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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorseitigen Einstellung des vom Signaleingang einer übergeordneten Steuerungseinheit der Automatisierungstechnik erwarteten Signaltyps gemäß dem einleitenden Teil des Anspruchs 1.
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Es gibt Sensoren in der Automatisierungstechnik, die erlauben die Ausgabe eines in der Automatisierungstechnik üblichen 4-20 mA Analogsignals. Dieses Analogsignal wird üblicherweise an eine Steuerung, die eine Anlage oder ein Prozess steuert, weitergeleitet und dort verarbeitet.
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Heutzutage werden immer mehr Sensoren eingesetzt, die nicht mehr nur einen Messwert übertragen können, sondern die auch mit der Steuerungseinheit kommunizieren können. Hierfür können verschiedene Kommunikationssystem wie z. B. Profibus für komplexere oder IO-link für einfachere Sensoren/Aktoren 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 einem IO-Link-Master z. B. einer übergeordneten Steuerungseinheit, der über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem oder mehreren IO-Link-Devices (Geräten) verbunden ist. Ein IO-Link-Master kann einen oder mehrere IO-Link-Ports haben, an jedem Port kann aber nur ein IO-Link-Device angeschlossen werden. IO-link verwendet Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und ist somit kein Feldbus im klassischen Sinne.
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Ein IO-Link-Device (IO-Link-Device) ist ein intelligenter Sensor oder Aktor. Intelligent heißt im Hinblick auf IO-Link, dass ein Gerät z. B. eine Seriennummer oder Parameterdaten (z. B. Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien) besitzt, die über das IO-Link-Protokoll lesbar bzw. schreibbar sind. Das Ändern von Parametern kann damit z. T. im laufenden Betrieb durch die Steuerungseinheit z. B. eine SPS erfolgen.
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Die Konfigurations-Parameter der Sensoren und Aktoren sind gerätespezifisch, daher gibt es für jedes Gerät Parameterinformationen in Form einer IODD (IO Device Description).
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Mit Hilfe von IO-Link können Sensoren automatisch parametriert, Anlagenzustände diagnostiziert und Messwerte verlustfrei übertragen werden.
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Insbesondere aus Kostengründen möchte der Anwender möglichst wenig verschiedene Geräte auf Lager halten. Auch für den Hersteller von Sensoren ist es aufwendig unterschiedliche Geräte zu produzieren.
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Es werden deshalb zunehmend Sensoren produziert und eingesetzt, die unterschiedliche Ausgangssignale, die die Steuerung erwartet (Analog bzw. Digital), bereitstellen können.
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Problematisch hierbei ist, dass bei der Inbetriebnahme der Anlage, der Sensor von Hand entweder über das Bedienmenü oder über ein separates Bedientool konfiguriert werden muss, um das von der Steuerung erwartet Sensorsignal zu aktivieren.
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Steuerungen erwarten an ihren Eingängen definierte Signale, die dem Eingangstyp (Analog/IO-Link) entsprechen müssen. An einem bestimmten Eingang einer Steuerung wird deshalb entweder ein analoges Stromsignal oder ein IO-Link Signal (SIO-Mode oder respektive IO-Link) erwartet.
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Der Anwender muss den Typ des Eingangs der Steuerung kennen, bevor er den Sensor mit der passenden Schnittstelle anschließen kann. Der Anschluss eines Sensors mit einer nicht zum Eingangstyp der Steuerung passenden Schnittstelle kann schwerwiegende Folgen haben, wie z. B. Anlagenstillstand oder Zerstörung der Eingangskarte der Steuerung. Insbesondere wenn ein Sensor z. B. in der Spätschicht ausfällt und kein qualifiziertes Personal mehr vor Ort zur Verfügung steht, kann die Wahl des falschen Sensors schwerwiegende Folgen haben und zu längeren Anlagenstillständen führen.
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Außerdem fordert die Näherungsschalternorm eine Bereitschaftsverzögerungszeit von maximal 300 msec für die Ausgabe eines qualifizierten Signals bei einem induktiven Sensor nach dem Anschluss an die Versorgungsspannung.
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In vielen Anwendungsbereichen erwartet der Anwender eine ähnlich schnelle Bereitschaft eines Sensors.
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Erhält eine Steuerung innerhalb einer gewissen Zeit nach dem Anschluss des Sensors kein qualifiziertes Signal vom Sensor, kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Steuerung als Fehler einen Kabelbruch annimmt und dies wiederum zu einem Anlagenstillstand führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es Verfahren zur sensorseitigen Einstellung des vom Signaleingang einer übergeordneten Steuerungseinheit der Automatisierungstechnik erwarteten Signaltyps anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das einfach und kostengünstig realisierbar ist.
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Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegeben Verfahren gelöst.
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Die wesentliche Idee der Erfindung ist es, wenn der Sensor mit der Steuerungseinheit verbunden ist, sensorseitig ein variables Stromsignal zu generieren und aus dem zugehörigen Spannungssignal auf den von der Steuerungseinheit erwarteten Signaltyp zu schließen und den Signalausgang am Sensor automatisch entsprechend einzustellen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 schematische Darstellung einer Kommunikationsverbindung IO-link Master - IO-link Device
- 2 zeigt ein IO-link Device in schematischer Darstellung
- 3 zeigt eine herkömmliche PHY-Einheit in detaillierterer Form
- 4 Blockdiagramm eines IO-link Masters mit Anschlüssen für zwei IO-link Devices
- 5 Spannungs-Zeit-Verlauf bei einem masterseitigen Wake-up Request
- 6 - 8 Kennlinienverläufe bei verschiedener Eingangskarten
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kommunikationsverbindung zwischen einem IO-link Master und einem IO-link Device, das als Sensor ausgebildet ist.
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Dabei sind das IO-link Device und der IO-link Master über je ein 3-Leiterkabel, das eine Signal-/Datenleitung C/Q und zwei Versorgungsleitungen L+, L- aufweist, miteinander verbunden. Die Datenübertragung erfolgt nach dem Master/Slave-Prinzip und ist in dem IO-Link-Standard definiert. Die Komponenten weisen jeweils einen Mikrocontroller mit einer UART-Schnittstelle C/Q auf. Typischerweise sind die UART-Schnittstellen in die Mikrocontroller integriert.
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2 zeigt ein Blockdiagramm eines um wenige Schaltungselemente ergänzte IO-Link Device mit einer Sensor/Aktor-Einheit, einem Mikrocontroller und einer IO-link PHY-Einheit mit einer Port-Einheit für die externen Anschlüssen L+, L- (GND) und C/Q.
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Über einen Schalter SW kann der Ausgang 4 alternativ mit einem Stromregler SR verbunden werden. Der Stromregler SR kann vom Mikrocontroller µC angesteuert werden.
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Der Spannungspegel am Ausgang 4 wird über einen A/D Spannungswandler zurückgelesen.
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3 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen IO-link Schnittstelle (IO-Link PHY-Einheit) mit den externen Anschlüssen L+, L- und C/Q in noch detaillierterer Form.
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4 zeigt ein Blockdiagramm eines IO-Link Masters mit zwei externen Anschlüssen L+1, L-1 und CQ1 sowie den Anschlüssen L+2, L-2 und CQ2 für jeweils ein IO-Link Device.
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In 5 zeigt den Spannungs-Zeit-Verlauf bei einem masterseitigen Wake-up-Request. Ist der Port des Masters auf IO-Link Modus eingestellt, versucht der IO-Link Master mit dem angeschlossenen IO-Link Device zu kommunizieren. Dazu sendet der IO-Link Master ein definiertes Signal (Wake up Impuls) und wartet auf die Antwort des IO-Link Devices. Die Wake-up-Prozedur ist u. a. in den IO-Link Communication Specification Version 1.0 January 2009 Order No: 10.002 beschrieben.
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Ist der Sensor im IO-Link Modus, d.h. der Schalter SW verbindet den Ausgang 4 (Port) mit C/Q Anschluss der IO Link PHY gilt folgendes für eine typische Wake-up-Prozedur:
- IO-Link sieht prinzipiell nur schaltende Ausgänge vor.
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Der Schaltausgang C/Q am IO-Link Device liefert maximal 200 mA.
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Der zugehörige IO-Link Master weist einen digitalen Eingang nach IEC 61131-2 auf. Dieser digitale Eingang arbeitet als Stromsenke von 5 bis 15 mA, je nach anliegendem Spannungspegel.
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Die Erkennungspegel für ein High / Low Signal liegen zwischen 10,5 bis 13 V (High) und 8 bis 11,5 V (Low).
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Um die C/Q Leitung in den hochohmigen Zustand zu überführen, wird ein Strom / Spannungsereignis von 80µs Dauer und maximal 500 mA in der entgegengesetzten Polarität auf der C/Q-Leitung vom Master eingeprägt.
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Das IO-Link Device erkennt dies als Kurzschluss und deaktiviert die Treiberstufe des Ausganges. Damit ist die Leitung hochohmig, d.h. nur die Stromsenke im IO-Link Master ist aktiv. Die Kommunikation kann jetzt gestartet werden.
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Ist der Sensor jedoch im Analogmodus, d.h. der Schalter SW verbindet den Ausgang (Port) 4 mit dem Stromregler SR, ist eine Erkennung des Wake-up-Signals Device-seitig aus folgender Gründe nicht möglich.
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Der verfügbare Strom ist mit 20 mA sehr gering
- • Es wird im Normalfall nicht die Spannung am Port zurückgelesen.
- • Selbst wenn die Spannung am Port zurückgelesen würde, so ist diese nicht eindeutig, da die Signalerkennungspegel im Master überlappend und mit einer Hysterese versehen sind. Das IO-link Device kann keinen Rückschluss auf den erkannten Pegel im Master ziehen.
- • Aufgrund des variablen Stromes variiert die Spannung am Port ohne Einflussnahme des Masters, dies verhindert ebenfalls zusammen mit der variablen Stromsenke im Master die Erkennung am IO-Link Device.
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Nachfolgend werden die verschiedenen Anschlussarten für ein IO-Link Device mit Analogausgang beschrieben und wie diese über eine variable Stromeinspeisung erkannt werden.
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Keine Verbindung zum IO-Link Master
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Das Device-seitig generierte variable Stromsignal erzeugt aufgrund der sehr hochohmigen masterseitigen Anbindung schon bei Strömen wesentlich kleiner als 4 mA einen vollen Spannungshub zu dem der Analogausgang fähig ist, maximal entspricht dies der Versorgungsspannung, üblicherweise 10 V (8).
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Analog-Eingangskarte auf Seiten des Masters
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Analog-Eingangskarten weisen einen bestimmten Widerstand auf. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand kann sensorseitig gemessen werden. Bsp. Siemens ET200SP Analogeingangskarte (6ES7134-6GD00-0BA1) mit 100 Ohm ( 6)
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IO-Link Masterport auf Seiten des Masters
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Hier ist ein IEC 61131-2 Typ Eingang definiert.
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Stromsenke von 5 bis 15 mA, je nach anliegender Spannung
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Die Erkennungspegel für ein High / Low Signal liegen zwischen 10,5 bis 13 V (High) und 8 bis 11,5 V (Low). Alle Kennlinien zeigen einen ähnlichen Signalverlauf, bis auf den masterseitigen Profibus-Eingang, der eine flachere Kennlinie zeigt (7)
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Remote-Digitaleingang auf Seiten des Masters
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Dieser verhält sich im groben wie ein IO-Link Masterport, die Stromstärken können jedoch leicht abweichen. Auch hier ist eine nichtlineare Kennlinie gegeben (7).
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben
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Das IO-Link Device testet nach dem Einschalten (PowerUp) die Kennlinie des angeschlossenen Ports, dabei werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt.
- a) Einspeisung eines variablen Stromsignals I(t) am Signalausgang SA (Port 4)
- b) Erfassung des dem Stromsignal I(t) zugeordneten Spannungssignals U(t)
- c) Auswertung des Strom-Spannungs-Signalverlaufs
- d) Zuordnung des Signaltyps der von der übergeordneten Steuereinheit erwartet wird, aufgrund charakteristischen Eigenschaften des gemessenen Strom-Spannungs-Signalverlaufs
- e) Einstellung des Device-seitig wählbaren Signaltyps am Signalausgang der Sensoreinheit SA entsprechend dem ermittelten Signaltyp, so dass der am Sensor ausgegebene Signaltyp dem von der übergeordneten Steuerungseinheit erwarteten Signaltyp entspricht.
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Hierzu wird im Device die Spannung am Signalausgang SA (Port 4) gemessen. Der Ausgangsstrom wird in Schritten von 0 bis max 20 mA erhöht und jeweils die resultierende Portspannung zurückgelesen.
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Aufgrund der unterschiedlichen Strom-Spannungskennlinie ist eine eindeutige Identifikation möglich.
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Solange nur eine offene Verbindung detektiert wird, wird zyklisch der Test wiederholt. Wird eine der anderen Kennlinien erkannt, so wird der Ausgang entsprechend in seiner gewünschten Eigenschaft als Analogausgang oder Schaltausgang bzw. IO-Link-Ausgang dauerhaft bis PowerDown aktiviert.
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Dier Erfindung ermöglicht in einfacher Weise eine automatische Anpassung des Sensorausgangs an den masterseitig erwarteten Signaltyp, wobei insbesondere die IO-Link-Spezifikationen eingehalten werden.
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Auch nicht fachlich speziell ausgebildete Kräfte können einen Sensortausch ausführen, ohne dass ein längerer Anlagenstillstand in Kauf genommen werden muss.
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Die Erfindung ist besonders für 2-fach Analoggeräte wie z. B. das Produkt ifm SM6004 geeignet, weil hier alle vier Anschlusspunkte im Device belegt sind. Die Hersteller hier die ifm electronic gmbh müsste eine Vielzahl von verschiedenen Varianten dieses Produkts auf Lager halten. Erfindungsgemäß ist nur noch ein Produkt erforderliche.
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Mit der Erfindung wird auch ein Schutz der Steuerungs-seitigen Analogeingänge gewährleistet. Diese können nämlich zerstört werden, wenn ein strom kräftiges Schaltsignal auf eine Analogeingangskarte gegeben wird.
