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Sensoren finden heute Einsatz in vielen technischen Gebieten wie beispielsweise dem Maschinen- und Anlagenbau, der Fabrikautomatisierung, in Fahrzeugen aller Art und der Gebäudetechnik. Dabei dienen Sensoren der Aufnahme von Betriebsdaten, um Lebensdauerinformationen, sicherheitsrelevante Daten und vieles andere zu gewinnen.
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Ein an Wichtigkeit gewinnendes Thema ist dabei das Übermitteln von Sensordaten an ein IT-System, beispielsweise einen Cloud-Service. Dadurch werden die Daten zentral verfügbar und können sowohl vom Betreiber der Anlage mit den Sensoren als auch vom Hersteller dieser Anlage verwendet werden, um eine verbesserte Auswertung oder Steuerung oder weitere Services wie eine herstellerseitige Lebensdauerschätzung zur Verfügung zu stellen.
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Wie überall kommen dabei aus preislichen Gründen bevorzugt Massenprodukte zum Einsatz. Solcherlei Sensoren sind eher nicht in der Lage, ihre Daten an einen Cloud-Service weiterzugeben. Ist die eingesetzte Ansteuerung der Sensoren nicht von vornherein schon dazu ausgestaltet, dann ist es aufwändig, die eine Weitergabe der Daten an den Cloud-Service einzurichten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vereinfachung für die Weitergabe von Sensordaten an ein lokales oder globales Datennetzwerk zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gerät mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Gerät umfasst eine Kommunikationsschnittstelle zur Verbindung mit einem lokalen oder globalen Datennetzwerk, einen ersten Anschluss zur Verbindung mit einem Sensor und einen zweiten Anschluss zur Verbindung mit einer Ansteuerung für den Sensor. Weiterhin umfasst das Gerät Verbindungen zwischen korrespondierenden Pins des ersten und des zweiten Anschlusses.
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Das Geräte weist ferner eine Steuerung auf, die ausgestaltet ist, elektrische Signale auf wenigstens einem Teil der direkten Verbindungen aufzunehmen und als Daten an das an der Kommunikationsschnittstelle angeschlossene Datennetzwerk zu übertragen.
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Die Kommunikationsschnittstelle bezeichnet dabei eine elektrische, drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle zur Übertragung von Daten an ein datenorientiertes Netzwerk, beispielsweise ein paketbasiertes Netzwerk wie das Internet. Bekanntermaßen ist eine solche Kommunikationsschnittstelle nur auf geringe Stromtragfähigkeit ausgelegt und entspricht daher beispielsweise nicht gängigen Messanschlüssen.
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Unter dem lokalen Datennetzwerk wird ein lokales Datennetzwerk wie beispielsweise ein LAN (local area network) verstanden. Unter dem globalen Datennetzwerk wird ein über das lokale Gebäude oder die lokale Anlage hinausgehendes Datennetzwerk wie beispielsweise das Internet verstanden.
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Unter den Anschlüssen werden kabelgebundene Einbaustecker oder Buchsen verstanden, die am Gerätegehäuse oder in zum Gerätegehäuse vergleichbarer Position angeordnet werden. Unter dem Sensor wird ein Messgrößen-Aufnehmer oder Messfühler verstanden, also ein Bauteil, das physikalischer oder chemische Größen, beispielsweise Druck, Temperatur, Stoffzusammensetzung, Spannung aufnimmt und ein qualitativ oder quantitativ für die physikalische oder chemische Größe stehendes elektrisches Signal an eine angeschlossene Ansteuerung weitergibt. Der Sensor ist also das Bauteil einer Messeinrichtung, das auf eine Änderung der Größe unmittelbar anspricht.
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Unter der Ansteuerung des Sensors wird ein mit dem Sensor verbundenes Bauteil verstanden, das das elektrische Signal des Sensors aufnimmt. Die Ansteuerung kann steuernde Signale an den Sensor geben, muss aber nicht. Je nach Art des Sensors kann dieser völlig passiv sein, also elektrisch autark, nur eine Stromversorgung benötigen oder aber einer genaueren Signalgebung durch die Ansteuerung unterliegen. Die Ansteuerung kann als Teil einer Messeinrichtung verstanden werden. Sie kann aber auch so umfangreiche Aufgaben haben, dass die Aufgabe als Messeinrichtung untergeordnet ist.
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Unter der direkten Verbindung korrespondierender Pins wird eine weitestgehend unbeeinflusste bidirektionale Durchreichung der elektrischen Signale auf dem jeweiligen Pin verstanden. Diese kann durch eine direkte leitende Materialverbindung, also einen Draht geschehen. Es ist aber auch möglich, dass die Verbindung galvanisch getrennt ist, soweit baulich gesichert ist, dass die Signale trotzdem weitestgehend unbeeinflusst durchgereicht werden. Mit anderen Worten verhält sich die Verbindung korrespondierender Pins stets so, als ob eine direkte leitende Materialverbindung vorläge, auch wenn das baulich nicht der Fall ist. Mit weitestgehend unbeeinflusst ist dabei gemeint, dass die Aufnahme der Signale und durch die Steuerung einen unvermeidbaren Einfluss auf die Signale darstellt, der aber durch geeignete Gestaltung der Aufnahme äußerst gering gehalten werden kann.
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Die Steuerung wandelt die elektrischen Signale auf den Verbindungen, also Strom und oder Spannung in Daten um, um sie in das Datennetzwerk zu übertragen. Dabei umfasst diese Umwandlung zumindest eine Wandlung in eine digitale Repräsentation der Signale, die natürlich ebenso elektrisch ist. Bevorzugt erfolgt auch eine Wandlung in paketbasierte Daten, die in heutigen Datennetzen wie dem Internet üblich ist.
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Das Gerät lässt sich also vorteilhaft zwischen einen beliebigen Sensor und seine Ansteuerung, beispielsweise PLC oder Adapter schalten. Dabei ist lediglich ein weiteres Kabel nötig, das zu dem normalerweise verwendeten Verbindungskabel identisch ist. Das zusätzliche Kabel entfällt, wenn der Sensor direkt an das Gerät angeschlossen werden kann. Durch die direkte Verbindung korrespondierender Pins bleiben die elektrischen Signale zwischen dem Sensor und seiner Ansteuerung unverändert. Das bedeutet, dass das Gerät für den Sensor und seine Ansteuerung völlig transparent ist und die Funktion von Sensor und Ansteuerung unbeeinflusst lässt.
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Gleichzeitig werden die Signale aber von dem Gerät beispielsweise durch Stromwandler aufgenommen und zu Datenpaketen gewandelt, die mittels der Kommunikationsschnittstelle an das lokale oder globale Datennetzwerk übertragen werden. Dabei werden entweder ein Teil der Signale oder alle Signale aufgenommen. Die Stromwandler sind dabei so gestaltet, dass die elektrischen Signale nur unwesentlich beeinflusst werden.
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Somit lassen sich also mit dem für den Betrieb des Sensors unsichtbaren Gerät seine Messergebnisse in das Datennetzwerk übertragen, ohne dass die Ansteuerung des Sensors dazu ertüchtigt werden muss. Das Gerät kann dabei vorteilhaft einzeln dort eingesetzt werden, wo es sinnvoll ist und muss nicht flächendeckend verwendet werden, wenn es unnötig erscheint. Der Einsatz des Geräts erfordert bezüglich des Sensors und seiner Ansteuerung keine Konfiguration und nur eine minimale Unterbrechung des Betriebs.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Geräts gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für das Gerät noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- Bei den Verbindungen kann es sich um solche Verbindungen handeln, die direkt sind, also einen weitestgehend unbeeinflussten Kontakt zwischen den korrespondierenden Pins herstellen.
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Dabei kann eine solche direkte Verbindung beispielsweise eine durchgängige, elektrisch leitende Verbindung sein, also im einfachsten Fall ein Draht zwischen den Pins. Eine solche Verbindung eignet sich beispielsweise für einen Pin, der der Stromversorgung dient. Alternativ kann eine solche direkte Verbindung auch eine Verbindung über einen Optokoppler sein. Eine solche Verbindung eignet sich für Pins, in denen Datensignale mit nur geringem Stromfluss übertragen werden. Ein Optokoppler sichert eine galvanische Trennung, die elektrische Signale weitgehend unbeeinflusst leitet, soweit sie in die Bandbreite des Optokopplers fallen, aber gleichzeitig ein einfaches Auslesen der übertragenen elektrischen Signale ermöglicht.
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Die Steuerung kann ausgestaltet sei, die Signale in weniger als allen der Verbindungen aufzunehmen und als Daten an das an der Kommunikationsschnittstelle angeschlossene Datennetzwerk zu übertragen. Dadurch wird Bandbreite gespart, wenn ein Teil der Verbindungen entweder gar nicht verwendet werden oder die Signale eines Teils der Verbindungen uninteressant sind.
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Alternativ kann die Steuerung ausgestaltet sein, elektrische Signale auf allen der Verbindungen aufzunehmen und als Daten an das an der Kommunikationsschnittstelle angeschlossene Datennetzwerk zu übertragen. Mit anderen Worten werden alle der Verbindungen zwischen korrespondierenden Pins berücksichtigt bei der Wandlung zu den Daten. Somit werden alle verfügbaren Informationen an das Datennetzwerk übertragen und stehen zur Verfügung. Sie können auf der Seite des Datennetzwerks problemlos verworfen werden.
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Die Steuerung kann ausgestaltet sein, mittels der Kommunikationsschnittstelle eine Verbindung zu einem Cloud-Service aufzunehmen. Vorteilhaft wird dadurch ein üblicherweise hochverfügbarer Empfänger für die übertragenen Daten verwendet, der wiederum offen für eine Weitergabe an Subscriber ist. Bekannte auf dem Markt vertretene Cloud-Services stellen eine hochentwickelte Infrastruktur zur Verfügung.
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Der erste und zweite Anschluss können vom selben Steckverbindungs-Typ sein. Beispielsweise können der erste und zweite Anschluss M8-Anschlüsse sein. Alternativ können der erste und zweite Anschluss M12-Anschlüsse sein. Dies sind übliche Anschlusstypen für heutige Sensoren. Ist derselbe Anschlusstyp verwendet, ist eine transparente Einbindung des Geräts in die Verbindung Ansteuerung zu Sensor am einfachsten möglich. Dabei kann vorteilhaft einer der Anschlüsse eine Buchse und ein zweiter der Anschlüsse ein Einbaustecker sein, so dass Kabel mit Stecker und Kupplung zwischen Ansteuerung und Gerät und zwischen Gerät und Sensor verwendet werden können.
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Die Kommunikationsschnittstelle kann eine kabelgebundene Schnittstelle, insbesondere eine LAN-Schnittstelle umfassen. LAN-Schnittstellen bieten einen standardisierten, verhältnismäßig abhörsicheren und praktisch nicht störbaren Anschluss an eine Datennetzwerk, beispielsweise einen Router oder Switch. Alternativ oder zusätzlich kann die Kommunikationsschnittstelle eine WiFi-Schnittstelle umfassen. Diese bietet einen ebenso standardisierten, potentiell sehr schnellen und kabelfreien, d.h. positionsunsensitiven Anschluss. In diesem Fall kann die Steuerung vorteilhaft ausgestaltet sein, einen WiFi-Anschlusspunkt bereitzustellen. Dann können für eine Inbetriebnahme durch einen mit dem WiFi-Anschlusspunkt verbundenen Computer, insbesondere einem Smartphone oder Tablet-PC, von diesem Zugriffsdaten zu einem internetbasierten Cloud-Service oder einem lokalen übergeordneten System empfangen werden und eine Verbindung zu dem Cloud-Service aufgenommen werden und die Daten an den Cloud-Service oder das übergeordnete System übertragen werden.
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Die Steuerung kann auch gespeicherte Internet-Zugriffsdaten zu einem Inbetriebnahme-Server umfassen. In diesem Fall ist sie ausgestaltet, für eine Inbetriebnahme eine Verbindung zu dem Inbetriebnahme-Server aufzunehmen, von diesem Zugriffsdaten zu einem Cloud-Service zu empfangen und Verbindung zu dem Cloud-Service aufzunehmen und die Daten an den Cloud-Service zu übertragen.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
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Es zeigen:
- 1 ein Gerät zum Zwischenschalten zwischen einen Sensor und seine Ansteuerung,
- 2 eine Mess- und Regeleinrichtung mit Sensoren und solchen Geräten.
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Das in 1 gezeugte Gerät 10 ist ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Das Gerät 10 umfasst ein Gehäuse 11. Im Bereich des Gehäuses angeordnet ist eine Buchse 12 für ein M8-Steckverbindersystem sowie ein Einbaustecker 13 für dasselbe Steckverbindersystem. Die Buchse 12 und der Einbaustecker 13 bilden Anschlüsse für einen Sensor und eine Sensoransteuerung, wobei die Anschlüsse hierfür vertauschbar sind, also keine feste Zuordnung von Buchse 12 zum Sensor oder Ansteuerung vorgesehen ist. Die Buchse 12 und der Einbaustecker 13 sind durch direkte Drahtverbindung miteinander verbunden, wobei einander entsprechende, also korrespondierende Pins von Buchse 12 und Einbaustecker 13 elektrisch verbunden sind durch die Leitungen 14. 1 zeigt vereinfachend nur eine Leitung 14, es handelt sich dabei aber um eine Mehrzahl von gegeneinander isolierten Leitungen 14. Die direkte Verbindung der korrespondierenden Pins stellt sicher, dass das Gerät 10 für die angeschlossenen Einrichtungen transparent, also unbemerkbar ist. Ist das Gerät 10 mit einem Sensor und einer Ansteuerung verbunden, können diese agieren, als ob das Gerät 10 nicht vorhanden wäre.
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Das Gerät 10 umfasst weiterhin Wandler 16 für elektrische Größen. Diese sind stark schematisiert in 1 gezeigt. Es kann sich dabei beispielsweise um Strommesseinrichtungen handeln. Diese können galvanisch mit den Leitungen 14 verbunden sein oder induktiv angebunden sein. Beispielsweise kann eine Strommessung an einem Shunt-Widerstand durchgeführt werden. Es kann sich bei den Wandlern 16 auch um Spannungsmesseinrichtungen handeln, beispielsweise über einen Spannungsteiler.
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Die Signale der Wandler 16 werden einer Steuerung 15 zugeführt. Dabei können Signale von allen Leitungen 14 oder nur von einem Teil der Leitungen 14 aufgenommen werden. Die Steuerung wandelt die so gewonnen Maße für Ströme und/oder Spannungen in digitalisierte Daten um und bildet aus diesen Datenpakete. Die Datenpakete können beispielsweise mit passenden Headern versehen werden, um einen Versand als Payload eines Pakets in einem paketbasierten Netzwerk wie dem Internet zu ermöglichen.
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Für den Versand der Daten umfasst das Gerät 10 eine Kommunikationsschnittstelle 17. Diese umfasst in diesem Beispiel sowohl einen drahtgebundenen LAN-Anschluss als auch eine WiFi-Schnittstelle. In diesem Beispiel ist die Kommunikationsschnittstelle 17 über ein LAN-Kabel mit einem Router 18 verbunden, der wiederum eine Verbindung in das Internet und zu einem Cloud-Service 19 ermöglicht.
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Die Verbindung zu dem Cloud-Service 19 muss zu Beginn der Verwendung des Geräts 10 hergestellt werden. Da das Gerät 10 kaum anwendungsbezogene Zwänge aufweist, eist es vorteilhaft, wenn möglichst wenig bezüglich des Ziels der Daten vorgegeben ist. Daher ist in diesem Beispiel die Steuerung 15 so ausgestaltet, dass eine Inbetriebnahme mit einem in der Nähe platzierten Smartphone vorgenommen werden kann. Dazu stellt das Gerät 10 mittels seiner Kommunikationsschnittstelle 17 einen WiFi Access Point zur Verfügung, mit dem das Smartphone verbunden werden kann. Sodann können in einer von der Steuerung 15 bereitgestellten Eingabemaske Verbindungsdaten zu einem Cloud-Service 19 oder zu einem anwenderbasierten Inbetriebnahme-Server eingegeben werden. Die Steuerung kann daraufhin von dem Cloud-Service 19 oder dem Inbetriebnahme-Server alle nötigen Daten für die Verbindung beziehen, beispielsweise Zertifikate oder weitere Zugangsdaten. Auch kann eine Identifikation des Geräts und Registrierung vorgenommen werden. Für die Verbindungsaufnahme mit dem Gerät 10 kann es beispielsweise einen QR-Code oder ähnliches aufweisen, wobei der QR-Code vom Smartphone gescannt werden kann, sodass keine manuelle Eingabe von langen Zeichenketten erforderlich ist. Alternativ ist es möglich, dem Gerät 10 bei der Auslieferung bereits Adressdaten mitzugeben, sodass eine Eingabe durch einen Nutzer entfällt. In diesem Fall ist es aber erforderlich, eine Anpassung an den Einsatzort, also an den Anwender der Geräte 10 vorzunehmen.
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2 zeigt den Einsatz des Geräts 10 in einer Mess- und Regeleinrichtung 20. Die Mess- und Regeleinrichtung 20 umfasst einen ersten Verteiler 21, der einerseits an einen Feldbus 22 angeschlossen ist und andererseits mit Aktoren 23, 24 verbunden ist. Der erste Verteiler agiert als Mastergerät für einen zweiten Verteiler 25, mit dem der erste Verteiler 21 verbunden ist. Der erste Verteiler kann beispielsweise eine Vorrichtung nach der Norm IEC 61131-9 (SDCI) sein. Dies sind auch unter dem Namen IO-Link bekannt. Beispielsweise kann der Verteiler 21 ein IO-Link Master sein.
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Da üblicherweise Sensoren 26...28 eine Stromversorgung benötigen, wird diese für das Gerät 10 mitverwendet. In einem genormten M12-Anschluss kann beispielsweise Pin 1 mit der Versorgungsspannung von 24 V verwendet werden, um eine elektrische Versorgung des Geräts 10 herzustellen.
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Der zweite Verteiler 25 ist mit einem ersten, zweiten und dritten Sensor 26...28 verbunden. Bei den Sensoren handelt es sich hier um einen Temperatursensor 26, einen Drucksensor 27 und einen chemischen Sensor 28, dies ist aber nur beispielhaft und spielt für das Gerät 10 nur eine untergeordnete Rolle. Während der chemische Sensor 28 direkt mit dem zweiten Verteiler 25 verbunden ist, befindet sich in der Verbindung des Temperatursensors 26 und des Drucksensors 27 mit dem zweiten Verteiler 25 jeweils ein Gerät 10.
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Im praktischen Aufbau bedeutet das, dass anstatt einer einzelnen Kabelverbindung zwischen dem zweiten Verteiler 25 und dem jeweiligen Sensor 26, 27 eine erste Kabelverbindung zwischen dem zweiten Verteiler 25 und dem Gerät 10 besteht und eine zweite Kabelverbindung zwischen dem Gerät 10 und dem jeweiligen Sensor 26, 27. Ist der Sensor 26, 27 und die Anwendung passend gestaltet, kann der Sensor 26, 27 auch direkt mit dem Gerät 10 verbunden werden, womit die zweite Kabelverbindung entfällt.
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Wie bereits beschrieben, ist die Zwischenschaltung des Geräts 10 für den Sensor oder die in 2 nicht gezeigte Ansteuerung nicht erkennbar. Dennoch kann das Gerät die anfallenden Signale des Temperatursensors 26 und des Drucksensors 27 aufnehmen und als Daten an den Cloud-Service weiterleiten. Dadurch wird eine Anbindung des Sensors 26, 27 als ein Internet-of-Things-Gerät ermöglicht, ohne dass der Sensor 26, 27 selbst oder seine Ansteuerung, also die Verteiler 21, 25 oder eine übergeordnete Steuerung (SPS) geändert werden müssen.
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Da das Gerät 10 für den Betrieb der Verteiler 21, 25 und Sensoren 26...28 völlig transparent ist, also unsichtbar und elektrisch ohne Einflussnahme stattfindet, stört die Einbringung des Geräts 10 zwischen den Verteiler 25 und die Sensoren 26, 27 die Funktion nach der Norm IEC 61131-9 und den elektrischen Betrieb nach der Norm IEC 61131-2 nicht und alle Funktionen sind weiterhin konform. Andersherum betrachtet kann das Gerät 10 vorteilhaft in jedes solche bestehende Sensor-Aktor-Netzwerk eingebracht werden. Es versteht sich, dass der hier gezeigte Aufbau, nur beispielhaft ist. Beispielsweise kann es je nach verwendeter Architektur sein, dass ein Aufbau mit einem Verteiler 25, der an einem Verteiler 21 angeschlossen ist, gar nicht möglich ist, da nur eine Sternarchitektur möglich ist. Dadurch ergeben sich aber keine Änderungen an dem gezeigten Prinzip, das Gerät 10 zwischen einen Verteiler 21, 25 und die angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren zu schalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gerät
- 11
- Gehäuse
- 12, 13
- Anschlüsse, Buchse, Einbaustecker
- 14
- Leitungen
- 15
- Steuerung
- 16
- Wandler, Stromwandler, Spannungsmesser
- 17
- Kommunikationsschnittstelle
- 18
- Router
- 19
- Cloud-Service
- 20
- Mess- und Regeleinrichtung
- 21, 25
- Verteiler
- 22
- Feldbus
- 23, 24
- Aktoren
- 26
- Temperatursensor
- 27
- Drucksensor
- 28
- Stoffsensor
