DE10347584B4

DE10347584B4 - System mit einer Vielzahl drahtlos gespeister Sensoren und/oder Aktoren und einer mit einem Automatisierungsgerät verbundenen Basisstation

Info

Publication number: DE10347584B4
Application number: DE2003147584
Authority: DE
Inventors: Kai Dipl.-Ing. Garrels; Jürgen Dipl.-Ing. Fuchs
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: DE10347584A1

Abstract

System mit einer Vielzahl drahtlos gespeister Sensoren und/oder Aktoren (2.1...2.n) als Knoten und einer Basisstation (5), welches in einer Fertigungsanlage installiert ist, wobei eine drahtlose Kommunikation per Funk unter Einsatz von CDMA oder TDMA zwischen den Sensoren und/oder Aktoren (2.1...2.n) einerseits und der mit einem Automatisierungsgerät (8) verbundenen Basisstation (5) andererseits erfolgt, wobei das Automatisierungsgerät (8) in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgeführt ist, wobei die Basisstation (5) derart über elektrische Leitungen (7.1...7.n) mit dem Automatisierungsgerät (8) verbunden ist, dass jedem drahtlosen Sensor und/oder Aktor (2.1...2.n) eine separate Leitung zugeordnet ist und wobei die Signalübertragung über die elektrischen Leitungen (7.1...7.n) in Form von standardisierten DC-Signalen erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System mit einer Vielzahl drahtlos gespeister Sensoren und/oder Aktoren als Knoten und einer Basisstation, welches in einer Fertigungsanlage installiert ist, wobei eine drahtlose Kommunikation per Funk unter Einsatz von CDMA oder TDMA zwischen den Sensoren und/oder Aktoren einerseits und der mit einem Automatisierungsgerät verbundenen Basisstation andererseits erfolgt, wobei das Automatisierungsgerät in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgeführt ist,
Die Erfindung kann beispielsweise bei Fertigungsanlagen mit bezüglich Energieversorgung und Kommunikation drahtlosen Sensoren und/oder Aktoren verwendet werden.
Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschalter/Näherungssensoren, Temperaturmesssensoren, Druckmesssensoren, Strommesssensoren oder Spannungsmesssensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren verwendet werden.
In der DE 199 26 799 A1 wird ein System für eine eine Vielzahl von drahtlosen Näherungssensoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,

– wobei jeder Näherungssensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mit telfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist,
– wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren mit elektrischer Energie vorgesehen ist,
– und wobei jeder Näherungssensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, miteinem Prozessrechner der Maschine verbundene Basisstation abgibt.

Bei diesem drahtlosen System entfällt im Vergleich zu konventionellen Lösungen mit Draht/Kabelanschluss zur elektrischen Energieversorgung und zur Kommunikation der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor der Draht/Kabelanschlüsse. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.

In der DE 199 26 562 A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, ein Aktor und eine Primärwicklung hierzu sowie ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine vorgeschlagen, wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energieversorgung und Kommunikation gleichartig der vorstehend für die DE 199 26 799 A1 angegebenen Technologie ist.

Aus der EP 0 567 781 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln von Elektromotoren bekannt, wobei beispielsweise drei Motoren vorgesehen sind, an welche jeweils ein Sensor angebracht ist, der dem fortschreitenden Drehwinkel des Motors entsprechend Impulsfolgen abgibt, wobei die von den Sensoren stammenden Signale einer Steuerung zugeführt werden.

Aus dem Datenblatt von SGS-Thomson Microelectronics: „IMS B008, IBM PC Motherboard" vom August 1994, Nr.: 42 1487 01 ist eine Trägerleiterplatte („motherboard") bekannt, welche eine Vielzahl von Steckplätzen zur Bestückung mit Subsystemen (Transputermoduln) aufweist.

Aus dem Datenblatt von SGS-Thomson Microelectronics: „IMS B452, 4MByte SIZE 2 TRAM" vom November 1995, Nr.: 42 1676 00 geht hervor, dass die Bestückung derartiger Trägerleiterplatten mit Subsystemen über Standard Steckverbindungen erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System mit einer Vielzahl drahtlos gespeister Sensoren und/oder Aktoren und einer mit einem Automatisierungsgerät verbundenen Basisstation anzugeben, welches eine vereinfachte, unkomplizierte Verbindungstechnik zwischen Basisstation und Automatisierungsgerät ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System mit einer Vielzahl drahtlos gespeister Sensoren und/oder Aktoren als Knoten und einer Basisstation, welches in einer Fertigungsanlage installiert ist, wobei eine drahtlose Kommunikation per Funk unter Einsatz von CDMA oder TDMA zwischen den Sensoren und/oder Aktoren einerseits und der mit einem Automatisierungsgerät verbundenen Basisstation andererseits erfolgt, wobei das Automatisierungsgerät in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgeführt ist, wobei die Basisstation derart über elektrische Leitungen mit dem Automatisierungsgerät verbunden ist, dass jedem drahtlosen Sensor und/oder Aktor eine separate Leitung zugeordnet ist und wobei die Signalübertragung über die elektrischen Leitungen in Form von standardisierten DC-Signalen erfolgt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Datenbusverbindung zwischen Basisstation und dem Automatisierungsgerät nicht erforderlich ist. Die Einbindung der Basisstation in das Automatisierungssystem erfolgt vielmehr universell und völlig unabhängig vom konkret verwendeten Steuerungs- oder Bussystem.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dem Unteranspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

1 ein hinsichtlich der Energieversorgung und Kommunikation drahtloses Automatisierungssystem,

2 eine mögliche Ausführungsform einer Basisstation.

In 1 ist ein hinsichtlich der Energieversorgung und Kommunikation drahtloses Automatisierungssystem dargestellt. Es ist eine Maschine oder Anlage 1 (beispielsweise Industrieroboter oder Verarbeitungsvorrichtung, insbesondere Fertigungsvorrichtung) zu erkennen, welche eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren 2.1...2.n (n = beliebige ganze Zahl) aufweist.

Zur drahtlosen Energieversorgung der Sensoren und/oder Aktoren 2.1...2.n sind mindestens zwei parallel angeordnete Primärwicklungen 3.1 und 3.2 vorgesehen, welche in synchronisierter Weise unter Einsatz einer Energieversorgungseinheit 4 und nicht gezeigter Resonanzkondensatoren mit einer mittelfrequenten Schwingung im Bereich von etwa 15 kHz bis 15 MHz gespeist werden, wodurch ein magnetisches Feld dieser Frequenz erzeugt wird. Die Sensoren und/oder Aktoren 2.1...2.n weisen jeweils Sekundärwicklungen, Resonanzkondensatoren, Gleichrichter und Speicherelemente auf, um die erzeugte magnetische Energie über magnetische Kopplung in elektrische Energie zur Speisung ihrer elektrischen Komponenten umzuwandeln.

Die drahtlose Kommunikation per Funk zwischen den Sensoren und/oder Aktoren 2.1...2.n einerseits und einem Automatisierungsgerät 8 andererseits erfolgt unter Einsatz einer Basisstation 5. Unter dem Begriff Kommunikation wird insbesondere die Weiterleitung von Sensorsignalen (Daten) von den Sensoren an das Automatisierungsgerät und die Abgabe von Befehlen vom Automatisierungsgerät an die Aktoren verstanden.

Zur Trennung der einzelnen Funkverbindungen untereinander und zur Verhinderung von störenden Interferenzen zwischen den einzelnen Kommunikationswegen können allgemein bekannte Verfahren der Funktechnik eingesetzt werden, beispielsweise CDMA oder TDMA.

Die Basisstation 5 weist vorzugsweise einen Funksender und/oder einen Funkempfänger oder eine kombinierte Sende/Empfangseinrichtung auf, welche Funksignale abgibt und empfängt, wobei selbstverständlich zumindest eine Antenne 6 vorgesehen ist. Die drahtlose Kommunikation zwischen der Basisstation 5 und den einzelnen Sensoren und/oder Aktoren 2.1...2...n erfolgt vorzugsweise über 2-Weg-Funkverbindungen. Jeder Sensor und Aktor ist hierzu mit einem Funksender und/oder einem Funkempfänger oder einer kombinierten Sende/Empfangseinrichtung ausgestattet, die Funksignale abgibt und empfängt. Beispielsweise geben die Sensoren Sensorsignale, d. h. Funksignale hinsichtlich des aktuellen Zustandes/Schaltzustandes ab und empfangen Parametersätze über Funk, wie vorgegebene Sensor-Schaltschwellen bzw. Schalthysteresen und/oder vorgegebene Korrekturfaktoren für unterschiedliche zu identifizierende Materialien bei Näherungssensoren.

Die Aktoren empfangen Parametersätze und/oder Steuerbefehle der Steuerung zur Ausführung bestimmter Handlungen und geben Rückmeldesignale, d. h. Funksignale hinsichtlich aktueller Aktor-Informationen, wie die Rückmeldung "gewünschte Handlung erfolgreich/nicht erfolgreich ausgeführt" oder allgemein die Rückmeldung über die aktuelle Aktorstellung an die Steuerung ab. Die Funksignale zu allen Sensoren und/oder Aktoren 2.1...2.n bzw. von allen Sensoren und/oder Aktoren werden von der Basisstation 5 als zentraler Sende/Empfangseinrichtung des Automatisierungssystems abgegeben bzw. empfangen.

In einer einfacheren, nur zur drahtlosen 1-Weg-Kommunikation mit Sensoren geeigneten Ausführungsform weist die Basisstation 5 lediglich einen Funkempfänger auf, während jeder Sensor lediglich mit einem Funksender versehen ist. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, die erfassten Sensordaten als drahtlose Sensorsignale an die Basisstation 5 zu übermitteln.

In einer einfacheren, nur zur drahtlosen 1-Weg-Kommunikation mit Aktoren geeigneten Ausführungsform weist die Basisstation 5 lediglich einen Funksender auf, während jeder Aktor lediglich mit einem Funkempfänger versehen ist. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, die notwendigen Steuerbefehle und Parametersätze drahtlos an die Aktoren zu übermitteln.

Die Signalübertragung zwischen der Basisstation 5 und dem Automatisierungsgerät 8 (speicherprogrammierbare Steuerung SPS, programmable logical controller PLC) erfolgt über separate elektrische Leitungen 7.1...7.n, d. h. pro Sensor und/oder Aktor 2.1...2.n ist eine eigene Leitung vorhanden. Die Signalübertragung erfolgt vorzugsweise standardisiert als 24 V-Signal (DC). Es ist auch möglich, mit Hilfe dieser elektrischen Leitungen 7.1...7.n Prozesselemente wie beispielsweise Signallampen oder weitere Aktoren direkt anzusteuern.

In 2 ist eine mögliche Ausführungsform einer Basisstation dargestellt. Die als Basisstation-Steckkarte 11 – bestehend aus komplett bestückter Leiterplatte mit genormtem elektrischem Steckverbinder 12 – ausgebildete Basisstation 5 weist beispielsweise einen Funksender mit vorgeschaltetem Modulator/Codierer und nachgeschalteter Antenne 6 auf. Der Modulator/Codierer ist mit einer Verarbeitungseinheit verbunden, desgleichen ein Demodulator/Decodierer mit vorgeschaltetem Funkempfänger, welcher wiederum an die Antenne 6 angeschlossen ist. Die Verarbeitungseinheit ist an den Steckverbinder 12 angeschlossen, welcher im eingesteckten Zustand über einen Steckverbinder 10 einer vorhandenen E/A-Karte 9 (Input/Output) des Automatisierungsgerätes 8 die Kommunikationsverbindungen und selbstverständlich auch die Energieversorgung der Komponenten der Basisstation herstellt.

1: Maschine oder Anlage
2.1...2.n: Sensoren und/oder Aktoren
3.1, 3.2: Primärwicklungen
4: Energieversorgungseinheit
5: Basisstation
6: Antenne
7.1...7.n: elektrische Leitungen
8: Automatisierungsgerät (speicherprogrammierbare Steuerung SPS,
: programmable logical controller PLC)
9: E/A-Karte eines Automatisierungsgerätes
10: Steckverbinder
11: Basisstation-Steckkarte
12: Steckverbinder

Claims

System mit einer Vielzahl drahtlos gespeister Sensoren und/oder Aktoren (2.1...2.n) als Knoten und einer Basisstation (5), welches in einer Fertigungsanlage installiert ist, wobei eine drahtlose Kommunikation per Funk unter Einsatz von CDMA oder TDMA zwischen den Sensoren und/oder Aktoren (2.1...2.n) einerseits und der mit einem Automatisierungsgerät (8) verbundenen Basisstation (5) andererseits erfolgt, wobei das Automatisierungsgerät (8) in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgeführt ist, wobei die Basisstation (5) derart über elektrische Leitungen (7.1...7.n) mit dem Automatisierungsgerät (8) verbunden ist, dass jedem drahtlosen Sensor und/oder Aktor (2.1...2.n) eine separate Leitung zugeordnet ist und wobei die Signalübertragung über die elektrischen Leitungen (7.1...7.n) in Form von standardisierten DC-Signalen erfolgt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation (5) in Form einer Basisstation-Steckkarte (11) mit Steckverbinder (12) ausgebildet ist, welche auf eine E/A-Karte (9) des Automatisierungsgerätes (8) aufsteckbar ist.