DE102021118268B3

DE102021118268B3 - Funktionselement mit Doppelfunktion und Verfahren zum Betrieb eines Funktionselementes

Info

Publication number: DE102021118268B3
Application number: DE102021118268.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Strunkmann; Johannes vom Stein
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Holding GmbH
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2041-07-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Funktionselement zur Verbindung und Interaktion mit einem Netzwerk, umfassend einen Aktor- oder Sensorkopf, verbunden mit mindestens einem Mikroprozessor, einen physikalischen IO-Link-Layer und eine mindestens dreipolige, insbesondere vierpolige Steckerbuchse zur datenleitenden Kommunikation und Versorgung des Funktionselementes mit einem IO-Link-Netzwerk, wobei als weiterer physikalischer Layer ein SPE-Layer vorgesehen ist. Hierbei ist die Steckerbuche auch zur Verbindung mit einem SPE ausgebildet. Zwischen den beiden physikalischen Layer ist ein Schaltelement vorgesehen, welches in Abhängigkeit von dem in die Steckerbuchse eingebrachten Stecker und/oder der empfangenen Kommunikationsdaten und/oder der Versorgungsart, entweder zum physikalischen IO-Link-Layer oder zum physikalischen SPE-Layer schaltet. Weiterhin umfasst die Erfindung einen SPE-Stecker der von einer IO-Link-Steckerbuchse aufgenommen und hiermit verbunden werden kann, wie auch ein Set (Kit-of-Parts) aus einem solchen SPE-Stecker und einer Steckerbuchse und ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb des Funktionselements.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Funktionselement für ein digitales Bus-Netzwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen zugehörigen Stecker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9, ein Set aus einem Stecker und einer Steckerbuchse (Kit-of-Parts) für ein digitales Bus-Netzwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 sowie ein zugehöriges Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Im Bereich der PTP-Datenübermittlungstechnologie (Point-to-Point-Connection) ist die Übermittlung von masse-bezogenen Kommunikationssignalen, wie IO-Link in der Industrieautomation ein wichtiger technologischer Standard, der die Kommunikation von zentralen Steuerungskomponenten mit Sensoren und Aktoren definiert.
Als physikalische Schnittstelle dient beispielsweise ein dreipoliges Kabel mit zwei Adern für die Spannungsversorgung und eine für die Datenübermittlung (Kommunikation). IO-Link-Schnittstellen, insbesondere auch Stecker und Buchsen für Sensoren und Aktoren sind genormt, siehe hierzu IEC 61131-9. Die DE 10 2019 105 171 A1 beschreibt ein IO-Link-System mit einem IO Link-Master und eine Schnittstelle für den IO-Link-Master, sowie ein Verfahren zum Steuern und zum Überwachen eines IO-Link-Systems.
Mit der neuen Entwicklungen für die Übermittlung von nicht-massebezogenen, rein differenziellen Kommunikationssignalen, wie mittels Single-Pair-Ethernet (SPE) mit beispielsweise den IEEE-Standards (IEEE 802.3bw, IEEE 802.3cg oder IEEE 802.3bp) steht eine ebenfalls einfache physikalische Schnittstelle zur Verfügung, welche für Sensoren und Aktoren geeignet ist und hohe Datenraten ermöglicht, bei gleichzeitig direktem Zugang zu höheren Protokollschichten des Ethernets ohne Gateway (IO-Link Master). Insbesondere kann mit dem Advanced-Physical-Layer (APL) und Power over Dataline (PoDL) SPE auf denselben zwei Adern übertragen werden, mit dem ein Funktionselement (Device: Sensor oder Aktor) mit Spannung versorgt wird. Der APL ist ein spezifisches, einpaariges Ethernet basierend auf 10BASE-T1L (gemäß IEEE 802.3cg) mit zusätzlichen Bestimmungen für die Prozessindustrie. Die Ethernet-APL-Kommunikation basiert auf einer 10-Mbit/s-Vollduplex-Kommunikation, die über ein Twisted-Pair-Kabel transportiert wird.
Vorliegend muss sich ein Anlagenbetreiber hinsichtlich der jeweiligen smarten Sensoren und Aktoren entscheiden und kann nicht fallweise die Vorteile von bespielsweise SPE-Komponenten in ein bestehendes IO-LINK Umfeld einbringen und umgekehrt. Weiterhin müssen Anbieter von smarten Sensoren und Aktoren alle Varianten vorhalten. Dies ist aufwändig und wirtschaftlich sehr nachteilig.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme bekannt, die sowohl Schnittstellen für IO-Link-Verbindungen als auch für Single-Pair-Ethernet-Verbindungen aufweisen, beispielsweise aus WO 2021/064008 A1 und aus DE 10 2019 110 592 A1 .
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vereinfachte Nutzung und Anwendbarkeit von nicht-massebezogenen Kommunikationssignalen, wie Single-Pair-Ethernet (SPE) und masse-bezogenen Kommunikationssignalen, wie IO-Link auf der Sensor-Aktor-Ebene zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine funktional sichere Kommunikation zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Funktionselement nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch einen Stecker nach den Merkmalen des Anspruchs 9, ein Set aus Stecker und Steckerbuchse (Kit-of-Parts) nach den Merkmalen des Anspruchs 11 und einem zugehörigen Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Funktionselement dient der Verbindung und Interaktion mit einem Netzwerk, insbesondere einem Busnetzwerk zum Automatisieren, Steuern und Regeln von Sensor- und Funktionskomponenten. Das Funktionselement umfasst einen Aktor- oder Sensorkopf, der mit mindestens einem Mikroprozessor verbunden ist und von diesem gesteuert wird. Weiterhin umfasst er einen physikalischen IO-Link-Layer und eine mindestens dreipolige Steckerbuchse zur datenleitenden Verbindung, das heißt Kommunikation und Versorgung des Funktionselementes mit einem masse-bezogenen Kommunikationssignalen, wie ein IO-Linkoder IO-Link-Netzwerk. Nachfolgend wird vereinfachend durchgängig von IO-Link oder IO-Link-Netzwerk gesprochen, womit ganz allgemein ein masse-bezogener Kommunikationsaustausch gemeint ist, insbesondere für einen Punkt-zu-Punkt-Signal/Datenaustausch.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als weiterer physikalischer Layer ein Layer für einen nicht-massebezogenen Kommunikationssignallaustausch (rein differenzielles Kommunikationssignal) vorgesehen ist, insbesondere ein physikalischer SPE-Layer (PHY SPE) vorgesehen ist, parallel zu dem IO-Link-Layer (PHY IO-Link). In Abgrenzung zu dem vorgenannten masse-bezogenen Kommunikationssignalaustausch, mittels des PHY IO-Link, besteht bei dem nicht-massebezogenen Kommunikationssignalaustausch kein Massebezug, weil nur zwei Adern/Leitungen vorgesehen sind und sich das Signal aus der Differenzspannung dieser beiden Leitungen ergibt. Nachfolgend wird vereinfachend immer nur von SPE, PHY SPE und dergleichen gesprochen, wenn ein nicht-massebezogener Kommunikationssignalaustausch und die zugehörigen Komponenten gemeint sind.
Die Steckerbuche und insbesondere die zugehörigen Leitungswege im Funktionselement sind hierbei auch zur Verbindung mit einem Single-Pair-Ethernet (SPE) ausgebildet und zwischen den beiden physikalischen Layern ist in einer Ausführungsform ein Schaltelement vorgesehen, welches in Abhängigkeit von dem jeweiligen in die Steckerbuchse eingebrachten Stecker und damit auch in Abhängigkeit von den jeweiligen empfangenen Kommunikationsdaten und/oder der Versorgungsart/-charakteristik, entweder eine leitende Schaltung zum physikalischen IO-Link-Layer oder zum physikalischen SPE-Layer herstellt.
Vorteilhafterweise ist das Schaltelement über eine Leitung direkt mit dem Mikroprozessor verbunden, wobei der Mikroprozessor neben dem Betrieb des Aktor- oder Sensorkopfes auch die Funktionen des Schaltelements steuert, wie vorstehend genannt, in Abhängigkeit von dem eingebrachten Stecker und/oder den übermittelten Daten beziehungsweise der Versorgungsart, insb. der anliegenden Spannung.
Ein vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Mikroprozessor über die Leitung direkt mit einem Pin der Steckerbuchse verbunden ist, insbesondere mit einem der beiden Kommunikationspins. Somit kann die Schaltung in der Ausgangs- oder Ruhestellung passend für den Empfang einer Grundspannung (Versorgung) gestellt sein, wie diese bei einem SPE der Fall ist und beim Erkennen eines IO-Link-Steckers zu dem passenden Layer geschaltet werden ohne dass es zu Beschädigungen oder übermäßige Spannungsbelastungen der Komponenten kommt. Das Schaltelement zwischen der Steckerbuchse und dem physikalischen Layer ist vorteilhafterweise ein Analog- oder Halbleiterschalter, wobei hierzu als Schaltelemente insbesondere Feldeffekttransistoren und/oder Bipolartransistoren vorgesehen sind.
Alternativ ist das Funktionselement auch dazu ausgelegt, dass der SPE-Layer und der IO-Link-Layer parallel arbeiten und auf beiden Wegen ein Kommunikationssignalaustausch erfolgt. Hierzu sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass zwei Pinne zur Versorgung mit einer Spannung auch zur SPE Kommunikation nutzbar sind (APL). Dazu wird der PHY SPE mit PoDL (Power over DataLine) kombiniert, wobei die beiden Pinne als Versorgungspinne für den IO-Link fungieren und die Versorgungsspannung bereitstellen können. Das IO-Link Datensignal muss auf Sender- und Empfängerseite denselben MasseBezug haben. Das IO-Link Datensignal kann über einen weiteren (reinen) Daten- oder Kommunikationspin geleitet werden. Die weitere Schaltung würde jeweils dem Standard entsprechen (PHY, MCU). Bei diesem Aufbau könnten beide Protokolle parallel gesprochen werden, oder nur das Protokoll, welches (zuerst) eine Kommunikation aufbaut.
Die Kommunikation über IO-Link und SPE kann somit auch parallel stattfinden, so dass mindestens ein Teil der Daten redundant und mit hoher Diversität übermittelt werden können.
Durch die redundante Struktur ergibt sich der Vorteil, dass für die einzelnen Pfade kein hohes Sicherheitslevel erreicht werden muss, sondern Standardkomponenten und -firmware eingesetzt werden können. Die Sicherheit wird erst durch die redundante Struktur und eine Überwachung auf Übereinstimmung der sicherheitsrelevanten Daten erreicht.
Die Steckerbuchse selbst ist idealerweise als 10-LINK-Steckerbuchse nach den gängigen Normen, insbesondere der Norm 61131-9 ausgebildet. Das Funktionselement selbst ist vorrangig ein smarter Sensor oder ein smarter Aktor.
Von der Erfindung ist auch ein Stecker zur mechanischen und leitenden Verbindung mit einer Steckerbuchse umfasst, die mindestens vierpolig ausgebildet ist, konform zum IO-Link-Standard. Diese weist zwei Pinne zur Kommunikation und zwei Pinne zur Versorgung auf. Kern ist hierbei, dass der Stecker als SPE-Stecker für ein zweipoliges Twisted-Pair-Kabel eines Single-Pair-Ethernet (SPE) ausgebildet ist. Der Stecker ist leitend mit den zwei Kommunikationspinnen einer IO-Link-Steckerbuchse verbindbar, idealerweise ist der Stecker in gängiger Art und Weise formschlüssig mit der IO-Link-Steckerbuchse verbindbar.
Eine Verbesserung besteht darin, dass der Stecker mindestens komplementär zu einem der leitenden Pinne, Versorgungspinne, der IO-Link-Steckerbuchse, ein nicht-leitendes, formschlüssiges Gegenelement aufweist. Hierdurch wird eine zusätzliche Stabilität erreicht. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Stecker als eine Y-Weiche ausgebildet, die eine genormte und standardisierte IO-Link-Steckerbuchse und eine SPE-Steckerbuchse aufweist und auf der mit dem Funktionselement zu verbindenden Seite, das zum Funktionselement komplementäre Steckerelement aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Set (Kit-of-Parts) aus einer Steckerbuchse und einem Stecker, wobei die Steckerbuchse wie vorstehend beschrieben mindestens vierpolig und nach IO-Link-Standard ausgebildet ist und zwei Pinne zur Kommunikation und zwei Pinne zur Versorgung aufweist. Hierbei dient insbesondere ein Pin zur C/Q-Kommunikation, insbesondere IO-Link-Kommunikation, und ein Pin für DI (Data in) bzw. DO (Data out). Der Kern besteht darin, dass der Stecker als SPE-Stecker für ein zweiadriges Twisted-Pair-Kabel eines Single-Pair-Ethernet (SPE) zweipolig ausgebildet ist, und wobei der Stecker daten- und spannungsleitend mit den zwei Pinnen einer IO-Link-Steckerbuchse verbindbar ist.
Vorteilhafterweise ist der Stecker formschlüssig mit der IO-Link-Steckerbuchse verbindbar und die beiden Steckerteile können insbesondere auch miteinander verrastend verbunden werden.
Mit Blick auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Funktionselementes, das vorrangig als smarter Sensor oder Aktor ausgebildet ist, in einem Netzwerk, insbesondere einem Bus-Netzwerk, sind die folgenden Schritte umfasst:

- Herstellung einer Verbindung des Funktionselementes mit einem Netzwerk über eine Steckverbindung aus einer Steckerbuchse und einem Stecker mit einem verbundenen Kabel zur Kommunikation und Versorgung,
- Erkennen der über das Kabel verbundenen Netzwerkart, als ein massegebundenes Kommunikationssignal, insbesondere IO-Link-Netzwerk und/oder nicht-massegebundenen Kommunikationssignal, insbesondere Single-Pair-Ethernet (SPE),
- Schaltung zu einem physikalischen IO-Link-Layer und/oder einem physikalischen SPE-Layer in Abhängigkeit von dem erkannten Netzwerk und
- Betreiben des Funktionselementes mit dem mindestens einen aktiven Layer.

Mit Blick auf nicht-/masse-gebundene Kommunikationssignale gilt das vorstehend Gesagte.
Es ist bei einer Datenübermittlung bei PoDL, wie bei dem SPE, kritisch, wenn aus Sicherheitsgründen zyklische Abschaltungen erforderlich sind, weil dann keine Steuer- und Regelsignale weitergeleitet werden. Somit sieht eine alternativen Verfahrensvariante vor, dass eine sicherheitsrelevante Kommunikation mit den folgenden Schritten vorgenommen wird:

• Die Kommunikation IO-Link- und SPE-Protokoll wird parallel aufgebaut,
• Daten können parallel übermittelt und verglichen werden.
• Insbesondere werden sicherheitsrelevante Daten zyklisch auf beiden Protokollen übermittelt und es werden in einem Kreuzvergleich diese sicherheitsrelevanten Daten evaluiert. Bei nicht-Übereinstimmung der sicherheitsrelevanten Daten wird ein sicherer Zustand eingeleitet, der in einer Spannungsverminderung oder Ausschaltung besteht.

Bei einer Verfahrensvarianten wird somit über zwei Pinne die Versorgung mit Spannung vorgenommen, optional kann einer oder mehrere weitere Pinne zur reinen Spannungsversorgung vorgesehen werden. Über zwei der Versorgungspinne erfolgt die SPE Datenübermittlung, wobei zeitgleich über einen weiteren Pin (Kommunikationspin), der kein Versorgungspin ist, die IO-Link-Datenübermittlung parallel zur SPE-Datenübermittlung vorgenommen wird.
Idealerweise sind bei einer Verfahrensvariante unterschiedliche Kategorien der parallelen Datenübermittlung definiert. Diese sind insbesondere eine Standardkategorie, bei welcher Daten mittels IO-Link und SPE mindestens teilweise redundant übermittelt und ausgewertet werden. Eine weitere Kategorie kann eine Ausnahmekategorie darstellen, die insbesondere zur Überwachung und bei Störungen gewählt wird, wie beispielsweise spannungs- und/oder stromlosen Zuständen, wobei nur überwachungs- und/oder sicherheitsrelevante Daten über IO-Link übermittelt werden, der von einer Spannungsversorgung unabhängig betrieben werden kann. Als weitere Kategorie, neben der genannten Redundanz, kann der Betrieb über nur eins der beiden Systeme (SPE/IO-Link) erfolgen, bei identischer Spannungsversorgung. Eine Unterscheidung würde im Vorfeld erfolgen, sofern feststeht, dass die Daten nicht sicherheitsgerichtet ausgewertet werden müssen.
Bei einem verbesserten Verfahren ist vorgesehen, dass die Ausnahmekategorie als Takt oder Frequenz in einer definierten Dauer und/oder Häufigkeit parallel zur Standardkategorie vorgenommen wird.
Vorteilhafterweise ist das Funktionselement nach einem der vorherigen Ausführungsformen ausgebildet und/oder das Funktionselement ist durch ein Stecker-Steckerbuchsen-Set nach einem der vorgenannten Ausführungsformen verbunden.
Es ist somit vorteilhafterweise möglich, SPE und IO-Link in einem Aktor vorzusehen, in dem der Aktor einen Standardstecker aufweist, der zwei Datenpinne für die Datenweiterleitung umfasst und mindestens zwei Pinne zur Spannungsversorgung (Spannungspinne). Die Datenpinne dienen entweder als TX (Transmitter) oder RX (Receiver) für die SPE-Übertragung oder als Kommunikationskanal (C/Q, insb. IO-Link-Kommunikation) und einem optionalen weiteren Datenkanal im Falle der Nutzung als IO-Link.
Der Sensor oder Aktor erkennt eigenständig, ob eine Verbindung mit einem SPE oder einem IO-Link/SIO (IO-Link/Standard Input and Output) vorliegt. Die Steckerbuchse ist als eine hybride SPE/IO-Link-Buchse ausgebildet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 den inneren Schaltplan des erfindungsgemäßen smarten Sensors, bei welchem die Steckerbuchse mit einem IO-LINK-Stecker bzw. IO-LINK-Kabel verbunden ist,
2 eine Überblicksdarstellung, in der schematisch der smarte Sensor gezeigt ist, der über ein Kabel mit einer übergeordneten Netzwerkkomponente verbunden ist,
3 den Schaltplan des smarten Sensors nach 1 und 2, bei welchem die Steckerbuchse mit einem SPE-Stecker bzw. SPE-Kabel verbunden ist,
4 den Schaltplan vergleichbar zu 3 in einer verbesserten Variante,
5 einen Schaltplan für ein Funktionselement mit mehreren Schaltern und
6 einen Schaltplan für ein Funktionselement für den Betrieb von zwei PHY Layern.

Wie in der 1 dargestellt, ist das Funktionselement 10 ein smarter Sensor, der einen Sensorkopf 17 aufweist. Gezeigt ist der innere Schaltplan des erfindungsgemäßen smarten Sensors, bei welchem die Steckerbuchse 11 als IO-Link-Steckerbuchse ausgebildet ist und vier Pole oder Pinne 1-4 aufweist, die in üblicher Weise belegt sind, als Versorgungspinne 1, 3 (L+, L-) zur Sensor- und Elektronikversorgung (Us) und Kommunikationspinne 2, 4 als Kommunikationskanal/-kanäle (DI, DO, C/Q). Vorliegend ist der Kommunikationspin 4 über das Schaltelement 19 mit dem Kontakt 14.4 des Physical Layer 14 des IO-Link (PHY IO-link) verbunden, der wiederum mit dem Mikroprozessor 16 verbunden ist. Der Mikroprozessor 16 ist leitend mit dem Sensorkopf 17 verbunden und empfängt von diesem die Sensormesswerte und - daten und verarbeitet diese. In bekannter Weise sind auch die Versorgungspinne 1, 3 leitend mit einer Spannungsquelle verbunden. Der Kommunikationspin 2 ist optional vorhanden, allerdings in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach 1 nicht verbunden. Der Mikroprozessor 16 weist eine Leitung 18, welche zu vier Kontaktfeldern 18.1 bis 18.4 führt und worüber der Mikroprozessor 16 die jeweilige Verbindungsart der Steckerbuchse 11 mit einem komplementären Stecker 12 ( 2) erkennen kann. Die Leitung 18 hat somit eine reine Lausch- oder Detektionsfunktion, wobei die Art der Detektion vorliegend nicht näher beschrieben ist. Im vorliegenden Beispiel wurde der Leitungsweg 4-14.4-18 geschlossen. Der Physical Layer SPE (PHY SPE) 15 ist somit inaktiv, weil über den Mikroprozessor 16, Leitung 18 und Kontaktfeld 18.3 der IO-Link erkannt wurde und das Schaltelement 19 die Verbindung zum Mikroprozessor 16 und damit auch von und zum Sensorkopf 17 über die PHY Layer 14 des IO-Links hergestellt hat.
Die 2 zeigt sehr schematisch als Überblicksdarstellung die Funktionselement 10, hier ebenfalls ein smarter Sensor mit einem Sensorkopf 17 auf der Erfassungsseite 10.1. Auf der Verbindungsseite 10.2 ist die Steckerbuchse 11 angeordnet, an der der komplementäre Stecker 12 und das zugehörige Kabel 13 angeordnet sind. Der endständige, smarte Sensor ist mit einer übergeordneten Netzwerk- oder Systemkomponente 100 über das Kabel 13 verbunden.
3 zeigt die zu 1 zweite Alternative. Hierbei wurde ein SPE von dem Mikroprozessor 16 an mindestens einem der Kontakte 18.2 oder 18.4 erkannt und der Sensorkopf 17 über den PHY SPE 15 verbunden. Die beiden Versorgungspinne 1, 3 der Steckerbuchse 11 sind inaktiv, und die datenleitende und versorgende Verbindung wurde von den Pinnen 2, 4 über die Kontakte 15.2, 15.4 zum PHY SPE 15 und weiter zum Sensorkopf 17 unter Einbeziehung des Mikroprozessors 16 hergestellt.
In der gemäß 4 gezeigten Variante, die von der Schaltung dem Beispiel nach 3 entspricht, werden nur der Versorgungspin 1 und der Kommunikationspin 4 über die Leitung 18 und die zugehörigen Kontaktfelder 18.2 und 18.4 abgetastet. Grundsätzlich wäre es hinreichend, den Kommunikationspin 4 über das Kontaktfeld 18.4 abzutasten, wenn dieser bei der Verbindung mit einem SPE frei bleibt, so dass Daten über Pinne 1, 3 ankommen und/oder Spannung anliegt, ohne die Belegung des für den IO-Link notwendigen Kommunikationspins 4, so dass eine SPE anliegen muss. Im Falle einer IO-Link-Verbindung ist durch die über Kommunikationspin 4 eingehenden Kommunikationsdaten oder Versorgungsgröße/-charakteristik diese Verbindungsart eindeutig definiert.
Bei der Ausführung nach 5 weist das Funktionselement 10 eine Steckerbuchse 11 mit den Pinnen 1 bis 4 auf. Die Pinne 1 und 3 dienen als Versorgungspinne und sind mit der Versorgungseinheit 20 (Powering Device) verbunden. Die sonstigen Details der Spannungsversorgung des Funktionselementes 10 sind nicht dargestellt. Der PHY SPE 15 ist datenleitend über die Pinne 2 und 4 mit der Steckerbuchse 11 verbunden und parallel ist der PHY IO-Link 14 über den Pin 4 verbunden. Durch den Mikroprozessor 16 gesteuert, kann eines der Schaltelemente 21, 22 über die jeweilige Steuerleitung 23, 24 für die Datenübermittlung eines Protokolls freigegeben oder abgeschaltet werden, je nach dem, über welchen Weg oder welche Art von auswertbaren Daten vom Mikroprozessor 16 empfangen werden. Der Mikroprozessor 16 kann auch derart ausgelegt sein, dass er nur oder zusätzlich an der vom Versorgungselement 20 ankommenden Spannung über die Versorgungsleitung 27 oder an einem auf die Spannung aufmodulierten Signal das gewollte masse-basierte oder nicht-massebasierte Kommunikationsprotokoll (SPE oder IO-Link) erkannt.
Bei der in der 6 dargestellten Ausführungsform können masse-basierte und nicht-massebasierte Kommunikationssignale mittels beispielsweise SPE und IO-Link erkannt und ausgetauscht werden.
Hierzu sind die Pinne 1 und 3 einer drei Pinne umfassenden Steckerbuches 11 zur Spannungsversorgung und zur SPE Kommunikation vorgesehen. Dazu wird der PHY-SPE mit einem PoDL kombiniert. Von den beiden zur Leistungseinheit 20 führenden Daten- und Versorgungsleitungen zweigen die Datenleitungen 25, 26 zum PHY SPE 15 ab. Die Entkopplung von Versorgung und Daten wird, wie für PoDL standardmäßig vorgesehen, durch passive Bauelemente realisiert, die vorliegend nicht dargestellt sind. Das über den Pin 4 und die Datenleitung 26 zum PHY IO-Link geführte IO-Link Signal, hat auf Sender- und Empfängerseite denselben Massebezug.
Bei dieser Ausführungsform des Funktionselements 10 besteht bei ausschließlicher Nutzung von SPE und PoDL auch eine alleinige Belegung der Pinne 1 und 3, analog üblicher SPE Auslegung. Hierbei müssten die beiden Pinne idealerweise so ausgestaltet sein, dass diese gegenüber einer Spannung von mindestens 24 V tolerant sind, wie in der IEEE 802.3cg:2019 vorgesehen. Insbesondere ermöglicht diese Ausführungsform, dass beide Protokolle, SPE und IO-Link parallel gesprochen werden oder nur dasjenige, welches beispielsweise zuerst eine Kommunikation aufbaut.
Da die Kommunikation über IO-Link und SPE parallel stattfinden kann, können dieselben Daten redundant und mit hoher Diversität übermittelt und verifiziert werden. Bei einer sehr sicherheitsrelevanten Anwendung muss auch die Prozessoreinheit 16 ein hohes Sicherheitslevel erfüllen. Eine nicht dargestellte Ausführungsform sieht daher vor, dass redundant zwei Prozessoreinheiten vorgesehen werden, eine für IO-Link und eine weitere für SPE.
Durch die redundante Struktur ergibt sich der Vorteil, dass für die einzelnen Pfade alleinig kein hohes Sicherheitslevel erreicht werden muss, sondern Standardkomponenten und -firmware eingesetzt werden können. Die Sicherheit wird erst durch die einfache, redundante Struktur und eine Überwachung auf Übereinstimmung der sicherheitsrelevanten Daten erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Pin
2: Pin
3: Pin
4: Pin
10: Funktionselement (Sensor oder Aktor)
10.1: Erfassungsseite
10.2: Verbindungsseite
11: Steckerbuchse
12: Stecker
13: Kabel
14: Physical Layer, IO-Link
14.2: Kontakt
14.4: Kontakt
15: Physical Layer, SPE
15.2: Kontakt
15.4: Kontakt
16: Mikroprozessor
17: Sensorkopf
18: Leitung
18.1: Kontaktfeld
18.2: Kontaktfeld
18.3: Kontaktfeld
18.4: Kontaktfeld
19: Schaltelement
20: Versorgungselement
21: Schalter
22: Schalter
23: Steuerleitung
24: Steuerleitung
25: Datenleitung
26: Datenleitung
27: Versorgungsleitung
100: Netzwerkkomponenten, übergeordnete

Claims

Funktionselement (10) zur Verbindung und Interaktion mit einem Netzwerk, umfassend einen Aktor- oder Sensorkopf (17), verbunden mit mindestens einem Mikroprozessor (16), einen physikalischen Layer für massebezogene Kommunikationssignale, wie insbesondere einen physikalischen IO-Link-Layer (14) (PHY IO-Link), und eine mindestens dreipolige Steckerbuchse (11) zur datenleitenden Kommunikation und Versorgung des Funktionselementes (10) mit einem IO-Link-Netzwerk, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer physikalischer Layer ein Layer für nicht-massebezogene Kommunikationssignale vorgesehen ist, insbesondere ein SPE-Layer (15) (PHY SPE) vorgesehen ist, wobei die Steckerbuche (11) auch zur Verbindung mit einem SPE ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, zwischen den beiden physikalischen Layern (14, 15) ein Schaltelement (19) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit von dem in die Steckerbuchse (11) eingebrachten Stecker (12) und/oder den empfangenen Kommunikationsdaten und/oder der Versorgungsart, entweder zum physikalischen IO-Link-Layer (14) oder zum physikalischen SPE-Layer (15) schaltet und hierüber die Daten austauscht.
Funktionselement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (19) über eine Leitung (18) direkt mit dem Mikroprozessor (16) verbunden ist, und wobei der Mikroprozessor (16) die Funktion des Schaltelements (19) steuert, in Abhängigkeit von dem eingebrachten Stecker (12) und/oder der übermittelten Daten und/oder der Versorgungsart.
Funktionselement (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (16) über die Leitung (18) direkt mit einem Pin (1-4), insbesondere mit einem Kommunikationspin 2, 4 leitend verbunden ist.
Funktionselement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgebildet ist, um • über zwei Pinne 1,3 die Versorgung mit Spannung vorzunehmen, wobei • parallel über dieselben beiden Pinne 1, 3 die SPE Datenübermittlung erfolgt, und wobei • über einen dritten Pin 4 (Kommunikationspin), die IO-Link-Datenübermittlung parallel zur SPE-Datenübermittlung erfolgt, insbesondere zeitgleich erfolgt, wobei die parallele Datenübermittlung insbesondere redundant erfolgt.
Funktionselement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche einschließlich Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (19) ein elektronischer Schalter, Analogschalter oder Halbleiterschalter ist, wobei hierzu als Schaltelemente insbesondere Feldeffekttransistoren und/oder Bipolartransistoren vorgesehen sind.
Funktionselement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckerbuchse (11) als IO-LINK-Steckerbuchse nach der Norm 61131-9 ausgebildet ist, insbesondere drei- oder vierpolig ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement ein smarter Sensor oder ein smarter Aktor ist.
Stecker (12) zur mechanischen und leitenden Verbindung mit einer Steckerbuchse (11), die mindestens vierpolig ausgebildet ist, insbesondere konform zum IO-Link-Standard, aufweisend zwei Pinne 2, 4 zur Kommunikation und zwei Pinne 1, 3 zur Versorgung, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (12) als SPE-Stecker für ein Twisted-Pair-Kabel eines Single-Pair-Ethernet (SPE) zweipolig ausgebildet ist, wobei der Stecker (12) leitend mit den zwei Pinnen 2, 4 einer IO-Link-Steckerbuchse (11) verbindbar ist, und wobei der Stecker (12) formschlüssig mit der IO-Link-Steckerbuchse (11) verbindbar ist.
Stecker (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens zu einem der leitenden Pinne 1, 3 der IO-Link Steckerbuchse (11), nicht-leitende, formschlüssige Gegenelemente aufweist.
Set (Kit-of-Parts) aus einer IO-Link Steckerbuchse (11) und einem Stecker (12), wobei die Steckerbuchse (11) vierpolig und nach IO-Link-Standard ausgebildet ist, aufweisend zwei Pinne 2, 4 zur Kommunikation und zwei Pinne 1, 3 zur Versorgung, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (12) als SPE-Stecker für ein Twisted-Pair-Kabel eines Single-Pair-Ethernet (SPE) zweipolig ausgebildet ist, wobei der Stecker (12) leitend mit den zwei Pinnen 2, 4 der IO-Link-Steckerbuchse (11) verbindbar ist.
Set nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (12) formschlüssig mit der IO-Link-Steckerbuchse (11) verbindbar ist.
Set nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (12) verrastbar mit der IO-Link-Steckerbuchse (11) verbindbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Funktionselementes (10), umfassend die Schritte - Verbinden des Funktionselementes (10) mit einem Netzwerk über eine Steckverbindung aus einer Steckerbuchse (11) und einem Stecker (12) mit einem Kabel (13) zur Kommunikation und Versorgung, - Erkennen der über das Kabel (13) verbundenen Netzwerkart, als ein IO-Link und/oder SPE, - vom Erkennen abhängige Schaltung zu einem physikalischen IO-Link-Layer (14) oder einem physikalischen SPE-Layer (15) und/oder - Betreiben des Funktionselementes (10) mit dem nur einen aktiven Layer oder beiden aktiven Layern.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (10) durch ein Set nach einem der Ansprüche 11 bis 13 mit dem Netzwerk verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens zwei Pinne 1, 3 die Versorgung mit Spannung erfolgt, - wobei parallel über zwei der mindestens zwei Versorgungspinne 1, 3 die SPE Datenübermittlung erfolgt, und wobei - zeitgleich über einen weiteren Pin 4 (Kommunikationspin), die IO-Link-Datenübermittlung parallel zur SPE-Datenübermittlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Kategorien der parallelen Datenübermittlung definiert sind, - eine Standardkategorie, bei welcher Daten mittels IO-Link und SPE mindestens teilweise redundant übermittelt und ausgewertet werden und - eine Ausnahmekategorie, die insbesondere zur Überwachung und bei Störungen gewählt wird, wie beispielsweise spannungs- und/oder stromlosen Zuständen, wobei nur überwachungs- und/oder sicherheitsrelevante Daten über IO-Link übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnahmekategorie auch als Takt in einer definierten Dauer und/oder Häufigkeit parallel zur Standardkategorie vorgenommen wird.