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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Feldbussystems, insbesondere einer Heizungsanlage mit mehreren daran angeschlossenen Komponenten.
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Insbesondere auf dem Gebiet der Heizungstechnik ist es üblich, mehrere Geräte über ein Feldbussystem, beispielsweise einen CAN-Bus oder einen Modbus, zu einer großen Anlage zu verbinden. Bei den Geräten handelt es sich beispielsweise um Stückholzkessel, thermische Solaranlagen, Pufferspeicher und ein oder mehrere Heizkreise, die damit versorgt werden. Zur Steuerung der gesamten Anlage werden im Stand der Technik üblicherweise lokale Steuergeräte eingesetzt, die nur vor Ort, und nicht aus der Ferne, insbesondere nicht über das Internet, steuerbar sind. Dies liegt unter anderem daran, dass jede Komponente der Anlage in der Regel proprietäre Protokolle und Steuerbefehle einsetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beheben und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, ein Feldbussystem mit mehreren Komponenten aus der Ferne, insbesondere über das Internet, zu steuern. Dabei soll es die Vorrichtung insbesondere ermöglichen, verschiedenste Komponenten mit proprietären und voneinander unabhängigen Protokollen ansteuern zu können, ohne dass der Endbenutzer die dafür jeweils benötigten Protokolle kennen muss.
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Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Ansteuerung des Feldbussystems gelöst, bei der eine erste Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Feldbussystem und eine zweite Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Server vorgesehen ist, wobei die Vorrichtung zur bidirektionalen, verschlüsselten Kommunikation zwischen dem Server und dem Feldbussystem ausgeführt ist.
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Die Vorrichtung kann insbesondere als Protokollumsetzer oder Gateway ausgeführt sein, der dazu eingerichtet ist, verschlüsselte Nachrichten des Servers über eine Schnittstelle zu empfangen, zu entschlüsseln, in für die Komponenten des Feldbussystems lesbare Nachrichten umzusetzen und über eine weitere Schnittstelle an das Feldbussystem zu senden, sowie in umgekehrter Richtung Nachrichten der Komponenten des Feldbussystems über eine Schnittstelle zu empfangen, in für den Server lesbare Nachrichten umzusetzen, zu verschlüsseln, und über eine weitere Schnittstelle an den Server zu senden.
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Dadurch wird ermöglicht, dass für den Benutzer, der lediglich mit dem Server kommuniziert, die proprietären Protokolle der am Feldbus angeschlossenen Komponenten nicht bekannt sein müssen. Der Protokollumsetzer empfängt die von den Komponenten des Feldbussystems gesendeten Datenpakete und setzt sie in ein eigenes Protokoll um, das verwendet wird, um mit dem Server zu kommunizieren. Dies ermöglicht es, sämtliche Daten der angeschlossenen Komponenten einheitlich über den Server und das Internet dem Benutzer zugänglich zu machen. Eine direkte Kommunikation zwischen dem Server oder dem Benutzer und den einzelnen Komponenten des Feldbussystems ist weder vorgesehen noch erforderlich und erfindungsgemäß auch gar nicht möglich.
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Die Vorrichtung ermöglicht es dem Kunden beispielsweise den Ladegrad (die Temperatur) eines am Feldbus angeschlossenen Pufferspeichers anzusehen, die gewünschte Wohnraumtemperatur eines Heizkreises zu ändern oder die automatische Zündung des Heizkessels freizugeben und somit den Heizkessel zu starten. Im Gegensatz zu Steuerungen aus dem Stand der Technik muss der Benutzer auf den Komponenten des Systems selbst nichts einstellen.
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Auch wird die Sicherheit des Systems erhöht, da die Vorrichtung es verhindert, dass über das Internet direkt auf das Feldbussystem selbst zugegriffen werden kann. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Feldbussystem weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Heizkesselsteuerung, einen Solarregler, einen Pufferspeichersensor, einen Temperaturfühler und/oder andere Komponenten umfasst. Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass die erste Schnittstelle des Protokollumsetzers als Feldbusschnittstelle, insbesondere CAN- oder ModBus-Schnittstelle ausgeführt ist, die zweite Schnittstelle als Netzwerkschnittstelle, insbesondere Ethernet-Schnittstelle ausgeführt ist und vorzugsweise weitere Schnittstellen, insbesondere eine USB-Schnittstelle vorgesehen sind.
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Die Erfindung erstreckt sich weiters auf einen Server zur Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend einen Protokollserver zur verschlüsselten Kommunikation mit dem Protokollumsetzer, eine Datenbank-Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Datenbank-Server und/oder einer Datenbank, sowie einen Kontrollserver zur Entgegennahme von Befehlen für das Feldbussystem. Der dedizierte Kontrollserver ermöglicht es, proprietäre Nachrichten der Komponenten des Feldbusses entgegenzunehmen. Durch Abfrage der Datenbank können diese Nachrichten in ein einheitliches Format ungewandelt und an den Benutzer weitergeleitet werden.
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Die Erfindung erstreckt sich weiters auf ein System aus einem erfindungsgemäßen Protokollumsetzer und einen erfindungsgemäßen Server.
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Offenbart wird weiters ein Verfahren zur Steuerung eines Feldbussystems, insbesondere einer Heizungsanlage mit mehreren Komponenten, durch einen externen Server über einen, mit dem Feldbussystem verbundenen Protokollumsetzer, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: In einem ersten Schritt erfolgt die Authentifizierung und der Aufbau einer verschlüsselten Verbindung zwischen dem Server und dem Protokollumsetzer.
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In einem zweiten Schritt erfolgt die Identifizierung der am Feldbussystem angeschlossenen Komponenten und Abspeicherung dieser Informationen in einer Datenbank, beispielsweise durch Zuordnung einer eindeutigen Kennung.
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In einem dritten Schritt erfolgt die Abfrage der aktuellen Messwerte, Parameter und Zyklen des Feldbussystems und Abspeicherung in der Datenbank. Gegebenenfalls erfolgt eine Änderung eines oder mehrerer Parameter des Feldbussystems. Schließlich erfolgt in periodischen Abständen eine Aktualisierung der Messwerte, Parameter und Zyklen des Feldbussystems in der Datenbank.
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Messwerten sind Werte, die von den Komponenten des Feldbussystems gemessen werden (z.B. Puffertemperatur, Außentemperatur, Sauerstoffgehalt). Parameter bezeichnen sämtliche Einstellungen auf den Komponenten des Feldbussystems, die vom Benutzer geändert werden können oder anhand von bestimmten Messwerten oder anderen Parametern gesetzt werden (z.B. Betriebsart Holzkessel, verschiedene Soll-Temperaturen). Zyklen sind Zeitprogramme wie z.B. die Heizzeiten oder die Zündzeiten. Durch Festlegung der Zyklen kann beispielsweise definiert werden, welcher Heizkreis wann auf welche Temperatur regeln soll.
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Im offenbarten Verfahren ist weiters vorgesehen, dass die Messwerte, Parameter und Zyklen periodisch in vorzugsweise jeweils unterschiedlichen Intervallen abgefragt werden, wobei die Intervalle vorzugsweise an Hand des Typs der angeschlossenen Komponenten der Datenbank entnommen werden.
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Im offenbarten Verfahren ist weiters vorgesehen, dass gewünschte Abfragen durch den Server gesammelt und in periodischen Abständen über den Protokollumsetzer an das Feldbussystem übermittelt werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass gewisse Messwerte mit hoher Latenzzeit (z.B. die Puffertemperatur) nicht in zu kurzen Intervallen abgefragt werden, sodass jedenfalls aussagekräftige Werte erhalten werden.
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Im offenbarten Verfahren ist weiters vorgesehen, dass die verschlüsselte Kommunikation des Servers mit dem Feldbussystem über den Protokollumsetzer folgende Schritte umfasst:
Zunächst erfolgt die Entgegennahme von Befehlen an einem Kontrollserver des Servers. Danach erfolgt die Abfrage der Datenbank zur Ermittlung der entsprechenden, den identifizierten Komponenten des Feldbussystems zugeordneten Steueranweisungen, beispielsweise unter Verwendung einer eindeutigen Kennung.
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Danach erfolgt die Verschlüsselung der nunmehr komponentenspezifischen Steueranweisungen durch einen Protokollserver. Schließlich erfolgt die Weiterleitung der verschlüsselten Steueranweisungen an den Protokollumsetzer, gegebenenfalls über das Internet. Weiters erfolgt eine Entgegennahme der Steueranweisungen am Protokollumsetzer, eine Entschlüsselung und Weiterleitung der komponentenspezifischen Anweisungen an das Feldbussystem, gegebenenfalls wiederum unter Verwendung einer eindeutigen Kennung der angesprochenen Komponente.
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Die verschlüsselte Kommunikation des Servers mit dem Feldbussystem über den Protokollumsetzer kann folgende Schritte umfassen: Zunächst erfolgt die Entgegennahme und Verschlüsselung von Daten der Komponenten des Feldbussystems am Protokollumsetzer. Danach erfolgt die Weiterleitung der verschlüsselten Daten an den Server, gegebenenfalls über das Internet. Danach erfolgt die Entschlüsselung der Daten durch einen Protokollserver am Server. Danach erfolgt die Abfrage der Datenbank zur Ermittlung der Bedeutung der entschlüsselten Daten. Schließlich erfolgt die Ablage der entschlüsselten Daten in der Datenbank. Gegebenenfalls erfolgt danach eine Abfrage der Datenbank durch ein beliebiges, mit dem Server oder dem Internet verbundenes Endgerät.
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Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass der Protokollumsetzer nicht als dediziertes Gerät ausgeführt ist, sondern in eine der am Feldbus angeschlossenen Komponenten integriert ist.
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Weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Im folgenden wird die Erfindung an Hand nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Protokollumsetzers, das mit einem Feldbussystem verbunden ist;
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2a–2e zeigen Sequenzdiagramme verschiedener Anwendungsfälle eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3a–3e zeigen Ausführungsbeispiele der vom Protokollumsetzer eingesetzten Übertragungspakete.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Protokollumsetzers 1, der mit einem Feldbussystem 2, das im konkreten Ausführungsbeispiel als CAN-Bus oder Modbus ausgeführt ist, verbunden ist. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können andere Feldbussysteme vorgesehen sein.
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Auf dem Feldbussystem 2 befinden sich eine Heizkesselsteuerung 6, mit einem Pufferspeichersensor 8, einem Sensor 17 und einem Aktuator 18 verbunden ist, ein Temperaturfühler 10 und eine Solarregelung 7 mit einem Pufferspeichersensor 8 und einem weiteren Sensor 17. Sämtliche Komponenten sind über das Feldbussystem ansteuerbar, wobei jedoch jede Komponente ein proprietäres Protokoll benutzt.
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Der Protokollumsetzer 1 umfasst eine erste Schnittstelle 3, die als CAN- oder Modbus-Schnittstelle ausgeführt ist, und ist über diese mit dem Feldbussystem 2 verbunden. Die Kommunikation über diese Schnittstelle 3 erfolgt jeweils unter Verwendung der von den Komponenten benötigten Steuerbefehle.
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Weiters verfügt der Protokollumsetzer 1 eine USB-Schnittstelle 9, die beispielsweise zum Einspielen von Updates oder für andere Wartungsaufgaben benutzt werden kann. In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Protokollumsetzer ohne USB-Schnittstelle ausgeführt, da diese für die Funktion nicht zwingend erforderlich ist.
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Außerdem ist der Protokollumsetzer 1 über eine zweite Schnittstelle 4, die als Ethernet- oder WLAN-Schnittstelle ausgeführt ist, mit dem Internet verbunden. Protokollumsetzer 1 und Feldbussystem 2 befinden sich in der Regel am selben Ort.
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An einem anderen Ort befindet sich ein Server 5, der mehrere dedizierte Komponenten umfasst: einen Protokollserver 11, eine Datenbank-Schnittstelle 12 und einen Kontrollserver 13. Der Protokollserver 11 dient zur Kommunikation mit dem Internet und dem zugeordneten Protokollumsetzer 1. Die Kommunikation mit dem Protokollumsetzer 1 erfolgt verschlüsselt. Die Datenbank-Schnittstelle 12 dient zur Kommunikation mit einem eigenen Datenbank-Server 14, der auf eine Datenbank 15 zugreift. Schließlich dient der Kontrollserver 13 zur Entgegennahme von Befehlen für die Komponenten des Feldbussystems 2 aus dem Internet.
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Der Kontrollserver 13 sorgt für die Weiterleitung von Nachrichten der Komponenten des Feldbussystems 2 an das Internet. Jeweilige Endgeräte 16 sind ebenfalls mit dem Internet verbunden.
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2a zeigt ein Sequenzdiagramm des Ablaufs der Authentifizierungsgenehmigung des Protokollumsetzers 1 am Server 5. Sobald der Prokollumsetzer 1 mit dem Netzwerk verbunden ist, versucht sich der Protokollumsetzer mit dem Server zu verbinden. Andere Feldbusteilnehmer sind daran nicht beteiligt. Der Server 5 bestimmt, ob sich ein Protokollumsetzer verbinden darf oder nicht. Dies wird anhand verschiedener Kriterien (wie z.B. die verwendete Protokollversion) entschieden. Ist die Protokollversion des Protokollumsetzers veraltet und unterstützt nicht den aktuell verwendeten Verschlüsselungsalgorithmus, so kann der Server eine Anmeldung dieses Protokollumsetzers verweigern – oder er genehmigt die Verbindung trotzt der veralteten Protokollversion und die Kommunikation mit diesem Protokollumsetzer verläuft dann anhand dieser Protokollversion. Welche Protokollversionen unterstützt werden kann in einem Konfigurationsfile eingestellt werden.
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2b zeigt ein Sequenzdiagramm des Ablaufs der Abfrage der Identität der Heizkesselsteuerung 6 und der Solarregelung 7 am Feldbussystem 2. Der Server 5 schickt einen „Identify Request“ an den Protokollumsetzer 1. Dieser wird dann auf den Feldbus 2 gelegt, worauf sich alle Komponenten durch Zurücksenden einer "Identify Response" identifizieren. Diese Informationen werden vom Protokollumsetzer 1 an den Server 5 zurückgesendet. Der Server trägt die Informationen anschließend in die Datenbank 15 ein. Der Server 5 führt bei jeder Anmeldung eines Protokollumsetzers 1 einen „Identify Request“ aus, um zu erfahren welche Komponenten am Feldbussystem 2 sind, sodass der Server später entsprechende Messwerte und Parameter abfragen kann.
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2c zeigt ein Sequenzdiagramm der Abfrage von Messwerten, Parametern und Zyklen. Sobald der Server ein „Indentify Request“ erhalten hat, fragt er alle Messwerte, Parameter und Zyklen dieser Komponente ab.
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So wird sichergestellt, dass bei jeder neuen Verbindung alle Messwerte, Parameter und Zyklen mit den aktuellen Werten in der Datenbank gespeichert sind. Der Server 5 kann jeden beliebigen Messwert (z.B. Wohnraumtemperatur, Kesselstatus, ...), Parameter (z.B. Wohnraumtemperatur Soll, Betriebsart, ...) sowie Zyklus (z.B. Heizzeiten, Zündzeiten, ...) abfragen. Dies erfolgt durch Aussenden einer "Messwert Request" Nachricht durch den Server 5 an den Protokollumsetzer 1. Der Protokollumsetzer 1 leitet die Anfrage an die jeweilige Komponente des Feldbussystems 2 weiter, die dann mit einer "Messwert Response" antwortet. Welche Messwerte/Parameter/Zyklen von welcher Komponente wie oft abgefragt werden sollen, kann am Server in einer Datenbank eingestellt werden. Hier können sowohl globale Einstellungen als auch spezifische Einstellungen vorgenommen werden (es kann z.B. sein das bei einer bestimmten Anlage ein Problem vorliegt und deswegen die Kesseltemperatur öfter abgefragt werden muss). Es wird beispielsweise alle 17 Sekunden abgefragt ob der Warmwasserspeicher gerade aktiv ist, jedoch seine Temperatur wird nur alle 61 Sekunden abgefragt (da dieser Messwert viel träger ist).
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2d zeigt ein Sequenzdiagramm der gesammelten Abfrage von Messwerten. Gleichzeitig mit der Initialisierung beginnen die Timer für die Messwerte, Parameter und Zyklen zu laufen, sobald der Server eine „Identify Response“ erhalten hat. Das bedeutet, dass verschiedenste Messwerte, Parameter und Zyklen periodisch in unterschiedlichen Intervallen abgefragt werden. Der Server kann jeden beliebigen Parameter (z.B. Öl-Brenner EIN, Wohnraumtemperatur Soll, ...) und jeden Zyklus (z.B. Heizzeiten, ...) ändern. Dazu sendet er einen „Parameter setzen Request“ an den Protokollumsetzer 2, welcher auf das spezifische Protokoll übersetzt und auf den Bus gelegt und von der entsprechenden Komponente interpretiert und ausgeführt wird.
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Welche Messwerte, Parameter und Zyklen abgefragt werden und in welchen Perioden abgefragt wird kann anhand des Reglertyps in einer Datenbank eingestellt werden. Insbesondere kann es sich um die Kesseltemperatur, die Warmwassertemperatur, die Abgastemperatur, oder eine Störungsmeldung handeln.
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Diese Anfragen werden vom Server gesammelt zur Protokollumsetzer gesendet, es wird also ein Paket gesendet welches einen oder mehrere „Messwert Request“ beinhalten kann (bzw. „Parameter Request“, ...). Somit werden z.B. alle 17 Sekunden Timer zusammengefasst.
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2e zeigt ein Sequenzdiagramm des Ablaufs der Änderung eines Parameters. Will der Benutzer einen Parameter ändern, so wird ein Befehl in der Datenbank gespeichert (z.B. Bus Nr 1 soll den Parameter mit der Nummer 0x9102 (Wohnraumtemperatur Soll) auf 22°C ändern). Danach wird dem Kontrollserver 13 mitgeteilt, dass ein neuer Befehl vorhanden ist („SET_PARAM“). Dieser veranlasst nun die Datenbank-Schnittstelle 12 den Befehl aus der Datenbank zu nehmen und über den Protokollserver 11 an den Protokollumsetzer 1 zu senden. Ist das geschehen, so wird der Befehl wieder aus der Datenbank gelöscht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das vom Protokollumsetzer 1 verwendete Protokoll zwei Komponenten: ein Crypto Protokoll, welches zur Verschlüsselung und Authentifizierung verwendet wird, und ein Data Protokoll, welches zum Datenaustausch verwendet wird. Jedes Datenpaket (19) ist in ein bestimmtes Kryptopaket (20) eingebettet. Außerdem wird bei jedem gesendeten Paket die Protokollversion mitübertragen.
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3a zeigt ein typisches Übertragungspaket, das zur Kommunikation des Servers 5 mit dem Protokollumsetzer 1 verwendet wird. Es umfasst einen Crypto-Header und einen Crypto-Tail als Kryptopaket 19, welche das eigentliche Datenpaket (20) einschließen. Das dargestellte Übertragungspaket gibt dem Protokollumsetzer den Befehl, den Parameter mit der Nummer 0x9102 (Wohnraumtemperatur Soll) des Reglers mit der Bus Nummer 0x01 auf den Wert 22 zu setzen.
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3b zeigt in seinem oberen Teil ein Beispiel eines Identify Request Pakets, das an den Protokollumsetzer gesendet wird. Der Identify Request dient dazu, alle Regler am Bus zu identifizieren. Der Protokollumsetzer übersetzt den Identify Request für die Komponenten am Bus und gibt ihn, wie im unteren Teil der 3b dargestellt ist, in einer anderen, proprietären Form an das Feldbussystem 2 weiter.
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Danach melden sich alle Komponenten mit einem Identify Response in ihrem jeweiligen proprietären Protokoll. Sobald ein Identify Response am Bus empfangen wird, wird dieser vom Protokollumsetzer empfangen, übersetzt und verschlüsselt an den Server weitergeleitet.
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3c zeigt ein Beispiel einer vom Protokollumsetzer übersetzten "Identify Response". Der Identify Response kommt vom Protokollumsetzer als Antwort auf einen Identify Request. Der dargestellte Identify Response meldet einen Regler mit der BusNr 1 vom Reglertyp 0x0B00 (LambdaControl 2 Werk) mit der Seriennummer 01234567 und der Softwareversion 17.17 (HEX 0x10 . 0x10). Indem der Server für jede Komponenten einen Identify Request aussendet, kann in der Datenbank abgespeichert werden, welche Komponenten vorhanden sind. Danach wird mit der Initialisierung bzw. der periodischen Abfrage begonnen.
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3d zeigt ein Beispiel eines Messwert Request. Mithilfe eines Messwert Request kann der Server Messwerte einzelner Regler am Bus abfragen. Dieses Packet veranlasst den Protokollumsetzer 1 dazu, drei Messwert Requests am Bus abzusetzen. Und zwar immer für die BusNr 1: 0x0001 Kesselstatus, 0x0003 Ist-Temperatur Kessel, 0x0607 Lambda.
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3e zeigt ein Beispiel einer Messwert Response. Für jeden Messwert Response wird vom Protokollumsetzer ein eigener Messwert Response an den Server gesendet. Das dargestellte Paket antwortet dem Server das der Messert 0x0001 (Kesselstatus) des Reglers mit der BusNr 1 den Wert 1 (Kessel EIN) hat. Werden wie oben z.B. drei Messwerte vom Server abgefragt, so bekommt der Server auch 3 Messwert Responses vom Protokollumsetzer. Diese werden nicht wie die Messwert Requests vom Server zusammengefasst.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Protokollumsetzer
- 2
- Feldbussystem
- 3
- Erste Schnittstelle
- 4
- Zweite Schnittstelle
- 5
- Server
- 6
- Heizkesselsteuerung
- 7
- Solarregelung
- 8
- Pufferspeichersensor
- 9
- USB-Schnittstelle
- 10
- Temperaturfühler
- 11
- Protokollserver
- 12
- Datenbank-Schnittstelle
- 13
- Konstrollserver
- 14
- Datenbank-Server
- 15
- Datenbank
- 16
- Endgerät
- 17
- Sensor
- 18
- Aktuator
- 19
- Datenpaket
- 20
- Kryptopaket
