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Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät der Automatisierungstechnik gemäß Anspruch 1, und einen optischen Empfänger gemäß Anspruch 5.
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Unter einem elektronischen Schaltgerät soll ein induktiver, kapazitiver, magnetischer oder optischer Näherungsschalter, ein Temperatursensor, aber auch ein Schreib-Lesegerät für einen RFID-Transponder oder ähnliches verstanden werden.
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Elektronische Schaltgeräte arbeiten in der Regel berührungslos und werden in großer Stückzahl in der Automatisierungstechnik und hier vorzugsweise in der Feldebene der Automatisierungspyramide eingesetzt. Derartige Geräte werden von der Anmelderin in verschiedenen Ausführungen hergestellt und vertrieben.
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Sie weisen einen meist an ihrer Frontseite angeordneten Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, eine Elektronikeinheit zur Auswertung des Sensorsignals und zur Erzeugung eines binären Schaltsignals oder eines digitalen oder analogen Messwerts, sowie einen elektrischen Anschluss in Form eines Steckers oder Anschlusskabels auf.
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Weiterhin besitzen sie mindestens eine LED zur Anzeige der Betriebsspannung und optional weitere LEDs oder auch ein Display zur Anzeige von Betriebsparametern, Schaltzuständen oder der gerade an die übergeordnete Steuerungs- und Prozessebene übertragenen Messwerte.
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Dazu müssen diese Geräte über eine Schnittstelle zur übergeordneten Steuerungs- und Prozessebene verfügen. Oft ist das eine (Feld-) Busschnittstelle oder sie sind sogar internetfähig. Einfachere Geräte mit einem Dreileiteranschluss können über eine 10-Link Verbindung mit der übergeordneten Ebene kommunizieren.
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Angesichts immer komplexerer Fertigungsanlagen werden die genannten Schaltgeräte in zunehmender Zahl eingesetzt, so dass bei einer Inbetriebnahme oder Fehlersuche leicht eine unübersichtliche Situation entstehen kann.
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Daraus resultiert der Wunsch, deren Funktionsfähigkeit, den aktuellen Schaltzustand und gegebenenfalls auch die aktuell an die übergeordnete Steuerung übertragenen Daten, sowie sonstige Parameter zu überprüfen.
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So wird in der
EP 2 713 228 A1 ein Verfahren zur Übertragung von Adress-, Diagnose- und Strukturdaten zwischen einem an ein Kommunikationsnetz angeschlossenen Infrastrukturgerät und einem Diagnosegerät vorgeschlagen, wobei die Daten als überlagerte codierte Symbolsequenz durch eine vorgegebene Leuchtdiode zusätzlich zu angezeigten Geräte- oder Kommunikationsstatusinformationen signalisiert werden. Das zugehörige Diagnosegerät weist eine Kamera auf, mit der eine (als Signalquelle) identifizierte Leuchtdiode optisch abgetastet wird, und aus der abgetasteten codierten Symbolsequenz die oben genannten Daten durch das Diagnosegerät ermittelt werden. Als Diagnosegerät wird ein mit einer geeigneten Software ausgerüstetes Smartphone oder ein Tablet-PC vorgeschlagen.
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Als nachteilig wird das in das Kommunikationsnetz einzubindende Infrastrukturgerät an sich, sowie die zur Einbindung notwendigen Informationen angesehen, denn das Einbinden eines Diagnosegerätes in das Kommunikationsnetz stellt insbesondere bei älteren Anlagen eine Hürde dar. Des Weiteren ist es, selbst wenn der Zugriff auf die Anlage möglich und zugelassen ist, für den Service von höchstem Interesse, zu überprüfen, ob die Daten und Parameter im Sensor mit denen in der darüber liegenden Ebene in der Automatisierungspyramide der (Fertigungs-) Anlage übereinstimmen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, den genannten Nachteil zu überwinden, Eingriffe in das Kommunikationsnetz zu vermeiden, und eine Möglichkeit zu schaffen, die Daten der angeschlossen Schaltgeräte ad hoc auszulesen und mit den im System vorhandenen Daten zu vergleichen zu können.
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Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die übrigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, ein für die Feldebene vorgesehenes elektronischen Schaltgerät zu verwenden, wobei die zur Betriebsspannungsanzeige in diesen Geräten ohnehin vorhandene LED zusätzlich auf eine in der
EP 2 713 228 A1 beschriebenen Weise mit codierten Symbolsequenzen zu beaufschlagt wird, und diese Signale mit einem Smartphone oder Tablet-PC auszulesen, was im Gegensatz zum Stand der Technik nicht in einem übergeordneten Infrastrukturgerät, sondern in einem für die Feldebene der Automatisierungspyramide vorgesehenen Schaltgerät geschieht, wobei die Modulation der LED mit einer visuell nicht wahrnehmbaren Frequenz erfolgt.
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Dieser Vorgang startet erfindungsgemäß nach dem Einschalten der Betriebsspannung (bei Erreichen der Betriebsbereitschaft) und wird während der gesamten Betriebsphase des Schaltgerätes ständig wiederholt, wobei die zu übertragenden Symbolfolge durch eine im ohnehin vorhandenen Mikrocontroller gespeicherte Software festgelegt wird.
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In vorteilhafter Weise wird die Symbolfolge schon ab Werk festgelegt, so dass kein Steuerbefehl vom Bediener oder der Steuerungs- und Prozessebene erforderlich ist.
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So wird das o. g. Infrastrukturgerät und dessen Einbindung in das Kommunikationsnetz überflüssig. Außerdem benötigt der Service-Techniker keine detaillierten Informationen über den Aufbau der industriellen Anlage, da er den Zustand und die Daten jedes Schaltgerätes einzeln auslesen kann, ohne sich im Detail mit der Bedienung des Gerätes auskennen zu müssen. Das Empfangsgerät muss nur den Code erkennen.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden die codierten Sequenzen mit von handelsüblichen Smartphones ohne weiteres erreichbaren Modulationsfrequenzen von etwa 100 Hz gesendet, was in absehbarer Zeit sicher noch bis in den kHz-Bereich erweitert werden kann.
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In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird die LED mit Rechtecksignalen mit Frequenz im Bereich von 1 bis 10 MHz moduliert, was allerdings einen für diese Signale geeigneten Spezialempfänger erfordert.
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Erfindungsgemäß wird mindestens ein aktueller Prozesswert als codierte Folge von vorzugsweise hexadezimalen Symbolen (Zahlenfolge) ausgegeben.
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Dabei soll die Kommunikation ausschließlich unidirektional erfolgen und auf ein absolutes Mindestmaß beschränkt werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Prozesswert des elektronischen Schaltgeräts für jeden Service-Techniker mit einem geeigneten optischen Empfangsgerät faktisch ohne Eingabe eines Steuerbefehls oder sonstigen Information ausgelesen werden kann. Zur Auslese ist lediglich ein optischer Kontakt erforderlich.
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Die Kosten für eine geeignete LED liegen deutlich unter denen eines Transceivers. Zusätzlicher Platzbedarf entsteht überhaupt nicht, weil die LED direkt von dem ohnehin vorhandenen Mikrocontroller moduliert werden kann. Durch die hohe Modulationsfrequenz nimmt das Auge die LED nach wie vor als kontinuierlich leuchtende LED wahr.
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Das optische Empfangsgerät kann ein Smartphone sein, dessen Kamera durch eine geeignete Applikation in die Lage versetzt wird, das von den elektronischen Schaltgerät ausgestrahlte Signal aufzunehmen, wozu nach Erkennung der oben genannte Sende-LED eine bestimmte Region der Empfangsmatrix mit der erforderlichen Frequenz ausgelesen wird.
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Alternativ kann ein optischer Empfänger mit einem für Signale im Bereich von 1 bis 10 MHz geeigneten Lichtempfangselement eigesetzt werden, welches als Handgerät etwa im Scheckkartenformat, die empfangenen Signale in ein Funksignal, beispielsweise in ein Bluetooth-Signal umwandelt, das von einem Smartphone ohne Weiteres erkannt wird.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektronische Schaltgerät mit einem Smartphone als optisches Empfangsgerät.
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Der beispielhaft als Temperaturfühler dargestellte Sensor 1 misst die Temperatur eines Mediums 10, wobei neben den bereits genannten Sensortypen auch Ultraschall-, sowie Druck- Füllstands- oder Strömungssensoren in Frage kommen.
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Die Temperaturmesswerte gelangen zu dem als Elektronikeinheit 2 wirkenden µC, der einen Analog-Digital-Wandler aufweisen kann, und zur Auswertung des Sensorsignals, sowie zur Erzeugung eines binären, digitalen oder analogen Schaltsignals geeignet ist. Zwischen dem Sensor 1 und dem Mikrocontroller 2 können weitere, nicht dargestellte Verstärker oder sonstige Elektronikbaugruppen angeordnet sein.
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Das optische Schaltgerät weist mindestens eine im sichtbaren Spektralbereich aktive LED 4, beispielsweise ein grüne LED zur Anzeige der Betriebsspannung auf, was weitere LEDs nicht generell ausschließen soll.
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Außerdem weist das optische Schaltgerät eine hier als IO-Link dargestellte dreipolige Schnittstelle 3 zur übergeordneten Steuerungs- und Prozessebene auf, ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
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Der im Schaltgerät befindliche IO-Link-Slave ist mit 5, und der außerhalb befindliche IO-Link-Master mit 6 bezeichnet. Wie angedeutet, können sowohl binäre als auch digitale Signale übertragen werden.
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Die LED 4 wird von einem Ausgang des Mikrocontrollers µC gesteuert, und sendet neben und unabhängig von ihrer eigentlichen Funktion erfindungsgemäß eine codierte Folge von Symbolen aus, die sich zyklisch wiederholt, und eine Startsequenz, eine zur Identifizierung von Nutzdaten geeignete Sequenz, eine Sequenz von Nutzdaten und schließlich eine als Prüfsumme geeignete Schlusssequenz aufweist. Die eigentlich zur Betriebsspanungsanzeige verwendete, in beinahe allen Schaltgeräten vorhandene LED 4 ist deshalb so geeignet, weil sie bei anliegender Betriebsspannung stets leuchtet, d.h. immer sendebereit ist. Ein Steuerbefehl zum Start der Symbolfolge ist nicht erforderlich.
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Als optisches Empfangsgerät 7 dient hier Smartphone, dessen Kamera 8 die Signale der LED 4 empfängt und dem Arbeitsspeicher des Smartphones übergibt.
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Durch eine geeignete Applikation (App) werden die Signale der LED 4 decodiert und auf dem Display angezeigt. Der aktuelle Prozesswert eines 4-20 mA - Signals beträgt hier 16 mA. Natürlich können auch binäre Zustände, mehrere Prozesswerte oder codierte Meldungen wie 0000 oder 9999 angezeigt werden.
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Angesichts des derzeitigen Standes der Technik wird eine Modulationsfrequenz von 100 Hz vorgeschlagen, die vom optischen Empfangsgerät 7 (Smartphone) selbständig erkannt werden kann. Einzige Voraussetzung ist, dass die Modulationsfrequenz der LED 4 unterhalb der Grenzfrequenz der Kamera 8 liegt. Bereits heute erhältliche Smartphones erreichen mit Spezialfunktionen (SloMo) Abtastraten von 120 bis zu 960 Bildern pro Sekunde.
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So kann mit einem geeigneten Smartphone jedes erfindungsgemäße Schaltgerät ohne Kenntnis der oftmals komplizieren Zusammenhänge in einer Industrieanlage ad hoc ausgelesen werden.
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Der zusätzliche materielle Aufwand für das Schaltgerät liegt praktisch bei null, denn ein Mikrocontroller 2 und eine LED 4 mit einem Vorwiderstand 9 sind ohnehin vorhanden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Modulationsfrequenz deutlich erhöht, und zwar in den für ein AS-i5-Protokoll geeigneten Bereich von 1 bis 10 MHz. Das AS-i-System ist international genormt und in dem Buch „AS-Interface - Die Lösung in der Automation“, von Rolf Becker, Verlag: AS-International Association, 2002, beschrieben.
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Es wurde vor einiger Zeit um ein erweitertes AS-i Kommunikationssignal ergänzt, das parallel zum bestehenden AS-i Signal übertragen werden kann. Dieses mit AS-i5 bezeichnete Kommunikationssignal nutzt das Frequenzspektrum im Bereich von 1 bis 10 MHz, bei dem die Kommunikation über das OFDM-Kommunikationsverfahren (OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplex) erfolgt.
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Der Vorteil besteht zum einen in der deutlich höheren Bandbreite und zum anderen darin, dass ein AS-i5-Diagnosegerät in Verbindung mit einem geeigneten optischen Empfänger genutzt werden kann.
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Eine dafür geeignete grüne Anzeige-LED 4 wäre die LT QH9G (525 nm) von OSRAM. Eine geeignete Fotodiode ist die von 400 - 1100 nm empfindliche BPX 61 ebenfalls von OSRAM, deren Schaltzeit mit 20 ns angegeben wird.
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Des Weiteren ist die Umwandlung des Signals der LED 4 in ein von einem Smartphone zu empfangendes Bluetooth-Signal möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor, zum Beispiel ein Temperatursensor
- 2
- Elektronikeinheit, z. B. Mikrocontroller µC
- 3
- Mehrpoliger Anschluss, z. B. IO-Link zur Steuerungs- und Prozessebene
- 4
- LED, zum Beispiel eine grüne LED zur Anzeige der Betriebsbereitschaft
- 5
- IO-Link-Slave
- 6
- IO-Link-Master
- 7
- Optisches Empfangsgerät, Smartphone oder Tablet-PC
- 8
- Kamera im optischen Empfangsgerät 7
- 9
- Vorwiderstand für die LED 4, symbolisch, kann auch eine Stromquelle sein
- 10
- Medium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2713228 A1 [0009, 0013]
