-
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisches Verbindungsgerät zum Verbinden von mindestens einem Sensordaten generierenden Sensor, insbesondere einem IO-Link-Sensor, und/oder mindestens einem Aktordaten verarbeitenden Aktor mit mindestens einer Cloud.
-
Das elektrische Verbindungsgerät, das Gegenstand der Erfindung ist, soll für die Verbindung von mindestens einem Sensor und/oder Aktor mit mindestens einer Cloud verwendbar sein. Vorzugsweise geht es aber um die Verbindung von mindestens einem IO-Link-Sensor mit mindestens einer Cloud. Darum: Was ist ein IO-Link-Sensor. Dazu findet man in „Wikipedia“:
- „Mit dem Markennamen IO-Link ist ein Kommunikationssystem zur Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren an ein Automatisierungssystem in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung Single-drop digital communication interface for small sensors and actors (SDCI) normiert. Die Standardisierung umfasst dabei sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit dem Automatisierungssystem in Datenaustausch treten.
-
Ein IO-Link-System besteht aus einem IO-Link-Master und einem oder mehreren IO-Link-Geräten, also Sensoren oder Aktoren. Der IO-Link-Master stellt die Schnittstelle zur überlagerten Steuerung (SPS) zur Verfügung und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Geräten.
-
Ein IO-Link-Master kann einen oder mehrere IO-Link-Ports haben, an dem jeweils nur ein Device angeschossen werden kann. Dies kann auch ein „Hub“ sein, der als Konzentrator den Anschluss von klassisch schaltenden Sensoren und Aktoren ermöglicht.
-
Ein IO-Link-Gerät kann ein intelligenter Sensor, Aktor, Hub, oder aber bedingt durch die bidirektionale Kommunikation auch eine Mechatronik-Komponente z. B. ein Greifer oder ein Netzteil mit IO-Link Anbindung sein. Intelligent heißt im Hinblick auf IO-Link, dass ein Gerät Identifikationsdaten z. B. eine Typenbezeichnung und eine Seriennummer oder Parameterdaten (z. B. Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien) besitzt, die über das IO-Link-Protokoll lesbar bzw. schreibbar sind. Das Ändern von Parametern kann damit z. T. im laufenden Betrieb durch die SPS erfolgen. Intelligent heißt aber auch, dass es detaillierte Diagnoseinformationen liefern kann.
-
Die Parameter der Sensoren und Aktoren sind geräte- und technologiespezifisch, daher gibt es für jedes Gerät Parameterinformationen in Form einer IODD (IO Device Description) mit der Beschreibungssprache XML. Die IO-Link Community stellt Schnittstellen zu einem „IODD Finder“ zur Verfügung, der Von Engineering- oder Master-Tools genutzt werden kann, um zu einem Device die passende IODD zu präsentieren.
-
IO-Link setzt auf die klassischen 24 V Signale der IEC 61131-2. Die Signalpegel „0“ (O V) bzw. „1“ (24 V) zeigten traditionell das Über- oder Unterschreiten eines Schwellenwertes an. Dieser Betrieb wird als „Schaltmodus“ oder SIO bezeichnet. Bei IO-Link kann dieses Schalten (0/1) rasch hintereinander und codiert durchgeführt werden. Die Codierung und die daraus folgenden Rahmen und Datenpakete sind im IO-Link-Protokoll festgelegt. Das Umschalten vom „Schaltmodus“ (IO-Link SIO) in den „Datenpaket-Modus“ geschieht durch einen vom Master ausgelösten „Wake-up „-Vorgang.“
-
Gegenstand der Erfindung ist nur ein elektrisches Verbindungsgerät zum Verbinden von mindestens einem Sensor und/oder Aktor mit mindestens einer Cloud. Gegenstand der Erfindung ist demnach nicht die Ausbildung der Cloud und insbesondere auch nicht das oben angesprochene IODD-System. Zum besseren Verständnis der Bedeutung der Erfindung soll im folgenden gleichwohl auf das Cloud-System bzw. das Cloud-Computing und auf das IODD-System eingegangen werden, und zwar durch die nachfolgenden Zitat aus „Wikipedia“ zu „Cloud Computing“ und zu „IODD“:
- „Cloud-Computing (deutsch Rechnerwolke oder Datenwolke) ist eine IT-Infrastruktur welche beispielsweise über das Internet verfügbar gemacht wird. Sie beinhaltet in der Regel Speicherplatz, Rechenleistung oder Anwendungssoftware als Dienstleistung.
-
Technischer formuliert umschreibt Cloud-Computing den Ansatz, IT-Infrastrukturen über ein Rechnernetz zur Verfügung zu stellen, ohne dass diese auf dem lokalen Rechner installiert sein müssen.
-
Angebot und Nutzung dieser Dienstleistungen erfolgen dabei ausschließlich durch technische Schnittstellen und Protokolle, etwa mittels eines Webbrowsers. Die Spannweite der im Rahmen der Cloud-Computings angebotenen Dienstleistungen umfasst das gesamte Spektrum der Informationstechnik und beinhaltet unter anderem Infrastruktur, Plattformen und Software.“
-
„Die IODD (IO Device Description) beschreibt Sensoren und Aktoren. Sie enthält Informationen zu Identifikationen, Geräteparametern, Prozess- und Diagnosedaten, Kommunikationseigenschaften und den Aufbau des Anwender-Interfaces in Engineering Tools. Sie besteht aus mehreren Dateien: Einer Hauptdatei und optionalen externen Sprachdateien (beide in XML-Forma), und optionalen Bilddateien (im PNG-Format).
-
Die IODD entspricht in der Beschreibungsstruktur der ISO 15745 (Industrial automation systems and integration - Open systems application integration frameworks), wobei als Besonderheit sowohl das Device Profile als auch das Communication Network Profile in einer Datei vereint sind.
-
Gemäß der in ISO 15745 definierten Struktur sind in IODD die Basisobjekte Deviceldentity und DeviceFunktion für die Gerätebeschreibung vorgesehen. Das Deviceldentity-Objekt beinhaltet Identifikations-Texte zur Anzeige gegenüber dem Anwender und Identifikations-Nummern zur automatischen Erkennung von Sensoren und Aktoren (IDs) in der Anlage. Es lassen sich mehrere Varianten beschreiben, die sich bezüglich Parameter, Prozess- und Diagnosedaten und Kommunikation nicht unterscheiden, aber in ihrer Bestellnummer. Damit wird erreicht, dass die hohe Vitalität der mechanischen Ausprägungen, die Sensoren und Aktoren auszeichnen, nicht zu einer hohen Anzahl von Gerätebeschreibungen und einem hohen Verbrauch an Identifikationsnummern führt.Das DeviceFunktion-Objekt ist Träger aller weiteren Informationen, sofern sie nicht zum Kommunikations-Profil gehören. Es beinhaltet die Beschreibung der Parameter, der Prozessdaten, der Diagnosen, und des Aufbaus des Anwender-Interfaces.“
-
Wie eingangs bereits ausgeführt, ist Gegenstand der Erfindung zwar ganz allgemein ein elektrisches Verbindungsgerät für die Verbindung von mindestens einem Sensor mit mindestens einer Cloud, geht es vor allem aber um die Verbindung von mindestens einem IO-Link-Sensor mit mindestens einer Cloud. Deshalb bezieht sich die nachfolgende Beschreibung der Erfindung und von bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes immer auf ein solches zur Verbindung von mindestens einem IO-Link-Sensor mit mindestens einer Cloud, ohne dass daraus eine Einschränkung auf ein solches Verbindungsgerät resultieren soll.
-
Zu dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät gehören zunächst, ohne dass das eine enumerative Aufzählung ist, ein Gehäuse, eine elektrische Energieversorgung, mindestens ein Sensoranschluss, ein Microcontroller und ein Sendemodul oder ein Sende- und Empfangsmodul.
-
Sowohl das erfindungsgemäße Verbindungsgerät als auch der anzuschließende IO-Link-Sensor benötigen elektrische Energie, - das Verbindungsgerät jedenfalls für den Microcontroller und für das Sende- und Empfangsmodul, der anzuschließende bzw. angeschlossene IO-Link-Sensor, weil dieser für sich gesehen ein passives Gerät ist und erst mit elektrischer Energie versorgt zu einem aktiven Gerät werden kann oder wird.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät könnte die elektrische Energieversorgung durch eine Batterie oder einen Akkumulator realisiert sein. Das würde jedoch ein Auswechseln der Batterie oder ein Nachladen des Akkumulators erfordern. Vorteilhafter ist es deshalb, für die elektrische Energieversorgung einen Energieversorgungsanschluss vorzusehen, so dass das so ausgeführte Verbindungsgerät einfach an eine übliche externe Energieversorgung angeschlossen werden kann. Der Energieversorgungsanschluss ist vorzugsweise als Energieversorgungsstecker mit mindestens zwei Steckerstiften und das Gehäuse durchdringend ausgeführt, also teilweise außerhalb des Gehäuses und teilweise innerhalb des Gehäuses vorgesehen.
-
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes ist der IO-Link-Anschluss als IO-Link-Stecker mit mindestens drei Steckerstiften ausgeführt, vorzugsweise mit vier Steckerstiften ausgeführt, wobei zwei Steckerstifte der Energieversorgung eines angeschlossenen IO-Link-Sensors dienen und an einem dritten Steckerstift die Sensordaten abgegriffen werden können.
-
Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes sind vorzugsweise innerhalb des Gehäuses die Steckerstifte des Energieversorgungssteckers mit den der Energieversorgung eines angeschlossenen IO-Link-Sensors dienenden Steckerstiften des IO-Link-Steckers galvanisch verbunden.
-
Weiter oben ist ausgeführt, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes für die elektrische Energieversorgung ein Energieversorgungsanschluss vorgesehen ist, so dass das so ausgeführte Verbindungsgerät einfach an eine übliche externe Energieversorgung angeschlossen werden kann. Eine solche externe Energieversorgung stellt üblicherweise eine Gleichspannung von 24 Volt zur Verfügung, während teilweise nur eine geringere Gleichspannung benötigt wird, z. B. von 3,8 Volt. Deshalb empfiehlt es sich, bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes innerhalb des Gehäuses einen DC-DC-Umsetzer zur Umsetzung der Eingangsspannung in eine geringere Ausgangsspannung vorzusehen und den DC-DC-Umsetzer eingangsseitig galvanisch mit den Steckerstiften des Energieversorgungssteckers und ausgangsseitig galvanisch mit dem Microcontroller zu verbinden.
-
Im Stand der Technik ist es seit langem üblich, elektronische Bauteile auf einer Leiterplatte (Leiterkarte bzw. Platine, englisch: PCB = printed circuit board) zu realisieren. Davon wird auch bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes Gebrauch gemacht.
-
Zum erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsgerät gehört, wie ausgeführt, ein Sende- und Empfangsmodul zur Realisierung einer Funkverbindung zwischen dem Verbindungsgerät und einer Cloud, also zur Realisierung einer Funkverbindung zwischen dem Verbindungsgerät und dem Internet. Nun ist es bei Funkverbindungen zum Internet seit langem üblich, mit einer SIM-Karte zu arbeiten, mit einem „Teilnehmer-Identitätsmodul“ (englisch: subscriber identity module); siehe „SIM-Karte“ in „Wikipedia“. Vorzugsweise ist auch das erfindungsgemäße Verbindungsgerät mit einer SIM-Karte ausgerüstet.
-
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes, bei der innerhalb des Gehäuses als Träger für die elektronischen Bauteile eine Leiterplatte und eine SIM-Karte vorgesehen ist, ist eine besonders bevorzugte Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass die SIM-Karte so auf der Leiterplatte angebracht ist, dass sie nicht ohne Zerstörung von der Leiterplatte entfernt werden kann; das kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass die SIM-Karte mit der Leiterplatte verlötet ist.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät können die funktionsnotwendigen elektronischen Bauteile natürlich unterschiedlich realisiert sein, was zunächst für den IO-Link-Master-Transceiver, den Microcontroller und den DC-DC-Umsetzer gilt. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Schutzansprüche 12, 13 und 14 verwiesen.
-
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät das Sende- und Empfangsmodul über eine als UART (englisch: UART = Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ausgeführte serielle Schnittstelle mit dem Microcontroller verbunden, - der UART als separates Bauteil oder als Funktionselement innerhalb des Microcontrollers ausgeführt.
-
Von besonderer Bedeutung ist eine bevorzugte Ausgestaltung bzw. Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes, die zusätzlich dadurch gekennzeichnet ist, dass das Sende- und Empfangsmodul zur Verbindung zwischen dem Microcontroller und der Cloud so ausgeführt ist, dass es mit unterschiedlichen Funksystemen arbeiten kann, insbesondere mit dem Funksystem „LTE Narrow Band 1“, dem Funksystem „BLE“, dem Funksystem „LTE CAT M1“, dem Funksystem „2G“, dem Funksystem „WIFI“, dem Funksystem „LTE Narrow Band 1 + BLE“, dem Funksystem „LTE CAT M1/Narrow Band 1 with fall back to 2G + BLE“ , dem Funksystem „2G + BLE“ und/oder dem Funksystem „WIFI + BLE“.
-
Weiter oben ist bereits darauf hingewiesen worden, dass bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät die funktionsnotwendigen Bauteile insbesondere für den IO-Link-Master-Transceiver, den Microcontroller und den DC-DC-Umsetzer unterschiedlich realisiert sein können. Das gilt natürlich auch für die Realisierung der unterschiedlichen Funksysteme, was hier nicht im Einzelnen ausgeführt werden soll, weil insoweit auch handelsübliche Bauteile verwendet werden können.
-
Ergänzend zu dem, was bereits in Bezug auf das erfindungsgemäße Verbindungsgerät beschrieben ist, können weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen realisiert sein.
-
Zunächst ist eine bevorzugte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens ein von außen sichtbares Funktionsanzeigeelement aufweist, insbesondere ein Funktionsanzeigeelement für die Funktionsfähigkeit der Energieversorgung, ein Funktionsanzeigeelement für die Funktionsfähigkeit des angeschlossenen Sensors und/oder ein Funktionsanzeigeelement für die Funktionsfähigkeit des Sende- und Empfangsmoduls. Vorzugsweise ist das Funktionsanzeigeelement bzw. sind die Funktionsanzeigeelemente als Leuchtdiode bzw. als Leuchtdioden ausgeführt.
-
Im übrigen kann bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät innerhalb des Gehäuses ein elektronischer Speicher, insbesondere zum Speichern von Sensordaten, vorgesehen sein.
-
Bisher ist das erfindungsgemäße elektrische Verbindungsgerät vor allem insoweit beschrieben worden, als ein Sendemodul vorgesehen ist oder das Sende- und Empfangsmodul nur als Sendemodul arbeitet. Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät statt eines Sendemoduls ein Sende- und Empfangsmodul vorgesehen ist, ergibt sich die Möglichkeit, eine besonders bevorzugte Ausführungsform zu realisieren, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Sende- und Empfangsmodul so ausgeführt ist, dass es ein von der Cloud zurückgesendetes Sensorsignal oder ein von der Cloud gesendetes Quasi-Sensorsignal und ein Referenzsignal empfangen kann. (Quasi-Sensorsignal steht für ein vom Sensorsignal abgeleitetes, auf dem Weg zur Cloud „beeinflusstes“, aber dem Sensorsignal „entsprechendes“ Signal.) Vorzugsweise ist innerhalb des Gehäuses ein elektronischer Speicher zum Speichern des Referenzsignals bzw. zum Speichern eines von dem Referenzsignal abgeleiteten Grenzwertsignals vorgesehen.
-
Bei der zuvor beschriebenen besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsgerätes stehen innerhalb des Gehäuses zur Verarbeitung bzw. zur Bearbeitung zur Verfügung
- a) das Sensorsignal oder das Quasi-Sensorsignal und
- b) das Referenzsignal oder das Grenzwertsignal.
Während das Sensorsignal oder das Quasi-Sensorsignal in „Echtzeit“ zur Verfügung steht, wird das Referenzsignal oder das Grenzwertsignal vom Nutzer über die Cloud eingestellt und steht unverändert bis zu einer Änderung durch den Nutzer zur Verfügung. Deshalb empfiehlt es sich, innerhalb des Gehäuses einen Komparator vorzusehen, der in dem Augenblick, in dem das vom Sensorsignal bzw. das Quasi-Sensorsignal das Referenzsignal bzw. das Grenzwertsignal überschreitet oder unterschreitet, ein Schaltsignal generiert. In Verbindung damit kann vorgesehen sein, dass der Eingang des Komparators galvanisch mit dem das Referenzsignal bzw. das Grenzwertsignal abgebenden Ausgang des Sende- und Empfangsmoduls bzw. galvanisch mit dem das Referenzsignal bzw. das Grenzwertsignal abgebenden Ausgang des Speichers verbunden ist.
-
Das Schaltsignal, das in der zuvor beschriebenen Weise generiert werden kann, sollte an dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät oder mit dem erfindungsgemäßen Verbindungsgerät „verwendbar“ sein. Insoweit ist eine bevorzugte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparators galvanisch mit dem dritten und/oder dem vierten Steckerstift des Energieversorgungssteckers und/oder mit dem vierten Steckerstift des IO-Link-Steckers bzw. der IO-Link-Stecker verbunden ist.
-
Schließlich kann eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes noch dadurch gekennzeichnet sein, dass das Sende- und Empfangsmodul beim Überschreiten bzw. beim Unterschreiten des Referenzsignals bzw. des Grenzwertsignals ein Alarmsignal in die Cloud sendet.
-
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes nochmals erläutert:
- Die erfindungsgemäßen Verbindungsgeräte sind bestimmt für das Verbinden von mindestens einem Sensordaten generierenden Sensor, vorzugsweise einem IO-Link-Sensor, mit mindestens einer Cloud.
-
Zu den erfindungsgemäßen Verbindungsgeräten gehören zunächst ein Gehäuse, eine Energieversorgung, mindestens ein IO-Link-Anschluss, ein Microcontroller und ein Sende- und Empfangsmodul.
-
Vorzugsweise ist für die Energieversorgung ein Energieversorgungsanschluss vorgesehen, der als Energieversorgungsstecker mit mindestens zwei Steckerstiften ausgeführt und das Gehäuse durchdringend vorgesehen ist.
-
Für die bevorzugte Ausführungsform gilt auch, dass der IO-Link-Anschluss als IO-Link-Stecker mit mindestens drei Steckerstiften ausgeführt ist. Von den drei Steckerstiften dienen zwei der Energieversorgung eines angeschlossenen IO-Link-Sensors.
-
Schließlich gilt für die bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsgerätes, dass das Gehäuse von außen sichtbare Funktionstionsanzeigeelemente aufweist, nämlich ein Funktionsanzeigeelement für die Funktionsfähigkeit der Energieversorgung, ein Funktionsanzeigeelement für die Funktionsfähigkeit eines angeschlossenen IO-Link-Sensors und ein Funktionsanzeigeelement für die Funktionsfähigkeit des Sende- und Empfangsmoduls.
-
Plakativ kann beschrieben werden, wie mit erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsgeräten in extrem einfacher Weise IO-Link-Sensoren eingesetzt werden können - „Plug & Play“.
-
In einem ersten Schritt ist ein erfindungsgemäßes Verbindungsgerät an eine elektrische Energieversorgung anzuschließen.
-
In einem zweiten Schritt ist dann ein IO-Link-Sensor an das erfindungsgemäße Verbindungsgerät anzuschließen.
-
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verbindungsgerätes erfolgt dann automatisch das Verbinden mit der zugeordneten Cloud und das Registrieren auf einem zugeordneten Dashboard.
-
Berücksichtigt man, dass es mehr als 6.000 unterschiedliche IO-Link-Sensoren von mehr als 200 Herstellern gibt, dann erkennt man ohne weiteres den erfindungsgemäß erreichten erheblichen technischen Fortschritt.