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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensoren in einem Bussystem
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Anordnung ist aus der
DE 44 12 653 C2 bekannt. Diese Anordnung
umfasst ein Zweidraht-Bussystem, an welches mehrere Sensoren mit
analogen oder digitalen Schaltzuständen angeschlossen sind. Die
Sensoren werden von einer redundanten Auswerteeinheit mit zwei Auswerteprozessoren
gesteuert. Hierzu stimuliert einer der Auswerteprozessoren die Sensoren,
indem jeweils eine Adresse an die betreffenden Sensoren ausgegeben wird.
Zur Überprüfung der
Funktion der Sensoren wird vom Auswerteprozessor ein Prüfwert, beispielsweise
in Form einer Checksumme, an die Sensoren ausgegeben. Dieser Übertragungsprozess
wird vom anderen Auswerteprozessor überwacht. Nach jedem Überprüfungszyklus
wird zwischen den Auswerteprozessoren gewechselt. Zudem führen die
Sensoren jeweils einen Selbsttest durch.
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Bei
diesem Bussystem ist zwar die Datenübertragung zwischen der Auswerteeinheit
und den Sensoren überprüfbar. Zudem
ist durch den Selbsttest der Sensoren überprüfbar, ob diese interne Gerätestörungen aufweisen:
Jedoch sind die einzelnen Schaltzustände der Sensoren nicht auf
ihre Fehlerfreiheit überprüfbar. Dies
wäre jedoch
notwendig, um derartige Bussysteme auch im Bereich des Personenschutzes
einsetzen zu können.
Damit bei derartigen Bussystemen die Sicherheitsanforderungen im Bereich
des Personenschutzes erfüllbar
sind, müssten
sämtliche
Sensoren selbst redundant und damit fehlersicher aufgebaut sein.
Dies würde
jedoch einen beträchtlichen
schaltungstechnischen Aufwand bedeuten.
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Aus
der
DE 39 39 191 A1 ist
eine mehrstrahlige Einweglichtschranke bekannt, welche mehrere Paare
von Sendern und Empfängern
aufweist. Jeweils ein Sen der-Empfängerpaar bildet eine Lichtschranke,
wobei der Sender Sendelichtstrahlen in Richtung des Empfängers emittiert.
Die einzelnen Sender-Empfängerpaare
werden zyklisch nacheinander aktiviert.
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Den
Sendelichtstrahlen unterschiedlicher Sender-Empfängerpaare sind teilweise unterschiedliche
Kennungen aufgeprägt.
Insbesondere unterscheidet sich die Kennung der Sendelichtstrahlen des
ersten Sender-Empfängerpaares
von den übrigen
Kennungen. Somit kann anhand der Kennung der Sendelichtstrahlen
des ersten Sender-Empfängerpaares
der Betrieb der mehrstrahligen Einweglichtschranke synchronisiert
werden.
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Die
mehrstrahlige Einweglichtschranke ist zweikanalig aufgebaut. Nur
wenn beide Kanäle
im Auswertekreis gleichzeitig eine Freigabe erteilen, das heißt alle
Sender-Empfängerpaare
einen freien Strahlengang melden, wird ein Freigabesignal erzeugt
und über
ein Relais ausgegeben. Dieses Freigabesignal bildet das binäre Schaltsignal,
das zur Inbetriebsetzung eines Arbeitsgeräts oder dergleichen eingesetzt
wird.
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Die
DE 43 38 978 A1 betrifft
ein Lichtgitter mit einer Reihe von Paaren bildenden Lichtsendern
und Lichtempfängern.
Jedes Paar bildet eine Lichtschranke, wobei vom jeweiligen Lichtsender
Sendelichtstrahlen in Richtung des zugeordneten Lichtempfängers emittiert
werden. Zur Unterscheidung der Sendelichtstrahlen der einzelnen
Lichtschranken sind diesen individuelle Kodierungen aufgeprägt. Die einzelnen
Sender werden zyklisch nacheinander aktiviert. Bei der Aktivierung
eines Senders ist nicht nur der zugeordnete Empfänger aktiviert. Vielmehr werden
bei Aktivierung eines Senders n neben den Empfangssignalen des zugeordneten
Empfängers
n auch jene der benachbarten Empfänger n+1 und n-1 ausgewertet,
um interne Störungen
aufzudecken.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Sensoren
der eingangs genannten An so auszubilden, dass diese mit möglichst
geringem Schaltungsaufwand die Sicherheitsanforderungen für den Einsatz
im Personenschutz erfüllt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
Master prägt
den Signalen der Sensoren, welche die Schaltzustände darstellen, eine individuelle
Kodierung auf. Auf diese Weise werden die vorzugsweise binären Schaltzustände der
Sensoren in vorgegebener Weise dynamisiert. Diese Dynamisierung
erfolgt für
die einzelnen Sensoren auf unterschiedliche Weise, jedoch für jeden
einzelnen Sensor mit einer definierten zeitlichen Abfolge, die im
Master überprüfbar ist.
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Die
gesamte Datenübertragung
zwischen dem Master und den Slaves wird von einer an das Bussystem
angeschlossenen redundanten Auswerteeinheit abgehört und überprüft. Die
Auswerteeinheit hat innerhalb des Bussystems eine rein passive Kontrollfunktion.
Sie erfüllt
weder die Funktion eines Masters noch eines Slaves.
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Durch
die Dynamisierung der Signale der Sensoren können Übertragungsfehler, insbesondere auch
statische Übertragungsfehler,
mit großer
Sicherheit aufgedeckt werden. Diese Überprüfung erfolgt durch eine redundante
Auswerteeinheit und damit mit der für den Personenschutz geforderten
Sicherheit. Besonders vorteilhaft dabei ist, daß die Signale der Sensoren
jeweils eine individuelle Zeitabhängigkeit aufweisen, die den
einzelnen Slaves zu jedem Zeitpunkt eindeutig zugeordnet werden
kann. Dadurch brauchen die Sensoren selbst nicht redundant aufgebaut
sein. Die Überprüfung der
individuellen Signale der Slaves durch die redundante Auswerteeinheit
erfüllt
das für
den Personenschutz erforderliche Sicherheitsniveau.
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Die
Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1: Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Sensor-Bussystems.
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2: Schaltungsanordnung zur
Dynamisierung der Sensor-Signale.
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3: Impulsdiagramm für die Signalverläufe in der
Schaltungsanordnung gemäß 2.
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1 zeigt ein nach dem Master-Slave-Prinzip
arbeitendes Sensor-Bussystem 1. Die Sensoren 2 bilden
einen Anordnung zur Überwachung
eines nicht dargestellten Arbeitsgeräts. Beispielsweise werden die
Sensoren 2 zur Überwachung
des Vorfelds des Arbeitsgerätes
eingesetzt. Mit einer derartigen Zugangskontrolle kann überwacht
werden, ob sich Personen unbefugt dem Arbeitsgerät nähern. Erfolgt ein derartiger
Personeneingriff in das Vorfeld des Arbeitsgeräts, so wird das Arbeitsgerät aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.
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Die
Sensoren 2 weisen vorzugsweise jeweils binäre Schaltzustände auf.
Nur dann, wenn sich sämtliche
Sensoren 2 im Schaltzustand „0" befinden, welcher signalisiert, daß sich kein
Objekt oder keine Person im Beeinflussungsbereich des jeweiligen Sensors 2 befindet,
erfolgt die Freigabe für
das Inbetriebsetzen des Arbeitsgerätes.
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Die
Sensoren 2 bilden die Slaves des Bussystems 1. Das
Bussystem 1 wird vom Master, der von einer Steuereinheit 3,
beispielsweise einer SPS-Steuerung, gebildet ist, zentral gesteuert.
Der Master und die Slaves sind über
Busleitungen 4 miteinander verbunden. Die Stromversorgung
erfolgt über
ein Netzteil 5.
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Der
Master fragt die einzelnen Slaves unter vorgegebenen Adressen zyklisch
ab, worauf jeder Slave eine Antwort an den Master sendet.
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Im
vorliegenden Fall ist das Bussystem 1 vom ASi-Bussystem
gebildet. Das ASi-Bussystem ist insbesondere für den Anschluß von binären Sensoren
und Aktoren konzipiert. Die Funktionsweise des ASi-Bussystems ist
in „ASI – Das Aktuator
Sensor Interface für
die Automation",
Werner Kriesel, Otto W. Madelung, Carl Hanser Verlag, 1994 beschrieben, dessen
Inhalt in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung miteinbezogen
wird.
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Beim
ASi-Bussystem besteht ein Masteraufruf aus einem Startbit, einer
5 Bit-breiten Adresse,
2 Bit Steuerinformation, 4 Bit Nutzdaten sowie jeweils einem Paritäts- und
Stopp-Bit. Die zugehörige
Slaveantwort enthält
ein Start-Bit, 4 Bit Nutzdaten sowie jeweils ein Paritäts- und
Stopp-Bit. Ein Slave überprüft den empfangenen
Masteraufruf anhand vorgegebener ASi-spezifischer Kodierungsregeln.
Erkennt der Slave einen gültigen
Masteraufruf, so sendet er eine entsprechende Antwort. In allen
anderen Fällen antwortet
er nicht. Ebenso verwirft der Master eine Slaveantwort, wenn sie
den entsprechenden Kodierungsregeln nicht entspricht.
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Die
Daten sind Manchester-kodiert und werden als alternierende, sin2-förmige
Spannungsimpulse über
die Busleitungen 4 übertragen.
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Hierzu
ist dem Master eine Analogschaltung 6 nachgeordnet, welche
ein jeweils nicht dargestelltes Sendeelement und ein Empfangselement
aufweist. Im Sendeelement werden die binären Daten eines Masteraufrufs
in eine Folge von sin2-förmigen Spannungsimpulse umgewandelt.
Diese Signale werden über
die Busleitungen 4 an die Slaves gesendet. Die von den
Slaves über
die Busleitungen 4 an den Master gesendeten Signale werden
in dem Empfangselement in binäre
Datenfolgen umgewandelt.
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Jedem
Slave ist ein Schnittstellenbaustein 7 zugeordnet, der
in dem vorliegenden Beispiel von einem ASi-IC gebildet ist. Im Schnittstellenbaustein 7 werden
die über
die Busleitung 4 empfangenen Folgen von sin2-förmigen Spannungsimpulsen
in binäre Daten
gewandelt. Desweiteren wird im Schnittstellenbaustein 7 die
in Form von binären
Daten vorliegende Slaveantwort in eine Folge von sin2-förmigen Spannungsimpulsen
und über
die Busleitungen 4 an den Master gesendet.
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Zur Überprüfung der über die
Busleitungen 4 gesendeten Signale ist eine redundante Auswerteeinheit 8 mit
zwei sich überwachenden
Rechnereinheiten 9, 10 an das Bussystem 4 angeschlossen.
Die Rechnereinheiten 9, 10 sind vorzugsweise von
identisch aufgebauten Mikroprozessoren gebildet. Die Auswerteeinheit 8 bildet
weder einen Master noch einen Slave sondern stellt einen rein passiven
Busteilnehmer dar, der fortlaufend die auf den Busleitungen 4 übertragenen
Signale abhört.
Hierzu ist die Auswerteeinheit 8 an die Analogschaltung 6 angeschlossen.
Die Signale des Empfangselements werden in die Rechnereinheiten 9, 10 der
Auswerteeinheit 8 eingelesen und dort zyklisch miteinander
verglichen.
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Jede
Rechnereinheit 9, 10 weist einen Ausgang 11, 12 auf,
welcher an das Arbeitsgerät
angeschlossen ist. Die Ausgänge 11, 12 sind
als Relaisausgänge
oder sichere, sich selbst überwachende Halbleiterausgänge ausgebildet. Über diese
Ausgänge 11, 12 erfolgt
die Inbetriebsetzung des Arbeitsgeräts, falls der Datenverkehr über die
Busleitungen 4 fehlerfrei erfolgt und falls sich die einzelnen
Sensoren 2 jeweils im Schaltzustand „0" befinden.
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Dabei
erfolgt der Datenverkehr derart, daß vom Master aus den Signalen
der Sensoren 2 eine individuelle Kodierung aufgeprägt ist.
Diese Kodierungen werden in der Auswerteeinheit 8 fortlaufend überprüft.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Slaves jeweils von einer Lichtschranke mit jeweils einem
Sendelichtstrahlen 13 emittierenden Sender 14 und
einem Empfänger 15 gebildet.
Der Schaltzustand „0" entspricht hier
einem freien Strahlengang, so daß die vom Sender 14 emittierten
Sendelichtstrahlen 13 ungehindert auf den Empfänger 15 treffen.
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Der
Sender 14 und der Empfänger 15 einer Lichtschranke
weist jeweils einen Schnittstellenbaustein 7 auf.
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Zur
Funktionsüberprüfung wird
dem Ausgangssignal des Empfängers 15,
welches den Schaltzustand darstellt, eine Kodierung aufgeprägt.
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Hierzu
ist die Schaltungsanordnung gemäß 2 vorgesehen. Dort ist der
Schnittstellenbaustein 7 eines Empfängers 15 einer Lichtschranke
dargestellt. Von einem Ausgang des Schnittstellenbausteins 7 ist
eine Zuleitung 16 auf ein Exclusiv-Oder-Glied 17 geführt, auf
welches auch der Schaltausgang 18 der Lichtschranke geführt ist.
Am Schaltausgang 18 liegt das den Schaltzustand des Empfängers 15 bildende
Ausgangssignal an. Der Ausgang des Exclusiv-Oder-Glieds 17 ist auf einen Eingang
des Schnittstellenbausteins 7 sowie auf einen Eingang eines
Schieberegisters 19 geführt.
Ein Ausgang des Schieberegisters 19 ist über eine
Zuleitung 20 auf einen Eingang des Schnittstellenbausteins 7 geführt. Dieser
Ausgang sowie ein zweiter Ausgang des Schieberegisters 19 sind über ein
zweites Exclusiv-Oder-Glied 21 auf einen Eingang des Schieberegisters 19 rückgekoppelt.
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Der
Inhalt des Schieberegisters 19 läßt sich durch Taktimpulse weiterschalten.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
weist das Schieberegister 19 fünf Flip-Flops auf, so daß im Schieberegister 19 eine Bitfolge
mit einer Länge
von 31 Bit abgespeichert ist.
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Die
Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß 2 ist aus 3 ersichtlich.
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Während des
Betriebs der Lichtschrankenanordnung, welcher in 3 den mit „Schutzbetrieb" und „Schutzverletzung" gekennzeichneten
Zeitbereichen entspricht, werden vom Master an den Schnittstellenbaustein 7 mit
einem vorgegebenen Eingabetakt Daten übermittelt, die mit demselben
Ausgabetakt wieder ausgelesen werden.
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Dabei
werden im Master Taktimpulse in Form einer binären Signalfolge („Signal
im Master") erzeugt,
welche auch als Referenz im Master hinterlegt sind. Diese binäre Signalfolge
wird im fehlerfreien Betrieb von einem Ausgang des Schnittstellenbausteins 7 („Ausgang
IC") unverändert zurück an den Master übertragen.
Im Fehlerfall, oder wie in 3 im
Bereich „Schutzverletzung" dargestellt, bei
einem Objekteingriff, wird diese Signalfolge gestört. Dies wird
sowohl im Master als auch in der Auswerteeinheit 8 registriert.
Stimmt die vom Master ausgesendete Signalfolge nicht mit der Referenz überein,
so wird das Arbeitsgerät
durch die Auswerteeinheit 8 außer Betrieb gesetzt.
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Desweiteren
wird von jedem Slave der Inhalt des Schieberegisters 19 an
den Master übertragen. Vorzugsweise
wird bei jeder auf einen Masteraufruf folgenden Slaveantwort das
höchstwertige
Bit des Schieberegisters 19 übertragen.
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Zweckmäßigerweise
werden in einer Initialisierungsphase in die einzelnen Schieberegister 19 der
Slaves jeweils unterschiedliche Bitfolgen eingelesen. Dabei können in
den einzelnen Schieberegistern 19 der Slaves beispielsweise
zwar dieselben Bitfolgen eingespeichert werden, jedoch mit unterschiedlichen
Anfangswerten. Somit sind auf jeweils gleichen Registern der Schieberegister 19 unterschiedliche
Bitwerte abgespeichert. Alternativ können in den Slaves auch Bitfolgen
abgespeichert werden, deren Bitwerte sich jeweils voneinander unterscheiden,
wobei gewährleistet
ist, daß zumindest
jeweils eine Gruppe von 5 Bits jeweils für jeden Slave unterschiedlich
ausgebildet ist. Durch die Auswertung aufeinanderfolgender Slaveantworten
kann dann eindeutig festgestellt werden, von welchem der Slaves
eine Antwort empfangen wurde. Dabei sind die in den Schieberegistern 19 enthaltenen
Bitfolgen im Master als Referenzwerte abgespeichert.
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Der
Inhalt der Schieberegister 19 wird durch Taktimpulse um
eine definierte Anzahl von Bitwerten weitergeschoben. Da im vorliegenden
Fall 5 Flip Flops für
das Schieberegister 19 vorgesehen sind, erhält man nach 31 Taktimpulsen
wieder den ursprünglichen
Zustand des Schieberegisters 19.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist,
wird ein Taktimpuls für
das Schieberegister 19 während des Betriebs der Slaves
(Bereiche „Schutzbetrieb" und „Schutzverletzung") mit dem Takt der
vom Master gesendeten binären
Signal folge generiert. Desweiteren erfolgt eine Änderung des Zustands des Schieberegisters 19,
wenn sich der Schaltzustand des Sensors 2 ändert.
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Während des
in 3 mit „Schutzbetrieb" gekennzeichneten
Zeitbereichs befindet sich der Empfänger 15 der Lichtschranke
im Schaltzustand „0", was einem freien
Strahlengang der Lichtschranke entspricht. In diesem Fall entspricht
das Signal im Master und das dadurch generierte Signal am Ausgang
des Schnittstellenbausteins 7 (Ausgang IC) der Referenz
im Master. Zudem wird das Schieberegister 19 im Takt der
Signale des Masters getaktet. Dies kennzeichnet einen fehlerfreien
Betrieb der Lichtschranke bei freiem Strahlengang. Für den Fall,
daß sämtliche
Sensoren 2 der Anordnung diese Signalzustände aufweisen,
wird durch die Auswerteeinheit 8 das Arbeitsgerät in Betrieb
gesetzt.
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Demgegenüber wechselt
in dem mit „Schutzverletzung" gekennzeichneten
Zeitbereich der Schaltzustand von „0" auf „1 ". Dies bedeutet, daß sich eine Person oder ein
Objekt im Strahlengang der Lichtschranke befindet. Durch die Änderung
des Schaltzustands wechselt auch das Signal am Eingang des Schnittstellenbausteins 7 (Eingang
am IC) den Schaltzustand. Dadurch ändert sich die Signalfolge
im Master und stimmt nicht mehr mit der Referenz im Master überein.
Zudem erhält
das Schieberegister 19 einen Taktimpuls wodurch die Bitfolge
des Schieberegisters 19 verschoben wird.
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Diese
Signaländerungen
werden sowohl im Master als auch in der Auswerteeinheit 8 registriert. Daraufhin
wird das Arbeitsgerät
durch die Auswerteeinheit 8 außer Betrieb gesetzt.
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In 3 sind im Zeitbereich „Anlauf-Testung" die Signalverläufe vor
Inbetriebnahme der Lichtschrankenanordnung dargestellt. In dieser
Phase ist die Lichtschrankenanordnung noch deaktiviert, so daß eine Überwachung
des Arbeitsgeräts
noch nicht möglich
ist. In diesem Zeitbereich erfolgt noch keine Dynamisierung der
Schaltzustände
der Lichtschranken, da vom Master noch keine Taktimpulse an die
Slaves gesendet werden. Dementsprechend befinden sich das Signal
im Master und damit der Ausgang des Schnittstellenbausteins 7 (Ausgang
IC) konstant im Signalzustand „0". Dennoch kann auch während dieser
Phase die Funktionsfähigkeit
der Lichtschranke überprüft werden.
Hierzu wird jede Lichtschranke kurzzeitig ausgeschaltet, wodurch
der Schaltzustand der Lichtschranke kurzzeitig von „0" auf „1" wechselt. Als Reaktion
darauf erhält
das Schieberegister 19 einen Taktimpuls, wodurch die Bitfolge
im Schieberegister 19 weitergeschoben wird. Die Änderung
des Inhalts des Schieberegisters 19 ist bei der nachfolgenden
Slaveantwort einfach durch die Auswerteeinheit 8 überprüfbar. Wird
die Änderung
des Inhalts des Schieberegisters 19 als Antwort auf die
Schaltzustandsänderung
der Lichtschranke wie in 3 dargestellt
registriert, arbeitet die Lichtschranke und deren Datenübertragung
zum Master fehlerfrei.
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Die
Anlauf-Testung gemäß 3 ist jedoch nicht auf den
Zeitraum vor Inbetriebnahme beschränkt. Auch während des Betriebs der Lichtschranken
können
diese in vorgegebenen Zeitabständen
zu Testzwecken deaktiviert werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die Dauer einer solchen Testung erheblich kürzer als
die Zykluszeit des Bussystems 1, so daß durch die einzelnen Testungen die
Verfügbarkeit
der Lichtschrankenanordnung nicht eingeschränkt wird.