-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der zuverlässigen Funktion eines automatisierungstechnischen Prozesses innerhalb eines IO-Link-Systems.
-
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 Kommunikationsschnittstelle verbunden, über die die aufbereiteten Messsignale an die bereits erwähnte Steuereinheit 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. Der IO-Link-Standard ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung „Single-drop 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 Steuereinheit in Datenaustausch treten. Ein IO-Link-System besteht dabei neben der Steuereinheit aus einem IO-Link-Master und einem oder mehreren IO-Link-Devices bzw. -Geräten in Form der Sensoren und/oder Aktoren. Der IO-Link-Master stellt die Schnittstelle zu der übergeordneten Steuereinheit zur Verfügung und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Devices.
-
Für den Betreiber einer derartigen Anlage ist es wichtig zu wissen, dass einerseits Daten vom Device zur Steuereinheit (bei Sensoren bspw. die gemessenen Prozessdaten) in der Steuereinheit richtig verarbeitet werden und andersherum auch Daten von der Steuereinheit zum Device (bspw. Parametrierdaten) beim Device richtig empfangen werden. Hierfür waren bislang vergleichsweise aufwendige Test- und Kalibrierverfahren notwendig, die in einem IO-Link-System in praktikabler Weise nicht möglich waren.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, in einem IO-Link-System auf einfache Weise festzustellen, ob die Steuereinheit bzw. das IO-Link-Device abhängig von den empfangenen Daten den Vorgaben entsprechend reagiert.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Im Mittelpunkt der Erfindung steht ein Kommunikationsmodul, das neben der Steuereinheit und dem IO-Link-Master Teil eines IO-Link-Systems ist und dabei über eine Kommunikationsleitung mit dem IO-Link-Master verbunden ist. Dieses Kommunikationsmodul umfasst einen Mikrocontroller, in dem ein IO-Link-Device in Form eines Sensors oder Aktors softwaremäßig nachgebildet ist. Aus Sicht der Steuereinheit ergibt sich dadurch die gleiche Situation, als wenn statt des Kommunikationsmoduls ein IO-Link-Device angeschlossen wäre.
-
Die softwaremäßige Nachbildung muss sich gegenüber dem IO-Link-Master wie das „echte“ Device verhalten, d.h. sämtliche Identifikationsdaten, wie z.B. die Gerätekennungen sowie Art und Größe der Prozessdaten, müssen mit denen des nachgebildeten Devices übereinstimmen. Diese Identifikationsdaten sind im IO-Link-Master hinterlegt und während des Initialisierungsprozesses werden die vom Device bzw. dessen Nachbildung abgefragten Identifikationsdaten mit den hinterlegten verglichen. Nur bei einer Übereinstimmung ist eine Kommunikation zwischen IO-Link-Master und Device bzw. dessen Nachbildung möglich.
-
Die Überprüfung der sicheren Funktion des automatisierungstechnischen Prozesses innerhalb des IO-Link-Systems erfolgt nun, indem die softwaremäßige Nachbildung des IO-Link-Devicesim Mikrocontroller des Kommunikationsmoduls vom Anwender, bevorzugt über eine Eingabeeinheit, derart manipulierbar ist, dass am steuerungsseitigen Anschluss des Kommunikationsmoduls bestimmte Zustände des IO-Link-Devices, d.h. Situationen, in denen sich das IO-Link-Device befindet, simuliert werden.
-
Kern der Erfindung ist es also, wahlweise der Steuereinheit oder dem Device Daten zu senden, die nicht in einer Testumgebung real hervorgerufen werden müssen, sondern künstlich simuliert werden können. Dadurch können insbesondere extreme und sicherheitskritische Zustände nachgespielt werden und dabei die Reaktion der gesamten Anlage beobachtet werden, ob sie im Realfall erwartungsgemäß reagieren würde. Dabei ist sowohl das Verhalten der Steuereinheit von Interesse als auch die resultierende Ansteuerung des Devices.
-
Wenn von der Kommunikation zwischen Steuereinheit und Kommunikationsmodul bzw. Device die Rede ist, erfolgt diese selbstverständlich über den IO-Link-Master.
-
Bei den genannten Daten, die zwischen der Steuereinheit und dem Kommunikationsmodul bzw. dem Device ausgetauscht werden, handelt es sich insbesondere um Prozessdaten und um Eventdaten. Prozessdaten sind Messwerte, wenn es sich bei dem Device um einen Sensor handelt, oder um Steuerungsdaten, wenn das Device ein Aktor ist. Die Eventdaten enthalten Informationen zum aktuellen Zustand bzw. der „Gesundheit“ des Devices. Hinzukommen können aber auch azyklische Daten, bspw. in Form von Parametrierdaten.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei Prozessdaten nicht um einzelne statische Werte, sondern um einen Verlauf von Prozesswertdaten, insbesondere um einen dynamischen Verlauf von Prozesswertdaten. Damit ist es möglich, bspw. auch sehr schnelle Prozesswertänderungen mit hohen Gradienten zu simulieren.
-
Das Kommunikationsmodul kann neben dem steuerungsseitigen Anschluss zusätzlich auch einen deviceseitigen Anschluss aufweisen, so dass das Kommunikationsmodul in die vorhandene Kommunikationsleitung zwischen Steuereinheit und Device eingesetzt und nur im Bedarfsfall aktiviert werden kann.
-
Zur Umsetzung des Erfindungsgedankens ist das Vorhandensein des Devices nicht erforderlich, so dass das Kommunikationsmodul das Device vollständig ersetzt. Der Vorteil, wenn das originäre, nachzubildende IO-Link Device und das Kommunikationsmodul miteinander kommunikativ verbunden sind, besteht darin, dass das Kommunikationsmodul die Identifikationsdaten vom IO-Link Device automatisch auslesen kann, ohne dass es dafür eines manuellen Eingriffs bedarf.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
-
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
-
In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines IO-Link-Systems 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Grundsätzlich besteht ein in der Automatisierungs- und Prozesstechnik typisches IO-Link-System 1 im Wesentlichen aus einer Steuereinheit 2 (SPS), einem IO-Link-Master 3 und einem IO-Link-Device 4, welches als Sensor oder Aktor ausgeführt sein kann. Erfindungsgemäß wird nun das IO-Link-Device 4 durch ein Kommunikationsmodul 10 ersetzt.
-
Das Kommunikationsmodul 10 besteht im Wesentlichen aus einem Mikrocontroller 11 mit einem IO-Link-Stack, einer Eingabeeinheit 12 und zumindest einem ersten Anschluss 10a, über den das Kommunikationsmodul 10 mittels einer Kommunikationsleitung 5 mit dem IO-Link-Master 3 kommunikativ verbunden ist. Kommunikativ bedeutet hier, dass neben der Energieversorgung des Kommunikationsmoduls 10 über die Leitung 5 auch der Datenaustausch über ein digitales Kommunikationsprotokoll gemäß dem IO-Link-Standard zwischen der Steuereinheit 2 und dem Kommunikationsmodul 10 möglich ist.
-
Wie bereits erwähnt soll das IO-Link-Device 4 erfindungsgemäß durch das Kommunikationsmodul 10 ersetzt werden. Hierzu wird das IO-Link-Device 4 in dem Kommunikationsmodul 10 softwaremäßig nachgebildet, so dass dem IO-Link-Master 3 und damit der Steuereinheit 2 vorgegeben wird, sie würden nach wie vor mit einem „echten“ Sensor oder Aktor 4 kommunizieren. Konkret erfolgt die softwaremäßige Nachbildung indem auf den Mikrocontroller 11 die dem Device 4 entsprechende IO Device Description (IODD) aufgespielt wird. Durch die IODD ist das Device 4 innerhalb des IO-Link-Systems 1 eindeutig definiert und für den IO-Link-Master 3 bzw. die Steuereinheit 2 mit sämtlichen Identifikationsdaten, d.h. Vendor- und Device-ID, diverse Geräteparameter sowie Prozess- und Diagnosedaten identifizierbar.
-
Der Mikrocontroller 11 wird mit einem Echtzeitbetriebssystem, z.B. µC/OS betrieben. Die softwaremäßige Nachbildung des IO-Link-Device kann bspw. in der Programmiersprache C programmiert sein.
-
Die Eingabeeinheit 12 stellt die Benutzerschnittstelle (User Interface) dar, über die der Anwender die softwaremäßige Nachbildung des IO-Link-Devices4 im Mikrocontroller 11 des Kommunikationsmoduls 10 vom Anwender derart manipulieren kann, dass am steuerungsseitigen Anschluss 10a des Kommunikationsmoduls 10 bestimmte Zustände des IO-Link-Devices4, d.h. Situationen, in denen sich das IO-Link-Device 4 befinden kann, simuliert werden. Durch das Simulieren bestimmter Situationen müssen insbesondere extreme und sicherheitskritische Zustände nicht in einer Testumgebung real hervorgerufen werden, sondern können somit nachgespielt und dabei die Reaktion der gesamten Anlage beobachtet werden, ob sie im Realfall erwartungsgemäß reagieren würde. Dabei kann das Verhalten der Steuereinheit 2 überprüft werden, d.h. ob die vom Device gesendeten Daten richtig interpretiert werden, und ob Parametriersignale für den Sensor oder Steuerungsbefehle vom Aktor richtig erzeugt werden. Die Eingabeeinheit 12 kann bspw. als Bildschirm, über den der Anwender die Eingabe unmittelbar am Kommunikationsmodul 10 vornehmen kann, oder als Schnittstelle zum Anschluss eines externen Eingabegeräts ausgeführt sein.
-
Das Kommunikationsmodul 10 kann optional noch über einen zweiten, deviceseitigen Anschluss 10b verfügen. Zur Umsetzung der Erfindung ist der Anschluss des Devices 4 nicht erforderlich, weswegen die Verbindungsleitung nur gestrichelt dargestellt ist. In dieser Ausführungsform könnte das Kommunikationsmodul 10 dauerhaft in das IO-Link-System 1 eingebunden sein. Nur im Bedarfsfall kann es aktiviert werden, während die Kommunikationsdaten zwischen dem Device 4 und dem Master 3 im Normalbetrieb durch das Kommunikationsmodul 10 transparent übertragen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- IO-Link-System
- 2
- Steuereinheit, SPS
- 3
- IO-Link-Master
- 4
- IO-Link-Device (Sensor oder Aktor)
- 5
- Kommunikationsleitung
- 10
- Kommunikationsmodul
- 10a
- erster Anschluss, steuerungsseitig
- 10b
- zweiter Anschluss, deviceseitig
- 11
- Mikrocontroller
- 12
- Eingabeeinheit
