal entnommen wird.
  • Im Ergebnis ist es dem Anwender nun möglich, auf die digitalen Kommunikationsdaten eines in dem Kommunikationssystem befindlichen IO-Link-fähigen Sensors zugreifen zu können, während die nicht-intelligente Steuereinheit davon unbeeinflusst weiterhin die binären Schaltsignale des Sensors empfangen kann.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der weitere Datenempfänger eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Firmennetzwerk und/oder einem tragbaren Datenverarbeitungsgerät (Tablet, Smartphone, Laptop etc.) aufweist. Die Verbindung kann dabei drahtgebunden, bspw. über LAN oder USB, aber auch drahtlos, bspw. via Bluetooth oder WLAN, erfolgen. Damit besteht die Möglichkeit, die Sensordaten aus dem Datenempfänger auslesen und weiter verarbeiten zu können. Die Sensordaten sind dann - unabhängig voneinander - sowohl im Steuerungsnetz als auch in einem herkömmlichen Firmennetzwerk bzw. auf mobilen Datenverarbeitungsgeräten verfügbar, und das trotz einer häufig geforderten strikten Trennung dieser beiden Netze.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1 ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik und
    • 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Y-Weicheneinheit.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem 1 der Automatisierungs- und Prozesstechnik dargestellt. Im Mittelpunkt steht eine Y-Weicheneinheit 10 mit drei Anschlüssen 10a, 10b, 10c, wobei ein erster Anschluss 10a sensorseitig angeordnet ist und die anderen beiden Anschlüsse 10b, 10c steuerungsseitig angeordnet sind.
  • An dem ersten Anschluss 10a ist ein Sensor 3 angeschlossen. Dabei kann es sich um jedwede Art von Sensor bzw. Messgerät handeln, der bzw. das in der Automatisierungs- und Prozesstechnik üblich ist, insbesondere ein Druck-, Temperatur-, Strömungs- oder Füllstandsensor. Entscheidend ist, dass es sich dabei um einen intelligenten Sensor handelt, der eigentlich zum Austausch von digitalen Daten mit einer Steuerung, bspw. einer SPS, nach dem IO-Link-Standard geeignet ist. Neben den reinen Messdaten sind damit vor allem Daten gemeint, die den Sensor selbst kennzeichnen, wie z.B. eine Seriennummer, eine Kennung, Diagnose- oder Parameterdaten. Wenn die Steuereinheit 2 jedoch lediglich über einen Analog- und/oder Schaltsignaleingang verfügt und damit nicht für die IO-Link-Kommunikation geeignet ist, würden diese zusätzlichen Daten ungenutzt bleiben, da sie von der nicht-intelligenten Steuerung 2 nicht abgerufen bzw. verarbeitet werden können.
  • Durch das Einsetzen der Y-Weicheneinheit 10 zwischen Sensor 3 und Steuerung 2 ist es dem Betreiber einer solchen Kommunikationsanlage nun auf einfache Weise möglich, an diese zusätzlichen Kommunikationsdaten des Sensors 3 zwecks Überwachung oder Auswertung zu gelangen. Die Steuerung 2 ist am zweiten Anschluss 10b und der weitere Datenempfänger 4 am dritten Anschluss 10c an der Y-Weicheneinheit 10 angeschlossen. Bei dem Datenempfänger 4 handelt es sich insbesondere um einen IO-Link-Master.
  • Denkbar ist, die Verbindung zwischen der Y-Weicheneinheit 10 und dem weiteren Datenempfänger 4 auch drahtlos auszugestalten, wodurch sich ein hohes Maß an Flexibilität ergibt.
  • Der Datenempfänger 4 weist optional, deswegen gestrichelt dargestellt, eine Schnittstelle 5 zur Verbindung mit einem Firmennetzwerk 5a und/oder einem tragbaren Datenverarbeitungsgerät (Tablet, Smartphone, Laptop etc.) auf. Die Verbindung kann dabei drahtgebunden, bspw. über LAN, USB, oder drahtlos, bspw. via Bluetooth oder WLAN, erfolgen. Damit besteht die Möglichkeit, die Sensordaten aus dem Datenempfänger 4 auslesen und weiter verarbeiten zu können. Die Sensordaten sind dann - unabhängig voneinander - sowohl im Steuerungsnetz 2 als auch in einem herkömmlichen Firmennetzwerk 5a bzw. auf mobilen Datenverarbeitungsgeräten verfügbar.
  • In 2 ist die Y-Weicheneinheit 10 detailliert in Form eines Blockschaltbilds dargestellt. Die drei Anschlüsse 10a, 10b, 10c umfassen jeweils vier Pins, wobei mit „+“ und „-“ jeweils die positive bzw. negative Betriebsspannung gemeint ist. Um die Figur nicht zu überfrachten wurde auf eine explizite Verdrahtung dieser Pins verzichtet und die Anschlussmöglichkeiten daher nur angedeutet. Des Weiteren gibt es jeweils einen Pin für den Abgriff der erfassten Messwerte, hier beispielhaft in Form eines Analogsignals, sowie einen Pin, über den digitale Signale nach dem IO-Link-Standard bzw. binäre Schaltsignale (SIO: Serial Input Output) übertragen werden. Das Analogsignal wird durchgeschleift und ist hier nur optional dargestellt; das Hauptaugenmerk liegt auf dem vierten Pin, über den das digitale bzw. binäre Signal übertragen wird.
  • Wie aus 2 zu entnehmen ist, wird die Leitung für das IO-Link-Signal aufgeteilt und zum einen direkt dem dritten Anschluss 10c zugeführt, an dem der Datenempfänger 4 angeschlossen ist, und zum anderen dem zweiten Anschluss 10b zugeführt, an dem die Steuerung 2 angeschlossen ist, wobei das IO-Link-Signal zuvor noch einer Auswerte- und Verarbeitungseinheit 11 zugeführt wird, die eine Protokollabtastung 11a, einen Protokollanalysator 11b und eine Verstärkereinheit 11c umfasst.
  • Die Protokollabtastung 11a ist bevorzugt als Hardwareschaltung ausgeführt und tastet das digitale IO-Link-Signal ab, das am Sensor-Anschluss 10a anliegt und führt es dem Protokollanalysator 11b zu. Der Protokollanalysator 11b ist als Mikrocontroller mit integriertem IO-Link Stack ausgeführt, der dazu genutzt wird, das Protokoll zu interpretieren um daraus die enthaltenen Schaltinformationen herauszufiltern. Die Verstärkereinheit 11c ist bevorzugt wieder als Hardwareschaltung ausgeführt und dient dazu, die Schaltsignale wieder in der für die Steuerung 2 verständlichen Form aufzubereiten. Das aufbereitete Schaltsignal wird dann der Steuerung 2 am zweiten Anschluss 10b zur Verfügung gestellt.
  • Die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 10a und dem dritten Anschluss 10c, an dem der Datenempfänger 4 angeschlossen ist, ist durch die zwei gegensätzlich gerichteten Pfeile als bidirektionale Kommunikationsleitung gekennzeichnet. D.h. dem IO-Link-Master als der weitere Datenempfänger 4 ist es auch möglich, auf den Sensor 3 zuzugreifen und dort bspw. eine Parametrierung vorzunehmen. Auf den Verbindungen zwischen dem ersten Anschluss 10a und dem zweiten Anschluss 10b ist jeweils nur eine Signalübertragung vom Sensor 3 zur Steuerung 2 möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kommunikationssystem
    2
    Steuerung, SPS
    3
    Sensor
    4
    Datenempfänger
    5
    Schnittstelle
    5a
    Firmennetzwerk
    10
    Y-Weicheneinheit
    10a
    erster Anschluss
    10b
    zweiter Anschluss
    10c
    dritter Anschluss
    11
    Auswerte- und Verarbeitungseinheit
    11a
    Abtasteinheit
    11b
    Protokollanalysator/Mikrocontroller
    11c
    Verstärkereinheit

Claims (5)

  1. Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik, mit einer Steuerung (2) als Signalempfänger und einem Sensor (3) als Signalquelle, die über eine Verbindungsleitung Spannungs- und/oder Stromsignale austauschen, wobei der Sensor (3) geeignet ist, digitale Daten nach dem IO-Link-Standard zur Verfügung zu stellen und die Steuerung (2) lediglich über einen Analog- und/oder Schaltsignaleingang verfügt, wobei die Verbindungsleitung in zwei Teilleitungen unterteilt ist und an der Verbindungsstelle eine Y-Weicheneinheit (10) eingesetzt ist, wobei an der Y-Weicheneinheit (10) sensorseitig ein erster Anschluss (10a) und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss (10b, 10c) vorgesehen sind, wobei am zweiten Anschluss (10b) die Steuerung (2) und an dem dritten Anschluss (10c) ein weiterer Datenempfänger (4) angeschlossen ist, und wobei die Y-Weicheneinheit (10) zum einen die digitalen Daten nach dem IO-Link-Standard des Sensors (3) am dritten Anschluss (10c) dem weiteren Datenempfänger (4) zur Verfügung stellt und zum anderen eine Auswerte- und Verarbeitungseinheit (11) umfasst, die die digitalen Daten nach dem IO-Link-Standard des Sensors (3) abgreift, daraus ein binäres Schaltsignal extrahiert und am zweiten Anschluss (10b) der Steuerung (2) zur Verfügung stellt, so dass der weitere Datenempfänger (4) die digitalen Daten des Sensors (3) abfragen und auf den Sensor (3) zugreifen kann, ohne dass die Signale zwischen dem Sensor (3) und der Steuerung (2) dadurch beeinflusst werden.
  2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Verarbeitungseinheit (11) eine Abtasteinheit (11a), einen Mikrocontroller (11b) und eine Verstärkereinheit (11c) umfasst.
  3. Kommunikationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrocontroller (11b) einen Protokollanalysator sowie einen Protokollstack nach dem IO-Link-Standard umfasst.
  4. Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Datenempfänger (4) eine Schnittstelle (5) zur Verbindung mit einem Firmennetzwerk (5a) und/oder einem tragbaren Datenverarbeitungsgerät aufweist.
  5. Y-Weicheneinheit für ein Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik, das eine Steuerung (2) als Signalempfänger und einen Sensor (3) als Signalquelle umfasst, wobei über eine Verbindungsleitung Spannungs- und/oder Stromsignale ausgetauscht werden und der Sensor (3) geeignet ist, digitale Daten nach dem IO-Link-Standard zur Verfügung zu stellen und die Steuerung (2) lediglich über einen Analog- und/oder Schaltsignaleingang verfügt, wobei sensorseitig ein erster Anschluss (10a) und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss (10b, 10c) vorgesehen sind, wobei der zweite Anschluss (10b) zur Verbindung mit der Steuerung (2) vorgesehen ist und der dritte Anschluss (10c) zur Verbindung mit einem weiteren Datenempfänger (4) vorgesehen ist, und wobei die Y-Weicheneinheit (10) zum einen die digitalen Daten nach dem IO-Link-Standard des Sensors (3) am dritten Anschluss (10c) dem weiteren Datenempfänger (4) zur Verfügung stellt und zum anderen eine Auswerte- und Verarbeitungseinheit (11) umfasst, die die digitalen Daten nach dem IO-Link-Standard des Sensors (3) abgreift, daraus ein binäres Schaltsignal extrahiert und am zweiten Anschluss (10b) der Steuerung (2) zur Verfügung stellt, so dass der weitere Datenempfänger (4) die digitalen Daten des Sensors (3) abfragen und auf den Sensor (3) zugreifen kann, ohne dass die Signale zwischen dem Sensor (3) und der Steuerung (2) dadurch beeinflusst werden.
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