DE60018072T2

DE60018072T2 - Feldgerät mit einem Sender und/oder Empfänger zur drahtlosen Datenübertragung

Info

Publication number: DE60018072T2
Application number: DE60018072T
Authority: DE
Inventors: Michael LÖCHNER
Original assignee: Invensys Systems Inc
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: EP1202145B1; US20020065631A1; US7233745B2; EP1202145A1; US20070229255A1; DE60018072D1; US20100061733A1; US7593642B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feldvorrichtung zum Überwachen eines Herstellungsprozesses und zum Aktivieren von Herstellungsprozessvariablen, und insbesondere eine Feldvorrichtung zum Überwachen eines Herstellungsprozesses und zum Aktivieren von Herstellungsprozessvariablen mit einem Sender und/oder einem Empfänger für eine drahtlose Datenkommunikation.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In WO 96/12993 ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Zugriffs auf Feldvorrichtungen in einem verteilten Steuersystem, insbesondere einen nichtredundanten sekundären Zugriff auf eine Vielzahl von Feldvorrichtungen unter einer Steuerung von einem Steuerraum aus, beschrieben.
Weiterhin werden Feldvorrichtungen, wie sie im Folgenden beschrieben werden, allgemein bei Herstellungsprozessen verwendet, um den Betrieb zu überwachen und um Prozessvariablen innerhalb eines derartigen Herstellungsprozesses zu aktivieren. Typischerweise ist eine Vielzahl von Aktuatoren in dem Herstellungsfeld platziert, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Prozesssteuerelementen, wie z.B. Ventilen, Sensoren, etc., anzutreiben. Weiterhin sind Sender im Herstellungsfeld installiert, um Prozessvariablen, wie z.B. einen Fluiddruck, eine Fluidtemperatur oder einen Fluidfluss, zu überwachen.
Aktuatoren bzw. Stellglieder und Sender sind mit einem Steuerbus gekoppelt, um Prozessinformation zu empfangen und sie zu einer zentralisierten Systemsteuerung zu senden, die den Gesamtbetrieb des Herstellungsprozesses überwacht. Dieser Steuerbus kann als Stromschleife mit zwei Drähten implementiert sein, die einen Strom trägt, der eine Energieversorgung für einen Betrieb einer Feldvorrichtung zur Verfügung stellt.
Bei solchen Steuersystemen wird eine Kommunikation typischerweise über einen Feldbusstandard ausgeführt, der ein digitaler Kommunikationsstandard ist, gemäß welchem eine Vielzahl von Sendern mit nur einem einzigen Steuerbus gekoppelt sein kann, um erfasste Prozessvariablen zur zentralen Steuerung zu senden. Beispiele für Kommunikationsstandards sind in ISA 50.02-1992 Abschnitt 11 angegeben, und HART^®, das auf einer digitalen Kommunikation auf der Basis eines Prozessvariablensignals von bis 4 bis 20 mA beruht. Foundation Field, Profibus PA, FoxCom sind gleichermaßen anwendbar
Ein wichtiger Aspekt in Bezug auf Steuersysteme von dem Typ, der oben umrissen ist, ist eine Eigensicherheit. Wenn eine Feldvorrichtung ohne explosionssichere Ausrüstung in einem riskanten Gebiet lokalisiert ist, sollte die Elektronik in der Feldvorrichtung eigensicher sein.
Hier bedeutet Eigensicherheit, dass die Elektronik auf eine derartige Weise entwickelt sein muss, dass dadurch selbst dann keine Funken und keine Hitze erzeugt wird, wenn einer oder mehrere Fehler bzw. Ausfälle eines elektronischen Bauteils bzw. einer elektronischen Komponente gleichzeitig auftreten.
Normalerweise wird eine Eigensicherheit durch zusätzliche Schutzelemente erreicht, die die Elektronik unter einem Fehlerzustand schützen. In Abhängigkeit vom spezifischen Typ einer Anwendung – z.B. explosiver Typ von Gas, der innerhalb eines Herstellungsprozesses verwendet wird, – herrschen unterschiedliche Entwicklungsspezifikationen und Zertifikationen für die Schutzelemente vor.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Herstellungsprozess-Steuersystems.
Wie es in 1 gezeigt ist, kann der periphere Teil des Steuersystems ein erstes eigensicheres Feldbussegment 10 und ein zweites Bussegment unter Verwendung von z.B. dem Standard RS485 für eine Datenkommunikation aufweisen. Das eigensichere Feldbussegment 10 und das RS485-Bussegment 12 sind durch einen Buskoppler 14 gekoppelt. Weiterhin ist die Seite des eigensicheren Feldbussegments 10, die nicht an dem Buskoppler 14 angebracht ist, mit einer Abschlussschaltung 16 verbunden, die zulässt, Reflexionen an dem eigensicheren Feldbussegment 10 zu vermeiden.
Wie es auch in 1 gezeigt ist, ist an jedes Bussegment 10, 12 wenigstens eine Feldvorrichtung 18, 20 und 22 angeschlossen. Jede Feldvorrichtung ist entweder ein Aktuator bzw. ein Stellglied, ein Sender oder eine andere I/O-Vorrichtung, die Information empfängt und/oder sendet.
Die an dem eigensicheren Feldbussegment 10 angebrachten Feldvorrichtungen können durch einen elektrischen Strom mit Energie versorgt werden, der von dem eigensicheren Feldbussegment 10 empfangen wird, was zu einem Spannungsabfall über den Feldvorrichtungen 20, 22 führt. Typischerweise wird das eigensichere Feldbussegment 10 unter einem Feldbusprotokoll oder irgendeinem anderen geeigneten Protokoll, das zulässt, digitale Information auszutauschen, betrieben werden.
Wie es in 1 gezeigt ist, tauschen die mit dem eigensicheren Feldbussegment 10 gekoppelten Feldvorrichtungen 20, 22 im Betrieb Information durch eine Modifikation des Stroms aus, der in jede einzelne Feldvorrichtung 20, 22 fließt. Für eine digitale Kommunikation wird ein Basiswert des Stroms des eigensicheren Feldbussegments 10 moduliert, dass er um einen vorbestimmten Offsetwert erhöht oder erniedrigt wird, d.h. 9 mA für den Feldbusstandard. Diese Modulation des Stroms, der in entweder die Feldvorrichtung 20 oder die Feldvorrichtung 22 fließt, führt zu einer Modifikation einer Spannung UB an dem eigensicheren Feldbussegment 10, um dadurch eine digitale Komunikation zu erreichen.
2 zeigt ein detaillierteres schematisches Schaltungsdiagramm einer in 1 gezeigten Feldvorrichtung.
Wie es in 2 gezeigt ist, kann das eigensichere Feldbussegment 10 in ein Ersatzschaltbilddiagramm mit einer idealen Spannungsquelle 24 und einem Widerstand 26 zusammengefasst werden, um eine AC-Spannungsimpedanz bzw. Wechselspannungsimpedanz zu modellieren und um Eigensicherheitsanforderungen für einen Funkenschutz, eine Strombegrenzung und eine Energiebegrenzung in einem gefährlichen Gebiet zu erfüllen. Wie es auch in 2 gezeigt ist, ist jede Feldvorrichtung mit dem eigensicheren Feldbussegment mit zwei Leitungen 28, 30 verbunden, die auch mit einer Entlade-Schutzeinheit 32 verbunden sind. Am Ausgang der Entlade-Schutzeinheit 32 ist eine Modulationseinheit 34 vorgesehen, die zulässt, den Betriebsstrom zu modulieren, der in die Feldvorrichtung fließt.
Die Modulationseinheit 34 ist in Reihe zu einer Leistungs- bzw. Energie-Wandlereinheit 36 geschaltet, die dazu geeignet ist, den Betriebsstrom, der über die Modulationseinheit 34 fließt, in ein geeignetes Energieversorgungssignal für eine Steuereinheit 38 abzubilden, die an den Ausgang der Energie-Wandlereinheit 36 angeschlossen ist. Die Steuereinheit 38 ist an einen Aktuator und/oder eine Sensoreinheit 40 für deren Steuerung angeschlossen.
Im Betrieb steuert die Steuereinheit 38 die Betriebsstrom-Modulationseinheit 34, um eine Modulation des Betriebsstroms zu erreichen und um daher Information zwischen dem eigensicheren Feldbussegment 10 und der Feldvorrichtung auszutauschen. Weiterhin hat die Steuereinheit 38 eine Steuerung über die weiteren Elemente in der Feldvorrichtung.
Im Betrieb empfängt jede an das eigensichere Feldbussegment 10 angeschlossene Feldvorrichtung 20, 22 einen Betriebsstrom von dem eigensicheren Feldbussegment. Während eines Transfers von Information von der Feldvorrichtung zum eigensicheren Feldbussegment 10 wird der Stromwert für den Betriebsstrom durch die Modulationseinheit 34 unter einer Steuerung der Steuereinheit 38 bestimmt. Weiterhin hält die Steuereinheit 40, um Information bei der Feldvorrichtung zu empfangen, den Widerstand der Modulationseinheit 34 konstant. Wenn eine andere Feldvorrichtung eine Änderung der Spannung an dem eigensicheren Feldbussegment 10 triggert bzw. auslöst, kann (können) die übrige(n) Feldvorrichtung(en), die mit diesem eigensicheren Feldbussegment 10 verbunden ist (sind), diese Änderung einer Spannung über die Verbindungsleitungen 28, 30 für eine weitere Verarbeitung davon in der Steuereinheit 38 erfassen. Dieser digitale Kommunikationsmechanismus wird zum Versorgen der Steuereinheit 40 in jeder Feldvorrichtung sowohl mit Steuerinformation zur Aktivierung von Aktuatoren und/oder Sensoren während einer Herstellungsprozesssteuerung als auch einer Überwachung der Feldvorrichtung selbst verwendet.
Es wird klar, dass ein Explosionsschutz in einem gefährlichen Gebiet und eine Verknappung einer Energiezufuhr gegenwärtig die Hauptbeschränkungen für den Betrieb von Feldvorrichtungen sind. Daher existieren unterschiedliche Ansätze für einen Zündschutz in gefährlichen Gebieten, wie z.B. ein gegenüber einer Explosion eigensicherer Feldbus, ein passives Erreichen einer Eigensicherheit über einen zugehörigen Entwurf von Elektronik, um eine Überhitzung und erhöhte Ströme/Spannungen zu vermeiden, oder eine aktive Implementierung einer Eigensicherheit unter Verwendung von aktiven elektronischen Vorrichtungen, wie beispielsweise elektronischen Begrenzern. Aus Gründen eines Explosionsschutzes sind dann, wenn die Elektronen einer Feldvorrichtung nicht eigensicher ist, eine Einkapselung in mechanisch stabile Gehäuse und abgedichtete Durchführungen und Rohre für elektrische Kabel erforderlich, um einen Explosionsschutz zu erreichen, unabhängig vom elektronischen Entwurf. Um beide Schutzsysteme mit einem Typ von Vorrichtung zu unterstützen, müssen eine eigensichere Elektronik und ein explosionssicherer mechanischer Entwurf in einer Feldvorrichtung kombiniert sein.
Schließlich ist der Austausch von Information und der Zugriff auf Sensoren in der Feldvorrichtung sowohl unter einem mechanischen als auch unter einem elektrischen Gesichtspunkt streng beschränkt, und nur beschränkte Übertragungsraten sind erreichbar.
Anders ausgedrückt führen höhere Übertragungsraten in einer Implementierung mit zwei Drähten normalerweise zu einem nicht akzeptierbaren Stromverbrauch angesichts einer verfügbaren Energieversorgung auf dem gesamten Steuerbus. Diese Einschränkungen werden angesichts der Tatsache sogar noch schwerwiegender, dass Steuerbusse und Stromschleifen mit sogar noch reduzierteren Strömen – z.B. so niedrig wie 3,6 mA – betrieben werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des obigen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Datenaustauschkapazitäten von Feldvorrichtungen zu erhöhen, ohne eine Eigensicherheit zu opfern.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Feldvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Der Erfinder hat herausgefunden, dass eine drahtlose Datenkommunikation eine drahtgebundene Kommunikation in einem Herstellungsfeld ersetzen oder ergänzen kann – wobei eine Beschränkung eines reduzierte Energieversorgung ist – und zwar durch die Verwendung eines geeigneten Leistungs- bzw. Energiemanagements. Insbesondere kann der drahtlose Datenaustausch einfach mit dem Datenaustausch über einen Steuerbus kombiniert werden, um die Gesamtbandbreite für eine Kommunikation in jeder Feldvorrichtung zu erhöhen.
Unter Verwendung einer drahtlosen Datenübertragung, die zu der Feldvorrichtung gerichtet ist, ist es möglich, eine Erhöhung bezüglich einer Bandbreite zu erreichen, ohne irgendeine Erhöhung bezüglich eines Installationsaufwandes, da keine zusätzliche Verdrahtung im Herstellungsfeld erforderlich ist. Weiterhin erfordert eine drahtlose Kommunikation keine Anpassung an spezifische Impedanzen für den Austausch von Kommunikationssignalen, wodurch die Berücksichtigung von Impedanzen und ein Funkenschutz an Systemeingangs- und/oder -ausgangsanschlüssen zum Erreichen einer Eigensicherheit gemäß der gewöhnlichen Technologie vermieden wird.
Die Annahme einer drahtlosen Datenübertragung für Feldvorrichtungen durch ein geeignetes Leistungsmanagement lässt zu, Feldvorrichtungen zur Verfügung zu stellen, die ausschließlich über eine drahtlose Kommunikation unter Verwendung eines Konfigurators betrieben werden, um dadurch potenzielle Probleme in Bezug auf die Eigensicherheit zu vermeiden und um die Kosten einer Feldumgebung zu erniedrigen.
Wenn eine drahtlose Datenübertragung allein verwendet wird, wird das Problem einer eigensicheren Kopplung des Steuerbusses im Herstellungsfeld mit den Feldvorrichtungen überholt. Hier ist es wichtig zu beachten, dass die Energie, die für eine drahtlose Datenkommunikation nötig ist, niemals ein Ausmaß bzw. einen Pegel erreichen wird, der zulässt, eine explosive Gasmischung zu zünden.
Ein weiterer entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine drahtlose Datenkommunikation nicht erfordert, dass elektrische Kontakte der Feldvorrichtung bloßgelegt werden, bevor Drahtleitungen daran angeschlossen werden können.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist vorgeschlagen, den Austausch von Daten unter Verwendung einer drahtlosen Kommunikation von und/oder zu der Vorrichtung in einem Fall, in welchem eine Energieverknappung in der Feldvorrichtung zu einer unsicheren Datenübertragung führen würde, zu verzögern. Die Verzögerungszeit kann dazu verwendet werden, vor einer Aktivierung des Senders und/oder des Empfängers weiter Energie zu der Feldvorrichtung zuzuführen.
Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung lässt zu, immer einen sicheren Datenaustausch von und/oder zu der Feldvorrichtung zu garantieren. Da eine Datenkommunikation nur dann startet, wenn genügend Energie in der Feldvorrichtung verfügbar ist, kann jede Unterbrechung eines Datenaustauschs nach seiner Initiierung, und daher jeder Verlust an Energie in der Feldvorrichtung aufgrund von unbeendeten Datenaustauschprozessen, streng vermieden werden.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist vorgeschlagen, den über eine drahtlose Datenkommunikation zu sendenden und/oder zu empfangenden Datenstrom in eine Vielzahl von Datensegmenten aufzuteilen.
Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, unnötige Verzögerungen während des Sendens und/oder des Empfangens von Daten zu vermeiden. Anders ausgedrückt kann deshalb, weil weniger Energie für kleinere Datenpakete oder Datensegmente nötig ist, die Übertragung bzw. der Transfer und/oder ein Empfang davon auch initiiert werden, wenn nur eine geringe Menge an Energie in der Feldvorrichtung verfügbar ist. Insgesamt führt dies zu einer Beschleunigung des drahtlosen Sendens und/oder Empfangens von Daten.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Sender und/oder der Empfänger vom Infrarottyp und weist eine Codiereinheit auf, die dazu geeignet ist, einen Eingangsbitstrom zu empfangen und jedes Eingangsbit so zu codieren, dass ein zugehöriger erzeugter codierter Puls eine Pulszeitperiode hat, die kürzer als die Bit-Pulszeitperiode ist.
Es sollte beachtet werden, dass dieser Ansatz in Bezug auf eine Energieverbrauchsreduzierung – d.h. anders ausgedrückt die Verwendung einer Pulsbreitenschrumpfung – nicht auf ein bestimmtes Codierschema beschränkt ist. Anders ausgedrückt kann entweder ein logisches H-Bit oder ein logisches L-Bit in einen schmaleren codierten Puls codiert werden, während das logische L-Bit oder H-Bit überhaupt nicht in einen Puls codiert wird. Ebenso können Übergänge zwischen unterschiedlichen Bitpulsamplituden H, L in Pulse für ihre nachfolgende Ausgabe codiert werden. Codierte Pulse können eine unterschiedliche Breite oder Frequenz zur Indizierung von einem von zwei Zuständen haben, d.h. logisch H, L oder einen Übergang dazwischen.
Die vorliegende Erfindung kann auch gut an den IrDA-Standard angepasst sein, der von der Infrared Data Association Organisation als Standard für einen seriellen Infrarot-Datenaustausch veröffentlicht ist.
Somit lässt die vorliegende Erfindung zu, dass ein serieller Halbduplex-Datenverbindungsstandard mit geringer Leistung, geringen Kosten und mit Zwischenbetätigbarkeit innerhalb von Herstellungsfeldern angewendet wird, um Steuerinformation und sensor- und/oder aktuatorbezogene Information zu erzeugen, wiederzugewinnen, zu präsentieren und zu senden bzw. zu übertragen.
Dieser neue Ansatz bezüglich einer kosteneffizienten schnurlosen Anwenderschnittstelle im Herstellungsfeld, insbesondere in Bezug auf den IrDA-Standard, ermöglicht auch die Integration einer persönlichen digitalen Unterstützung mit PDA, Tischrechner- und Notebook-PCs als Konfiguratoren oder Fernbedienungsvorrichtungen in solchen Herstellungsfirmen. Diese verfügbaren Standardkomponenten reduzieren daher die Gesamtkosten einer Systemimplementierung. Weitere Standards, die innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung anzuwenden sind, sind die serielle Infrarotverbindung SIR, das Verbindungszugriffsprotokoll IrLAP und das Verbindungsmanagementprotokoll IrLMP, um die Bandbreite bis auf 4,0 Mbit/s zu erweitern. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung gut für zukünftige Erweiterungen von Standards für Übertragungen mit niedriger Leistung geeignet, solange wie die Infrarotübertragung nur eine relativ geringe Energieversorgung erfordert.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Infrarotübertragung von Daten allein beschränkt ist. Gegensätzlich dazu kann eine drahtlose Datenkommunikation auch im Funk-Frequenzbereich, im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts oder im Ultraschall-Frequenzbereich erreicht werden, um an Kabel angeschlossene portierbare und/oder feste Feldvorrichtungen zu ersetzen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Sender eine Sendeeinheit – entweder für infrarotes sichtbares Licht, eine Ultraschall- oder eine Funkfrequenz – auf, die zwischen einer Energieversorgungsleitung und einer Erdung angeschlossen ist, und einen Energiepuffer, der über die lichtemittierende Einheit für eine Zufuhr von Energie dorthin gekoppelt ist.
Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berücksichtigt die reduzierte Verfügbarkeit an Leistung bzw. Energie innerhalb der Feldvorrichtung. Anders ausgedrückt kann dann, wenn die Sendeeinheit keine Wellenformen aussendet, Energie, die auf der Energieversorgungsleitung verfügbar ist, im Energiepuffer vorgespeichert sein – z.B. einem Kondensator – für eine nachfolgende Verwendung während des Sendeprozesses. Dies ist insbesondere in einem Fall nützlich, in welchem die Energieversorgungsleitung nicht ausreichende Energie zu der Sendeeinheit während eines Sendens zuführt, so dass der Energiepuffer die Energieversorgung unterstützt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Sender weiterhin einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand auf, die zwischen der Energieversorgungsleitung und der Sendeeinheit in Reihe geschaltet sind. Der Energiepuffer ist an den Knoten zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Widerstand angeschlossen, und der zweite Widerstand ist variabel, um z.B. die Bestrahlung einer lichtemittierenden Einheit zu ändern, die für eine drahtlose Übertragung verwendet wird, oder die Ausgangsleistung eines Funkfrequenzsenders.
Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient der erste Widerstand zum Begrenzen der Menge an Energie oder des maximalen Stroms, der in den Energiepuffer fließt, und lässt der zweite Widerstand zu, den Übertragungsbereich anzupassen, z.B. gemäß verfügbarer Energie innerhalb der Feldvorrichtung oder gemäß einem erwünschten Datenaustauschabstand. Daher kann die Feldvorrichtung zusammen mit dem entfernten Konfigurator so verwendet werden, dass für unterschiedliche Betriebsbedingungen unterschiedliche Datenaustauschabstände spezifiziert werden können. Ein Beispiel wäre, dass in einer gefährlichen Umgebung ein Bediener sich der Feldvorrichtung nicht über eine vorbestimmte begrenzte Entfernung nähern kann, während er in anderen Umgebungen sich nahe zu der Feldvorrichtung nähern kann, um die Menge an verbrauchter Energie während eines Datenaustauschs zu reduzieren.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine drahtlose Datenkommunikation nicht nur dazu verwendet werden, Feldvorrichtungen zu konfigurieren, abzufragen, zu kalibrieren oder zu testen, ohne sie zu berühren, sondern auch um drahtlose Kommunikationsverbindungen für einen Steuerbus einzusetzen.
Anders ausgedrückt kann man in einem Fall, in welchem die gesamte Kommunikation auf drahtlose Weise erreicht wird, das Steuersystem für den Herstellungsprozess mit überhaupt keiner Verdrahtung im Herstellungsfeld oder über eine kombinierte Form von Kommunikationsverbindungen, d.h. über den Steuerbus und über drahtlose Infrarot-Kommunikationsverbindungen, implementieren.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung haben unterschiedliche Feldvorrichtungen oder Funktionseinheiten des Herstellungsfirma-Steuersystems jeweils einen Sender, der über ein Fernzugriffs-Datenaustauschnetz verbunden ist. Das Vorsehen eines Fernzugriffs-Datenaustauschnetzes lässt einen entfernten Datenaustausch auf eine sehr effiziente Weise zu. Eine weitere Variation dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nur eine einzige Feldvorrichtung oder Funktionseinheit eine drahtlose Datenkommunikationsfähigkeit hat und als Zugriffsstelle oder, anders ausgedrückt, als Portal für einen Zugriff auf verschiedene Komponenten im Herstellungsfeld, beschränkt auf dieselbe Steuerschleife wie die Feldvorrichtung, die als Portal dient, verwendet wird. Die Anwendung des Portalkonzepts auf ein Herstellungsfeld lässt zu, den Zusatzaufwand zu minimieren, der zum Erreichen einer drahtlosen Datenkommunikation nötig ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben umrissene Aufgabe durch ein Verfahren zum Austauschen von Daten in einem Herstellungsfeld mit dem Merkmal des Anspruchs 35 erreicht.
Daher lässt das erfinderische Verfahren zu, dieselben Vorteile zu erreichen, wie sie oben umrissen sind. Ebenso können Eingangsdaten in eine Vielzahl von Datensegmenten mit einer Leerzeit dazwischen aufgeteilt werden. Daher kann die Sende- und/oder Empfangs-Feldvorrichtung für eine nachfolgende drahtlose Datenübertragung während jeder Leerzeit mit weiterer Energie versorgt werden.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Segmentierung des Eingangsdatenstroms in kleinere Datensegmente besteht darin, dass es vor dem Senden und/oder Empfangen von einem jeweiligen Datensegment möglich ist, auf die verfügbare Energie für einen Datenaustausch zu prüfen. In einem Fall, in welchem die verfügbare Energie innerhalb der Feldvorrichtung unzureichend für den angeforderten Datenaustausch ist, ist es möglich, den Datenaustausch zu verzögern, bis genügend Energie verfügbar ist. Dies lässt zu, den Verlust von Daten oder einen unvollständigen und daher fehlerhaften Datenaustausch in dem Herstellungsfirma-Steuersystem zu vermeiden, was möglicherweise zu Fehlern führen könnte.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfinderischen Verfahrens ist vorgeschlagen, die in der Feldvorrichtung für eine drahtlose Datenkommunikation verfügbare Energie zu überwachen – z.B. eine Spannung eines Pufferkondensators – und den drahtlosen Datenaustausch in einem Fall zu stoppen, in welchem die Energieversorgung nicht mehr ausreichend ist. Diese Variation gemäß der vorliegenden Erfindung lässt zu, Daten unter Verwendung einer drahtlosen Kommunikation auszutauschen, solange Energie in der Feldvorrichtung verfügbar ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt, das direkt in den internen Speicher einer Feldvorrichtungs-Steuerung geladen ist, wobei das Produkt Softwarecodeteile aufweist, die dazu geeignet sind, zu veranlassen, dass die Feldvorrichtung die Schritte des Verfahrens zum Austauschen von Daten in einem Herstellungsfeld unter Verwendung einer drahtlosen Datenübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung durchführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Feldvorrichtungs-Steuerung läuft.
Daher ist die vorliegende Erfindung auch zur Verfügung gestellt, um eine Implementierung der erfinderischen Verfahrensschritte auf Computer- oder Prozessorsystemen zu erreichen. Schließlich führt eine solche Implementierung zu dem Bereitstellen von Computerprogrammprodukten zur Verwendung innerhalb eines Computersystems oder, spezifischer, eines Prozessors, der in z.B. einer Steuerung eines Senders und/oder Empfängers umfasst ist.
Programme, die die Verfahrensfunktionen gemäß der vorliegenden Erfindung definieren, können zu einer Steuerung in vielen Formen geliefert werden, einschließlich von, aber nicht darauf beschränkt, Information, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien gespeichert sind, wie z.B. Nurlesespeichervorrichtungen, wie beispielsweise ROM- oder CD-ROM-Disketten, die durch Prozessoren oder Computer-I/O-Anbringungen lesbar sind; weitere Information, die auf beschreibbaren Speichermedien gespeichert ist, wie z.B. Disketten und Festplattenlaufwerken; oder Information, die über Kommunikationsmedien, wie beispielsweise ein Netzwerk und/oder ein Telefonnetzwerk und/oder ein Internet über Modems oder andere Schnittstellenvorrichtungen zu einer Steuerung weitergeleitet wird. Es sollte verstanden werden, dass solche Medien, wenn sie prozessor- und/oder steuerungslesbare Anweisungen tragen, die das erfinderische Konzept implementieren, alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Im Folgenden werden die beste Art zum Ausführen der Erfindung, sowie weitere Vorteile, Aufgaben und bevorzugte Ausführungsbeispiele davon unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden, wobei:
1 einen peripheren Teil eines Herstellungsprozess-Steuersystems zeigt;
2 ein detaillierteres schematisches Diagramm der in 1 gezeigten Feldvorrichtungen zeigt;
3 ein schematisches Diagramm einer Feldvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein schematisches Diagramm einer weiteren Feldvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein schematisches Diagramm eines Senders und/oder eines Empfängers für eine drahtlose Datenkommunikation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein schematisches Diagramm der Steuerung des in 5 gezeigten Senders und/oder Empfängers zeigt;
7 ein Schaltungsdiagramm eines Infrarotsenders gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Schaltungsdiagramm eines Infrarotempfängers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 Codierschemen zeigt, die für einen Datenaustausch über ein Infrarotsenden und/oder -empfangen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
10 ein Frame-Format zeigt, das für einen Datenaustausch über ein Infrarotsenden und/oder -empfangen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
11 die Beziehung zwischen der Beleuchtung des Infrarotsenders und einem erreichbaren Datenaustauschabstand zeigt;
12 eine Beziehung zwischen einer Beleuchtungsintensität des Infrarotsenders und einem Emissionswinkel zeigt;
13 ein Schaltungsdiagramm eines Funkfrequenzsenders gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ein Schaltungsdiagramm eines Funkfrequenzempfängers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Senden von Daten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Empfangen von Daten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ein schematisches Diagramm eines Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines unidirektionalen drahtlosen Datensendens zeigt;
18 ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines bidirektionalen drahtlosen Datensendens zeigt;
19 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Handhaben von Engpässen bei einer drahtlosen Datenübertragung bei dem in 18 gezeigten Herstellungsfirma-Steuersystem zeigt;
20 ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Feldvorrichtungen mit Sensoren von unterschiedlichen Typen zeigt;
21 ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems unter Verwendung eines Fernzugriffs auf Feldvorrichtungen über eine drahtlose Kommunikation zeigt;
22 ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Fernzugriffnetzwerks zum Verbinden unterschiedlicher Untersysteme mit einem drahtlosen Sender und/oder Empfänger zeigt.
BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden die beste Art zum Ausführen der vorliegenden Erfindung sowie ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele, weitere Aufgaben und weitere Vorteile unter Bezugnahme auf die Zeichnung erklärt werden. Insoweit unterschiedliche Merkmale der vorliegenden Erfindung in Bezug auf deren bestimmte Aspekte erklärt werden, ist es zu verstehen, dass diese Merkmale miteinander kombinierbar sind, um verschiedene andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Feldvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diejenigen Elemente mit denselben Bezugszeichen wie entsprechende oder zugehörige Elemente, die in 2 gezeigt sind, werden im Folgenden nicht detailliert erklärt werden, sondern es wird auf die Erklärung der 2 Bezug genommen, wie sie oben umrissen ist.
Wie es in 3 gezeigt ist, unterscheidet sich die Feldvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber bislang bekannten Feldvorrichtungen dadurch, dass sie einen Sender und/oder einen Empfänger 42 für eine drahtlose Datenkommunikation aufweist. Weiterhin ist eine Anzeigeeinheit 44, z.B. eine LCD-Vorrichtung, zur Anzeige einer Messung von Steuerdaten zum Anwender der Feldvorrichtung vorgesehen. Der Sender und/oder der Empfänger 42 und die Anzeigeeinheit 44 sind hinter einem transparenten bzw. durchsichtigen Fenster 46 angeordnet, das im Gehäuse der Feldvorrichtung vorgesehen ist.
Wie es auch in 3 gezeigt ist, kann die Feldvorrichtung mit der entfernten Vorrichtung 48 mit auch einem Sender und/oder Empfänger 52 für eine drahtlose Datenkommunikation und einer Anzeigeeinheit 54, die hinter einem transparenten Fenster 56 angeordnet sind, kommunizieren. Diese entfernte Vorrichtung kann z.B. für eine Abfrage, eine Konfiguration, eine Kalibrierung und ein Testen der Feldvorrichtung verwendet werden. Die Anzeigeeinheiten zeigen gemessene oder transferierte Variablen sowie Menüs und vollständig beschreibende Nachrichten an. Weiterhin lassen eigenständige Menüs eine schnelle Ausführung von Testschritten zu. Die entfernte Vorrichtung kann ein Laptop-Computer und ein in der Hand gehaltener PC, eine PDA-Unterstützung, ein Mobilfunktelefon oder irgendeine andere geeignete portierbare Kommunikationseinheit sein, die für eine drahtlose Datenkommunikation geeignet ist. Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Standardvorrichtungen anstelle von spezifisch entwickelter Hardware verwendet werden können, um Gesamtsystemkosten im Vergleich mit einer drahtgebundenen Kommunikation zu reduzieren.
Weiterhin könnte es in Abhängigkeit von der Anwendung nötig sein, dass die entfernte Vorrichtung entweder eigensicher oder explosionssicher oder beides ist. Hier ist eine Eigensicherheit einfacher zu erreichen als eine Explosionssicherheit, da im letzteren Fall die Betriebselemente in einem explosionssicheren Gehäuse der entfernten Vorrichtung vorgesehen sein müssen. Jedoch besteht gemäß der vorliegenden Erfindung ein wichtiger Vorteil darin, dass die entfernte Vorrichtung als solches nicht mit der Feldvorrichtung verdrahtet sein muss, um dadurch eine explosionssichere Einkapselung von elektrischen Kontakten zu vermeiden.
Wie es in 3 gezeigt ist, werden der Sender und/oder Empfänger 42 und die Anzeigeeinheit 44 im Betrieb unter einer Steuerung der Steuereinheit 38 der Feldvorrichtung betrieben. Die Energie, die für den Betrieb des Senders und/oder Empfängers 42 und der Anzeigevorrichtung 44 nötig ist, wird extern bzw. von außen über den Steuerbus, die Entlade-Schutzeinheit 32 und den DC/DC- bzw. Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 36 zugeführt.
4 zeigt ein schematisches Diagramm einer weiteren Feldvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Hier werden dieselben entsprechenden Teile, wie sie oben in Bezug auf 3 umrissen sind, oder unter Verwendung derselben Bezugszeichen bezeichnet sind, nicht erklärt werden.
Wie es in 4 gezeigt ist, ist die Feldvorrichtung gemäß diesem weiteren Ausführungsbeispiel vom alleinstehenden Typ, und eine Energieversorgung wird über eine interne Leistungsquelle 58 erreicht. Ebenso basiert ein Austausch von Information einzig auf der drahtlosen Verbindung zwischen der Feldvorrichtung und der entfernten Vorrichtung 48, ohne irgendeinen Austausch von Information über einen Steuerbus. Hierdurch werden Anstrengungen für eine Verdrahtung des Steuerbusses im Herstellungsfeld überflüssig.
5 zeigt ein schematisches Diagramm des drahtlosen Senders und/oder Empfängers gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in den 3 und 4 gezeigt ist, detaillierter. Es sollte beachtet werden, dass jede im Folgenden zu beschreibende Funktionalität in Hardware, in Software oder in einer Kombination davon realisiert werden kann.
Wie es in 5 gezeigt ist, teilt sich der Sender und/oder Empfänger 42, 52 in einen Steuerabschnitt mit einer Steuerung 60 und einem Pufferspeicher 62.
Im Übertragungspfad des Senders und/oder Empfängers ist ein Codierer 64 vorgesehen, der zu übertragende Daten empfängt und einen stromabwärtigen Sender 66 antreibt.
Im Empfangsteil des Senders und/oder Empfängers ist ein Empfänger 68 vorgesehen, dem eine Übertragungswellenform zugeführt wird und der Pulse zu einem stromabwärtigen Decodierer 70 zum Decodieren in einen Ausgangsbitstrom zuführt. Der Codierer 64 und der Decodierer 70 bilden einen Teil eines Modemabschnitts, und der Sender 66 und der Empfängeer 68 bilden einen Teil eines Transceiverabschnitts.
6 zeigt ein schematisches Diagramm der Steuerung des in 5 gezeigten Senders und/oder Empfängers.
Wie es in 6 gezeigt ist, teilt sich die Steuerung 60 in eine Protokoll-Antriebseinheit 72, eine Codierer- und/oder Decodierer-Steuereinheit 74, eine Schnittstelleneinheit 76 und eine Eingangs/Ausgangs-Schnittstelleneinheit 78.
Im Betrieb speichert die Protokoll-Antriebseinheit 72 unterschiedliche Protokolle für physikalische Schichten, welche Protokolle für ein Senden und/oder ein Empfangen und den Austausch von Information über den Steuerbus verwendet werden. Weiterhin erreicht die Codierer- und/oder Decodierer-Steuereinheit 74 eine Auswahl eines geeigneten Codierschemas, um im Codierer 64 verwendet zu werden, im bezogenen Decodierschema zur Verwendung im Decodierer 70. Die Schnittstelleneinheit 76 ist vorgesehen, um die Pulswellenform im Sender in Übereinstimmung mit einem erforderlichen Datenaustauschabstand und Bedingungen für drahtloses Senden und/oder Empfangen zu steuern. Die Eingangs- und/oder Ausgangs-Schnittstelleneinheit 76 dient zum Bilden einer Schnittstelle zu dem Anwender von entweder der Feldvorrichtung oder der entfernten Einheit. Die Eingangs- und/oder Ausgangs-Schnittstelleneinheit ist dazu geeignet, die Anzeigeeinheiten 44, 54 zur Steuerung einer Dateneingabe und/oder -ausgabe zu der Feldvorrichtung und/oder der entfernten Vorrichtung über eine Tastatur und weiterhin für die Abbildung von alphanumerischen Eingangsdaten zu einem intern verwendeten Datenformat anzutreiben.
Wie es im Folgenden umrissen werden wird, kann eine drahtlose Kommunikation gemäß der vorliegenden Erfindung entweder im infraroten Frequenzbereich, im Funkfrequenzbereich, im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts oder im Ultraschall-Frequenzbereich erreicht werden. Im Folgenden wird die drahtlose infrarote Datenkommunikation in Bezug auf die 7 bis 12 erklärt werden und wird die drahtlose Funkfrequenzübertragung in Bezug auf die 13 und 14 erklärt werden.
7 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Infrarotsenders gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 7 gezeigt ist, hat der Infrarotsender eine Energieversorgungsleitung 80 und eine Erdungsleitung 82. Der Infrarotsender weist einen Treiberverstärker 84 mit einem ersten Energieversorgungsanschluss auf, der an die Energieversorgungsleitung 80 angeschlossen ist, und einem zweiten Energieversorgungsanschluss, der an die Erdungsleitung 82 angeschlossen ist. Zwischen der Energieversorgungsleitung 80 und der Erdungsleitung 82 ist ein erster Widerstand 86, ein zweiter Widerstand 88, ein lichtemittierendes Element – z.B. eine lichtemittierende Diode – 90 und ein Umschalttransistor 92 vorgesehen, die in Reihe geschaltet sind. An dem Knoten, der den ersten Widerstand 86 und den zweiten Widerstand 88 verbindet, ist ein Kondensator 94 vorgesehen, der zur Erdung abzweigt. Über dem Kondensator 94 ist ein Spannungsdetektor 96 zur Messung der Spannung über dem Kondensator 94 angeschlossen, und daher der Energie, die durch den Kondensator 94 zuführbar ist.
Im Betrieb emittiert der in 7 gezeigte Infrarotsender Infrarotwellenformen gemäß einer Leistung bzw. Energie, die zum Antriebsverstärker 84 zugeführt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgeschlagen, den Kondensator 94 für eine Zwischen-Energiespeicherung vorzusehen, wenn keine Energie durch das lichtemittierende Element 90 verbraucht wird. Dies lässt zu, zusätzliche Energie zu dem lichtemittierenden Element 90 während einer Infrarotwellenformübertragung in einem Fall zuzuführen, in welchem die durch die Energieversorgungsleitung 80 zugeführte Energie kleiner als die Energie der Infrarotwellenformübertragung ist. Das Vorsehen des Kondensators 94 ist von besonderem Vorteil, wenn der Infrarotsender in einer Feldvorrichtung mit beschränkten Betriebsmitteln einer Energieversorgung verwendet wird.
Weiterhin lässt das Vorsehen des Spannungsdetektors 96 zu, immer die Energie zu bewerten, die zu dem Kondensator 94 verfügbar ist, und daher eine genaue Steuerung des Betriebs des in 7 gezeigten Senders.
Der erste Widerstand 86 ist vorgesehen, um einen ruhigen Energiefluss von der Energieversorgungsleitung 80 zu dem Kondensator 94 zu erreichen. Der zweite Widerstand 88 ist variabel und gemäß einer erwünschten Bestrahlung durch das lichtemittierende Element 90 und gemäß einem vorbestimmten Datenaustauschabstand abgestimmt. Die Kapazität des Kondensators 94 ist typischerweise kleiner als 100 μF, z.B. 68 μF, und der Widerstandswert des ersten und des zweiten Widerstands 86, 88 ist jeweils kleiner als 120 Ω und 10 Ω.
8 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Infrarotempfängers 68 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 8 gezeigt ist, weist der Infrarotempfänger eine Lichtempfangseinheit 98 – z.B. eine Photodiode – und ein zu dieser in Reihe geschaltetes Filter 100 auf. Das Filter 100 ist vorgesehen, um diejenigen Komponenten in dem empfangenen Infrarotwellenformsignal herauszufiltern, die nicht zu der Übertragung von Daten gehören, sondern zu Störsignalen, wie z.B. Umgebungslicht.
Im Folgenden werden Codierschemen für eine drahtlose Infrarotkommunikation gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 9 beschrieben werden.
Es ist zu beachten, dass die hierin nachfolgend zu beschreibenden Codierschemen nur als Beispiele anzusehen sind und dass irgendeine physikalische Schicht mit der Eigenschaft zum Reduzieren des Energieverbrauchs im Vergleich zu einem Eingangsbitstrom für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Während die 9 unterschiedliche Ansätze für ein geeignetes Codieren zeigt, ist es weiterhin zu beachten, dass es klar ist, dass auch eine Kombination aus diesen Codierschemen genauso gut innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
Das Codier- und/oder Decodierschema, das in 9(a) gezeigt ist, beruht auf der Idee, nur eines von zwei Eingangsbits im Eingangsdatenstrom zu codieren. Das codierte Bit wird einem Puls mit einer reduzierten Pulszeitperiode im Vergleich zu der bezogenen Bit-Pulszeitperiode zugeordnet. Während gemäß dem in 9(a) gezeigten Codierschema das L-Bit in einen Puls P1 mit einer Pulszeitperiode T1 codiert ist, verwendet das in 9(b) gezeigte Codierschema ein Codieren des H-Bits in einen Puls P2 mit einer Pulszeitperiode T2.
Die in den 9(a), 9(b) gezeigten Codier- und/oder Decodierschemen beziehen sich auf eine physikalische Schicht IrDA, wo das Verhältnis zwischen der Pulszeitperiode des codierten Pulses und der Bit-Zeitperiode 3/16 ist.
Dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat viele Vorteile in dem Sinn, dass irgendwelche Standardkomponenten, die für diesen IrDA-Datenübertragungsstandard verfügbar sind, einfach an Steueranwendungen in Herstellungsfeldern ohne irgendein Kompatibilitätsproblem angepasst werden können.
Weiterhin ermöglicht es die Verwendung von Substandards bzw. Unterstandards, die für den IrDA-Standard veröffentlicht sind, d.h. der seriellen infraroten Verbindungsspezifikation SIR, der Verbindungszugriffsprotokollspezifikation IrLAP und der Verbindungsmanagementprotokollspezifikation IrLMP. Ebenso ermöglicht es die Verwendung von Erweiterungen für den IrDA-Standard mit Hochgeschwindigkeitserweiterungen von 1.152 Mbit/sek und 4.0 Mbit/sek, während ein niedriger Energieverbrauch beibehalten wird, der wesentlich für den Betrieb der Feldvorrichtungen ist.
Eine weitere Option innerhalb des IrDA-Standardrahmens ist die Verwendung des IrBus (oder CIR (Standards)) unter Verwendung der IEC 1603-1-Hilfsträgerfrequenzzuteilung mit einem Träger bei 1500 kHz und mit einer Übertragungskapazität von 72 kbit/sek.
Eine weitere Option ist der fortentwickelte IR-Standard (AIR 256 kbit/sek, Austauschabdeckung von 7 Metern) und der schnelle IR-Standard (FIR, minimale Übertragungsrate von 16 Mbit/sek über mehr als einen Meter Datenaustauschabstand).
Weiterhin ermöglicht die physikalische Schicht IrDA irgendein Protokoll, wie beispielsweise FoxCom, HART, Profibus, Foundation Field Bus, etc. zwischen der Feldvorrichtung und der entfernten Vorrichtung laufen zu lassen. In dem Fall, in welchem die physikalische Schicht IrDA verwendet wird, ist es möglich, Standardkomponenten in das Herstellungs-Steuersystem zu integrieren, wie beispielsweise RS 232-Schnittstellen.
9(c) zeigt ein weiteres Codier- und/oder Decodierschema, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Hier wird jeder Übergang von einem L-Bit zu einem H-Bit unter Verwendung eines Pulses P3 mit einer Pulszeitperiode T3 codiert, während jeder umgekehrte Übergang von einem H-Bit zu einem L-Bit unter Verwendung eines Pulses P4 mit einer Pulszeitperiode T4 > T3 codiert wird.
9(d) zeigt ein Codierschema, bei welchem jedes L-Bit zu einem codierten Puls P5 codiert wird, so dass in Reaktion auf diesen codierten Puls P5 der Infrarotsender 66 eine Infrarotwellenform mit einer ersten Frequenz F1 sendet. Jedes H-Bit wird mit einem Puls P6 codiert, so dass in Reaktion auf diesen codierten Puls P6 der Infrarotsender 66 eine Infrarotwellenform mit einer zweiten Frequenz f2 sendet.
9(e) zeigt ein Codierschema, bei welchem jeder Übergang von einem L-Bit zu einem H-Bit in einen Puls P7 codiert wird, so dass in Reaktion auf diesen Puls der Infrarotsender 66 eine Infrarotwellenform mit einer dritten Frequenz f3 sendet. Ebenso wird jeder Übergang von einem H-Bit zu einem L-Bit zu einem Puls P8 codiert, so dass in Reaktion auf diesen Puls der Infrarotsender 66 eine Infrarotwellenform mit einer vierten Frequenz f4 sendet.
Weitere Alternativen, um zwei unterschiedliche Bitpegel 0, 1 (nicht gezeigt) zu codieren und/oder decodieren, sind die Verwendung von zwei lichtemittierenden Dioden, die bei zwei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Hier würde jeder einzelne lichtemittierende Diode entweder einem ersten und einem zweiten Bitpegel oder einem ersten und einem zweiten Übergang zwischen unterschiedlichen Bitpegeln zugeordnet werden. Eine weitere Variation der in 9 gezeigten Codier- und/oder Decodierschemen wäre ein Verwenden einer Vielzahl von Pulsen mit reduzierten Pulszeitperioden für jeden Zustand, um so lange codiert zu sein, wie ein reduzierter Energieverbrauch erreicht wird.
10 zeigt ein Frame-Format, das für einen Datenaustausch über eine Infrarotübertragung und/oder einen Infrarotempfang gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Wie es in 10 gezeigt ist, kann ein Codieren in dem Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur in Bezug auf einzelne Datenbits in einem Eingangsdatenstrom ausgeführt werden, sondern auch in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Frame-Format, d.h. dem UART-Frame-Format (universeller asynchroner Empfänger/Sender-Standard, der aus dem Gebiet von Personalcomputern bekannt ist). Während 10 die Anwendung des Codierschemas gemäß 9(a) auf ein solches UART-Frame-Format zeigt, ist es zu beachten, dass natürlich irgendein anderes in 9 gezeigtes Codierschema oder irgendeine Kombination davon genauso gut auf ein auf einem Frame-Format basierendes Codierschema angewendet werden kann.
Ein wichtiger Vorteil in Bezug auf die Verwendung eines Frame-Formats besteht darin, dass der Eingangsdatenstrom in Eingangsdatensegmente zur Speicherung im Pufferspeicher 62 des in 5 gezeigten Infrarot-Senders und/oder -Empfängers segmentiert werden kann. Anders ausgedrückt ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den Eingangsbitstrom in kleinere Segmente aufzuteilen, die dann in einer Sequenz während einer Zeit übertragen werden. Dies ist von besonderer Wichtigkeit in Bezug auf Feldvorrichtungen, da während einer Übertragung von Daten die in der Feldvorrichtung gespeicherte Energie aufgrund eines Stromverbrauchs in der Feldvorrichtung für den Übertragungsprozess nach und nach geringer wird. Wenn eine Datensegmentierung in dem oben umrissenen Sinn verwendet wird, kann die Feldvorrichtung weitere Energie von dem Steuerbus zwischen zwei aufeinanderfolgenden Datensegmenten empfangen, um eine Infrarotwellenformübertragung beizubehalten.
11 zeigt eine Beziehung zwischen der Beleuchtung des Infrarotsenders und einem verfügbaren Datenaustauschabstand. Wie es bereits oben umrissen ist, kann die Beleuchtung des Infrarotsenders durch Abstimmen des in 7 gezeigten zweiten Widerstandes 84 und daher durch Abstimmen des Stroms, der über das lichtemittierende Element 90 fließt, abgeleitet werden.
11 lässt zu, den Datenaustauschabstand als Funktion der Beleuchtung beim Infrarotsender zu bestimmen. Unter der Annahme, dass eine minimale Beleuchtung beim Empfänger 40 mW/m², kombiniert mit einer Intensität von 40 mW Steradiant (sr), ist, ist der resultierende Datenaustauschabstand 1 m. In dem Fall, in welchem die minimale Beleuchtung beim Empfänger 100 mW/m² mit derselben Intensität von 40 mW/sr ist, wird der Datenaustauschabstand nur 70 cm sein. Auf dieselbe Weise können erreichbare Datenaustauschabstände aus dem in 11 gezeigten Diagramm für unterschiedliche Senderbeleuchtungswerte und Intensitäten abgeleitet werden.
12 zeigt eine Beziehung zwischen einer Strahlungsintensität des Infrarotsenders und einem Emissionswinkel.
Wie es in 12 gezeigt ist, sollte die optische Strahlungsintensität auf einen maximalen Wert, wie z.B. 500 mW/sr, und einen Winkel von ± 30° begrenzt sein, um einen unabhängigen Betrieb von mehr als einer Feldvorrichtung oder einer entfernten Vorrichtung im Herstellungsfeld zu ermöglichen. Hierfür zeigt die 12 ein Toleranzfeldschema für Infrarotsender-Emissionskennlinien und typische Emissionskurven von Infrarotsendern gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden wird ein Sender und/oder Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung für eine drahtlose Datenkommunikation im Funkfrequenzbereich in Bezug auf die 13 und 14 erklärt werden. Hier sollte es beachtet werden, dass die Prinzipien zum Codieren eines Eingangsdatenstroms, wie es in Bezug auf eine infrarote drahtlose Datenkommunikation erklärt ist, genauso gut auf den drahtlosen Datenaustausch im Funkfrequenzbereich anwendbar sind. Weiterhin sind diejenigen Teile, die in 13 gezeigt sind, die identisch zu denjenigen sind, die zuvor in Bezug auf 7 diskutiert sind, unter Verwendung derselben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Erklärung wird weggelassen werden.
Wie es in 13 gezeigt ist, ist in einem Fall, dass eine drahtlose Datenkommunikation im Funkfrequenzbereich ausgeführt wird, ein Funkfrequenzsender 102 in Reihe zum ersten Widerstand 86 vorgesehen. Dieser Funkfrequenzsender 102 ersetzt den zweiten Widerstand 88, die lichtemittierende Diode 90, den Schalttransistor 92 und den Antriebsverstärker 84, die in 7 gezeigt sind.
Im Betrieb verwendet der in 13 gezeigte Funkfrequenzbereichssender den ersten Widerstand 86 zum Beschränken des Stroms zum Energiepuffer 94. Der Spannungsdetektor 96 ist vorgesehen, um die Energie zu messen, die durch den Kondensator 94 zuführbar ist.
Steuerdaten und Eingangsdaten werden zu dem Funkfrequenzbereichssender 102 vor einer darauffolgenden Übertragung der Eingangsdaten zugeführt. Der Funkfrequenzbereichssender kann einen Programmierleistungssteuereingangsanschluss haben, der digitale Eingangsdaten empfängt, um die Ausgangsleistung des Senders 102 zu bestimmen.
14 zeigt die Struktur eines Funkfrequenzempfängers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 14 gezeigt ist, teilt sich der Funkfrequenzempfänger in einen Empfängerabschnitt 104 und einen Demodulatorabschnitt 106. Im Betrieb sendet der Empfängerabschnitt 104 ein Funkfrequenzsignal in eine Zwischenfrequenz oder ein Basisbandsignal für eine darauffolgende Verarbeitung durch den Demodulator 106.
Wie es bereits oben umrissen ist, kann der Empfängerabschnitt auch für die drahtlose Kommunikation mit Funkfrequenz gemäß der Energie betrieben werden, die für einen drahtlosen Datenempfang verfügbar ist. Anders ausgedrückt kann der Empfängerabschnitt in einen Standby-Mode aktiviert und/oder daraus deaktiviert werden, bis entweder genügend Energie für einen drahtlosen Datenempfang verfügbar ist, oder während einer drahtlosen Datenübertragung. Eine weitere Alternative besteht darin, dass er bei dem Empfänger erkennt, dass die empfangene Adresse nicht zu der Feldvorrichtung mit dem Empfängerabschnitt gehört. Eine weitere Alternative besteht im Versetzen des Empfängerabschnitts in einen Standby-Mode während des Bildens einer Antwort bzw. Reaktion, die durch die Feldvorrichtung nach einem Empfangen einer Anforderung für eine Datenübertragung zu senden ist. Die Verwendung eines Standby-Modes im Empfängerabschnitt gemäß unterdschiedlichen Betriebsbedingungen lässt zu, den Stromverbrauch des Empfangsabschnitts von z.B. einem Bereich von 20 mA bis 60 mA auf nur einige μA zu reduzieren.
Es sollte beachtet werden, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung, während im obigen die Infrarot- und Funkfrequenzübertragung separat beschrieben worden sind, klar möglich ist, beide Übertragungsverfahren innerhalb einer bestimmten Anwendung zu kombinieren.
Weiterhin sollte es beachtet werden, dass die in Bezug auf eine drahtlose Datenkommunikation erklärten Konzepte genauso gut auf die Änderung von Daten unter Verwendung von sichtbarem Licht und des Ultraschall-Frequenzbereichs angewendet werden können.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Austauschen von Daten in einem Herstellungsfeld unter Verwendung einer drahtlosen Übertragung gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 15 und 16 beschrieben werden.
15 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Übertragen von Daten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 15 gezeigt ist, wird anfangs in einem Schritt S1 der nächste Datenblock, der im Pufferspeicher 62 gespeichert ist, identifiziert, um auf weitere Übertragungsdaten zu prüfen. Dann findet in einem Schritt S2 eine Abfrage statt, um zu prüfen, ob zu übertragende Daten im ersten Schritt S1 identifiziert sind. Wenn dies nicht der Fall ist, endet die Prozedur. Sonst wird eine bitweise Übertragung von jedem Bit im identifizierten Datenblock in einem Schritt S3 ausgeführt. Der Schritt S3 teilt sich in eine Ableitung eines Bitwerts in einem Schritt S31, die Codierung oder Modulation des Bits in einem Schritt S32 gemäß z.B. einem der oben in Bezug auf 9 umrissenen Codierschemen und eine darauffolgende drahtlose Übertragung in einem Schritt S33.
Wie es in 15 gezeigt ist, folgt nach einer Übertragung von jedem Bit eine Abfrage in einem Schritt S4, ob alle Bits eines Datenblocks übertragen worden sind. In dem bestätigenden Fall springt die Prozedur zurück zum Schritt S1, um auf weitere zu übertragende Daten zu prüfen.
Wenn Daten von einer Feldvorrichtung zu einer entfernten Vorrichtung oder einer weiteren entfernten Vorrichtung in dem Herstellungs-Steuersystem übertragen werden, wird in einem Schritt S5 geprüft, ob genügend Energie für eine weitere Datenübertragung verfügbar ist. Wenn dies der Fall ist, springt die Prozedur zurück zum Schritt S3 zur Übertragung des nächsten Datenbits. Sonst wird der Übertragungsprozess in einem Schritt S6 bis zu einer Zufuhr weiterer Energie zur Feldvorrichtung verzögert. Diese Bewertung bzw. Auswertung verfügbarer Energie vor einer Datenübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung lässt zu, irgendeinen Verlust von Daten während einer Datenübertragung zu vermeiden.
16 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Empfangen von Daten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 16 gezeigt ist, wird anfangs ein Datenaustauschaufbau in einem Schritt S7 vor dem Empfang tatsächlicher bzw. aktueller Daten identifiziert. Dann folgt ein Abfrage-Schritt S8, um auszuwerten, ob mehrere Daten empfangen sind oder nicht. Wenn dies nicht der Fall ist, endet die Prozedur. Sonst werden Daten z.B. Bit für Bit in einem Schritt S9 empfangen. Dieser Empfangsschritt S9 teilt sich in einen ersten Schritt S91 für einen Wellenformempfang, einen Schritt S92 zum Decodieren oder Demodulieren der empfangenen Wellenform und einen Schritt S93 zum Ableiten des empfangenen Bitwerts. Nachfolgend zu jedem Datenbit- Empfangsschritt S9 folgt die Speicherung des neuen Datenbits in einem Schritt S10.
Wie es in 16 gezeigt ist, folgt in einem Fall, in welchem die Feldvorrichtung Daten entweder von einer entfernten Vorrichtung oder einem weiteren Sender in dem Herstellungs-Steuersystem empfängt, nach dem jedem Schritt S10 zum Speichern empfangener Daten eine Abfrage in einem Schritt S11 zum Prüfen, ob genügend Energie für einen weiteren Datenempfang in der Feldvorrichtung verfügbar ist. In dem bestätigenden Fall verzweigt die Prozedur zurück zu S8, um zu prüfen, ob mehrere Daten empfangen werden. Sonst wird die Feldvorrichtung eine Energieverknappung zu dem Sender für eine Verzögerung eines Datenempfangs bis zu einer Zufuhr von weiterer Energie zu der Feldvorrichtung in einem Schritt S12 anzeigen.
Während im Obigen Aspekte einer drahtlosen Übertragung in Bezug auf ein Codieren und/oder Decodieren und einer Implementierung einer drahtlosen Übertragung in Feldvorrichtungen in Bezug auf die 3 bis 16 diskutiert worden sind, werden im Folgenden Systemaspekte und die Verwendung der drahtlosen Übertragung innerhalb eines Herstellungs-Steuersystems in Bezug auf die 17 bis 22 diskutiert werden.
17 zeigt ein schematisches Diagramm eines typischen Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer unidirektionalen drahtlosen Datenübertragung. Das Herstellungsfirma-Steuersystem weist eine zentrale Steuerung (nicht gezeigt) auf, die mit einem Systembus 108 gekoppelt ist. An dem Systembus 108 ist wenigstens eine Funktionseinheit 110 gekoppelt, die z.B. Buskoppler oder Mastereinheiten für eine Steuerung von angebrachten Feldvorrichtungen aufweist. Wie es in 17 gezeigt ist, ist die Funktionseinheit 110 mit einer Vielzahl von Feldvorrichtungen 112, 114 und 116 jeweils über Steuerbusse 118, 120 und 122 verbunden.
Wie es auch in 15 gezeigt ist, ist die Feldvorrichtung 112 mit einer Pumpe 124 in einem Fluidpfad verbunden, ist die Feldvorrichtung 114 über einen Aktuator bzw. ein Stellglied 126 mit einem Steuerventil 128 verbunden und ist die Feldvorrichtung 116 mit einem Flussratensensor 130 verbunden. Jede Feldvorrichtung 112, 114, 116 ist mit einem Sender und/oder Empfänger für eine drahtlose Datenkommunikation versehen, so dass eine entfernte Vorrichtung 132 für einen Datenaustausch, d.h. für eine Konfiguration, eine Anzeige von Sensordaten und zu Testzwecken, verwendet werden kann.
Im Betrieb erreicht das in 17 gezeigte Herstellungsfirma-Steuersystem eine Steuerung der Fluidflussrate durch einen Datenaustausch über den Systembus 108 und die Steuerbusse 118, 120 und 122. Dies lässt zu, die Pumpe 124, das Steuerventil 128 zu steuern und die gemessene Flussrate von dem Flussratensensor 130 zurück zu der Systemsteuerung weiterzuleiten.
Weiterhin ist es auch möglich, einen Zugriff auf die unterschiedlichen Feldvorrichtungen 112, 114 und 116 für eine Konfiguration, eine Anzeige von Sensordaten oder zu Testzwecken zu haben. Wie es auch in 17 gezeigt ist, kann eine Feldvorrichtung 114 auch direkt mit einem drahtlosen Sender und/oder Empfänger 134 der Funktionseinheit 110 kommunizieren.
Das Vorsehen von drahtlosen Kommunikationsverbindungen lässt zu, die verfügbare Bandbreite für einen Datenaustausch zu erhöhen, und erleichtert den Zugriff auf Feldvorrichtungen für einen Bediener, der das Herstellungsfirma-Steuersystem laufen lässt bzw. betreibt.
18 zeigt ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines bidirektionalen infraroten Datenaustauschs. Diejenigen Elemente, die identisch oder entsprechend zu denjenigen sind, die zuvor in Bezug auf 17 diskutiert sind, sind unter Verwendung derselben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Erklärung wird weggelassen werden.
Wie es in 18 gezeigt ist, verwendet dieses weitere Herstellungsfirma-Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine bidirektionale drahtlose Kommunikation anstelle einer unidirektionalen drahtlosen Kommunikation. Daher ist es möglich, Steuerbusse wegzulassen und das Steuersystem stromab von der Funktionseinheit 110 unter Verwendung von nur einer drahtlosen Kommunikation aufzubauen. Hierfür muss nur eine DC-Energieversorgung bzw. Gleichstrom-Energieversorgung 136 für jede Feldvorrichtung 112, 114 und 116 vorgesehen sein.
Wie es in 18 gezeigt ist, kann jede Feldvorrichtung 112, 114 und 116 unter Verwendung einer bidirektionalen drahtlosen Kommunikation direkt mit wenigstens einem Sender und/oder Empfänger 134 kommunizieren, der in der Funktionseinheit 110 vorgesehen ist. Ebenso kann ein drahtloser Datenaustausch genauso gut zwischen unterschiedlichen Feldvorrichtungen auftreten, d.h. den Feldvorrichtungen 112 und 114 oder den Feldvorrichtungen 114 und 116. Die Führung der drahtlosen Datenkommunikation über unterschiedliche Feldvorrichtungen ist insbesondere in einem Fall vorteilhaft, in welchem ein Hindernis einen direkten Datenaustausch zwischen der Funktionseinheit 110 und den Feldvorrichtungen 112, 114, 116 blockiert.
19 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Handhaben von Engpässen/Hindernissen für eine drahtlose Datenübertragung bei dem Herstellungsfirma-Steuersystem, das in 18 gezeigt ist.
Wie es in 19 gezeigt ist, wird anfangs ein Abfrageschritt S13 ausgeführt, um zu prüfen, ob mehrere Daten auszutauschen sind. Dann folgt ein Datenübertragungs- und/oder -empfangsschritt S14, dem eine weitere Abfrage in einem Schritt S15 folgt, um zu prüfen, ob der Datenaustausch erfolgreich gewesen ist. In dem bestätigenden Fall springt die Prozedur zurück zum Schritt S13. Sonst findet eine zusätzliche Abfrage in einem Schritt S16 statt, um zu prüfen, ob eine Auszeit aufgetreten ist, d.h. ob mehrere Versuche für eine Datenübertragung und/oder einen Datenempfang nicht zu dem erforderlichen Austausch von Daten führten. Wenn dies der Fall ist, stoppt die Prozedur. Sonst wird ein weiterer Weg für den Datenaustausch in einem Schritt S17 ausgewählt, und die Prozedur springt zurück zum Schritt S14 für eine weitere Datenübertragung und/oder einen weiteren Datenempfang.
20 zeigt ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Feldvorrichtungen mit Sensoren von einem unterschiedlichen Typ.
Wie es in 20 gezeigt ist, können Feldvorrichtungen mit einer Vielzahl von Sensoren verwendet werden, d.h. eine Feldvorrichtung 138 in Bezug auf einen Drucksensor 140 und eine Feldvorrichtung 142 in Bezug auf einen pH-Sensor 144. Ebenso ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, auf diesen weiteren Drucksensor 140 und diesen weiteren pH-Sensor 144 auf eine entfernte Weise über den entfernten Anschluss 132, die Feldvorrichtung 116 und die Funktionseinheit 110 und die weitere Funktionseinheit 146 zuzugreifen. Dies ist besonders in einem Fall vorteilhaft, in welchem der Bediener oder die entfernte Vorrichtung 132 auch Information über einen Druck und/oder einen pH-Wert benötigt, ohne die Möglichkeit für einen direkten Zugriff auf die zugehörigen Feldvorrichtungen 138, 142 zu haben.
21 zeigt ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems unter Verwendung eines indirekten Zugriffs auf Feldvorrichtungen über eine drahtlose Kommunikation.
Wie es in 21 gezeigt ist, hat gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die entfernte Vorrichtung 132 einen Zugriff auf einen Sender und/oder Empfänger 147, der in z.B. dem Master bzw. der Haupteinheit der Funktionseinheit 110 vorgesehen ist. Daten werden mit Feldvorrichtungen 148, 150 ohne Transceiver und/oder Empfänger für eine drahtlose Datenkommunikation über einen Feldbus 152 oder irgendein Netzwerk ausgetauscht, das logisch oder physikalisch mit dem Feldbus gekoppelt ist.
Eine weitere Variation in Bezug auf das in 21 gezeigte Ausführungsbeispiel würde darin bestehen, dass eine Vielzahl von Feldvorrichtungen mit dem Feldbus 152 verbunden ist. Eine der Feldvorrichtungen ist mit einem Transceiver und/oder Empfänger für eine drahtlose Datenkommunikation versehen und lässt daher zu, einen entfernten Zugriff auf alle anderen Feldvorrichtungen zu erreichen, die mit dem Feldbus 152 verbunden sind. Anders ausgedrückt würde die Feldvorrichtung mit dem Sender und/oder Empfänger für eine drahtlose Kommunikation als Zugriffsstelle oder Portal für einen entfernten Zugriff für alle übrigen Feldvorrichtungen verwendet werden, die mit dem Feldbus 152 verbunden sind.
22 zeigt ein schematisches Diagramm eines weiteren Herstellungsfirma-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Fernzugriffsnetzwerk 154, um unterschiedliche Komponenten bzw. Bauteile zu verbinden, die mit einem Sender und/oder Empfänger für eine drahtlose Datenkommunikation versehen sind.
Wie es in 22 gezeigt ist, unterscheidet sich das Herstellungsfirma-Steuersystem unter Verwendung des Fernzugriffsnetzwerks 154 gegenüber den zuvor diskutierten Systemen diesbezüglich, dass das Fernzugriffsnetzwerk als bestimmte Verbindung zwischen unterschiedlichen Vorrichtungen mit einem Sender und/oder Empfänger für eine drahtlose Datenkommunikation vorgesehen ist. Dies ist besonders in einem Fall vorteilhaft, in welchem ein entfernter Zugriff auch dann erforderlich ist, wenn andere Kommunikationskanäle – d.h. der Steuerbus – nicht verfügbar sind, d.h. aufgrund eines Fehlens an Energieversorgung. Typischerweise würde eine Anforderung für einen Datenaustausch die Quellen-ID der entfernten Vorrichtung anzeigen, die die Anforderung initiiert, weiterhin die Ziel-ID der Feldvorrichtung, zu welcher der entfernte Zugriff ausgeführt wird, und Daten, die Operationen spezifizieren, die in Reaktion auf den entfernten Zugriff vorzunehmen sind. Die Anzeige der Quellen-ID kann zum Senden des Ergebnisses der Operation zurück zu dem entfernten Anschluss verwendet werden, von welchem die Anforderung für einen entfernten Zugriff entstand.
Wie es in 22 gezeigt ist, unterstützt wenigstens eine Funktionseinheit 156, die mit dem Fernzugriffsnetzwerk 154 gekoppelt ist, eine Datenbank 158, die die Verfügbarkeit und die Position von unterschiedlichen entfernten Vorrichtungen im Herstellungsfeld registriert. Diese Information kann dann dazu verwendet werden, Nachrichten zwischen den unterschiedlichen entfernten Vorrichtungen oder von einer Systemsteuerung zu einem Bediener, der eine entfernte Vorrichtung trägt, oder umgekehrt verwendet werden.
Während die vorliegende Erfindung im Obigen in Bezug auf schematische Diagramme und Schaltungsdiagramme von bevorzugten Ausführungsbeispielen der erfinderischen Feldvorrichtung beschrieben worden ist, sollte es beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung klar auch unter Verwendung des Verfahrens eines Datenaustauschs gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine digitale Weise unter Verwendung einer Mikrosteuerung implementiert werden kann. In diesem Fall kann die vorliegende Erfindung als ein Computerprogrammprodukt verkörpert sein, das direkt in den internen Speicher der Mikrosteuerung ladbar ist, mit Software-Codeteilen zum Implementieren des erfinderischen Verfahrens.
Weiterhin ist zu verstehen, dass andere Modifikationen Fachleuten auf dem Gebiet offensichtlich sein werden und ohne weiteres durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist nicht beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Ansprüche, die hierzu beigefügt sind, auf die Beschreibung beschränkt ist, wie sie hierin aufgezeigt ist, sondern dass vielmehr die Ansprüche derart ausgelegt werden sollten, dass sie alle Merkmale einer patentierbarer Neuheit umfassen, die bei der vorliegenden Erfindung führen, einschließlich aller Merkmale, die von Fachleuten auf dem Gebiet, zu welchem die vorliegende Erfindung gehört, als Äquivalent davon behandelt werden würden.

Claims

Feldvorrichtung, die folgendes aufweist: – wenigstens einen Aktuator und/oder einen Sensor (40), der zum Ändern und/oder Erfassen einer Steuer- und/oder Prozessvariablen in einem Herstellungsfeld geeignet ist; und – einen Sender und/oder einen Empfänger (42; 52), der zu einer drahtlosen Datenkommunikation geeignet ist; gekennzeichnet durch – eine Steuerung (38; 60), die zum Auswerten der Leistung, die in der Feldvorrichtung für eine drahtlose Datenkommunikation verfügbar ist, vor einer Aktivierung einer drahtlosen Datenkommunikation über den Sender und/oder Empfänger (42; 52) geeignet ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin folgendes aufweist: – eine Schnittstelle (32), die zum Zuführen von Betriebsleistung zu der Feldvorrichtung und zu einem Datenaustausch zwischen der Feldvorrichtung und einem Steuerbus (24, 26), der mit der Feldvorrichtung gekoppelt ist, geeignet ist; – einen Leistungspuffer, der über die Schnittstelle (32) zu der Feldvorrichtung zugeführte Leistung speichert; – wenigstens einen Aktuator und/oder einen Sensor (40), der zum Ändern und/oder Erfassung einer Steuer- und/oder Prozessvariablen in einem Herstellungsfeld geeignet ist; wobei – der Sender und/oder Empfänger (42; 52) zu einer drahtlosen Datenkommunikation zwischen der Feldvorrichtung und einer entfernten Vorrichtung geeignet ist; und – die Steuerung (38; 60) zum Steuern der Feldvorrichtungskomponenten und zum Auswerten der Leistung, die im Leistungspuffer verfügbar ist, vor einer Aktivierung einer drahtlosen Datenkommunikation über den Sender und/oder Empfänger (42; 52) geeignet ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (38; 60) zum Verzögern der Aktivierung des Senders und/oder des Empfängers (42; 52) im Fall einer Leistungsverknappung in der Feldvorrichtung bis zu einer Zufuhr von weiterer Leistung zu der Feldvorrichtung geeignet ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (38; 60) zum Aufteilen eines Eingangsdatenstroms in eine Vielzahl von Datensegmenten für eine darauffolgende drahtlose Datenübertragung geeignet ist.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und/oder Empfänger (42; 52) zum Arbeiten im Funkbereich, im Bereich sichtbaren Lichts oder im Ultraschallfrequenzbereich geeignet ist.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und/oder Empfänger (42; 52) zum Arbeiten im infraroten Frequenzbereich geeignet ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und/oder Empfänger (42) eine Codierereinheit (64) aufweist, die dazu geeignet ist, – einen Eingangsbitstrom mit ersten Eingangsbits (0; 1) mit einer Bitimpulszeitperiode (T) und einer ersten Bitimpulsamplitude und zweiten Eingangsbits (1; 0) mit der Bitimpulszeitperiode (T) und einer zweiten Bitimpulsamplitude zu empfangen; und – jedes Eingangsbit (0; 1) des Eingangsbitstroms so zu codieren, dass jeder erzeugte codierte Impuls eine Impulszeitperiode hat, die kürzer als die Bitimpulszeitperiode ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, – jedes erste Eingangsbit (0; 1) des Eingangsbitstroms in wenigstens einen ersten Treiberimpuls (P1) zur Zufuhr zu dem Sender (66) zu codieren, wobei jeder erste Treiberimpuls (P1) eine erste Treiberimpulszeitperiode (T1), die kürzer als die Bitimpulszeitperiode (T) ist, und eine erste Treiberimpulsamplitude hat; – jedes zweite Eingangsbit (1; 0) des Eingangsbitstroms zu einem zweiten Treiberimpuls zu codieren, wobei der zweite Treiberimpuls eine erste Bitimpulszeitperiode (T) und eine Amplitude von Null hat.
Feldvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (T1/T) zwischen der ersten Treiberimpulszeitperiode (T1) und der Bitimpulszeitperiode (T) 0,01 bis 0,98 ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Treiberimpuls (P1) mit dem ersten Eingangsbit (0; 1) oder mit dem zweiten Eingangsbit (1; 0) synchronisiert ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (T1/T) zwischen der ersten Treiberimpulszeitperiode (T1) und der Bitimpulszeitperiode (T) gemäß einer physikalischen Schicht IrDA 3/16 ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, – jeden Übergang von der ersten Eingangsbitimpulsamplitude (0) zu der zweiten Eingangsbitimpulsamplitude (1) im Eingangsbitstrom in wenigstens einen dritten Treiberimpuls (P3) zur Zufuhr zu dem Sender (66) zu codieren, wobei jeder dritte Treiberimpuls (P3) eine dritte Treiberimpulszeitperiode (T3), die kürzer als die Bitimpulszeitperiode (T) ist, und eine dritte Treiberimpulsamplitude hat; – jeden Übergang von der zweiten Bitimpulsamplitude (1) zu der ersten Bitimpulsamplitude (0) im Eingangsbitstrom zu wenigstens einem vierten Treiberimpuls (P4) zu codieren, wobei jeder vierte Treiberimpuls (P4) die dritte Treiberimpulsamplitude und eine vierte Treiberimpulszeitperiode (T4 = 2 * T3; T4 = T 3/2), die größer oder kleiner als die dritte Treiberimpulszeitperiode (T3) ist und kleiner als die Bitimpulszeitperiode (T) ist, hat.
Feldvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der vierten Treiberimpulszeitperiode und der dritten Treiberimpulszeitperiode im Bereich von 16 bis 1/16 ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, – jedes erste Eingangsbit (0; 1) im Eingangsbitstrom zu wenigstens einem fünften Treiberimpuls (P5) mit einer fünften Treiberimpulszeitperiode (T5) zu codieren, die kürzer als die Bitimpulszeitperiode (T) ist, wobei der Sender (66) in Reaktion auf jeden fünften Treiberimpuls (P5) eine Wellenform mit einer ersten Frequenz (f1) sendet; – jedes zweite Eingangsbit (1; 0) im Eingangsbitstrom zu wenigstens einem sechsten Treiberimpuls (P6) mit einer sechsten Treiberimpulszeitperiode (T6) zu codieren, die kürzer als die Bitimpulszeitperiode (T) ist, wobei der Sender (66) in Reaktion auf den sechsten Treiberimpuls eine Wellenform mit einer zweiten Frequenz (f2) sendet.
Feldvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der ersten Frequenz (f1) und der zweiten Frequenz (f2) im Bereich von 1/16 bis 16 ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, – jeden Übergang von der ersten Bitimpulsamplitude (0) zu der zweiten Bitimpulsamplitude (1) im Eingangsbitstrom zu wenigstens einem siebten Treiberimpuls (P7) mit einer siebten Treiberimpulszeitperiode (T7) zu codieren, die kürzer als die Bitimpulszeitperiode (T) ist, wobei in der Sender (66) Reaktion auf jeden siebten Treiberimpuls (P7) eine Wellenform mit einer dritten Frequenz (f3) sendet; – jeden Übergang von der zweiten Bitimpulsamplitude (1) zu der ersten Bitimpulsamplitude (0) im Eingangsbitstrom zu einem achten Treiberimpuls (P8) mit einer achten Treiberimpulszeitperiode (T8) zu codieren, die kürzer als die Bitimpulszeitperiode (T) ist, wobei der Sender (66) in Reaktion auf den achten Treiberimpuls eine Wellenform mit einer vierten Frequenz (f4) sendet.
Feldvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der dritten Frequenz (f3) und der vierten Frequenz (f4) im Bereich von 1/16 ist 16 ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, – jedes erste Eingangsbit (0; 1) des Eingangsbitstroms in wenigstens einen neunten Treiberimpuls zur Zufuhr zum Sender (66) zu codieren, wobei der Sender (66) in Reaktion auf den neunten Treiberimpuls eine erste lichtemittierende Diode bei einer ersten Infrarotfrequenz aktiviert; – jedes zweite Eingangsbit (1; 0) des Eingangsbitstroms in wenigstens einen zehnten Treiberimpuls zur Zufuhr zum Sender (66) zu codieren, wobei der Sender (66) in Reaktion auf den zehnten Treiberimpuls eine zweite lichtemittierende Diode bei einer zweiten Infrarotfrequenz aktiviert.
Feldvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, – jeden Übergang von der ersten Bitimpulsamplitude (0) zu der zweiten Bitimpulsamplitude (1) im Eingangsbitstrom zu wenigstens einem elften Treiberimpuls zu codieren, wobei der Sender (66) in Reaktion auf jeden elften Treiberimpuls eine dritte lichtemittierende Diode bei einer dritten Infrarotfrequenz aktiviert; – jeden Übergang von der zweiten Bitimpulsamplitude (1) zu der ersten Bitimpulsamplitude (9) im Eingangsbitstrom zu einem zwölften Treiberimpuls zu codieren, wobei der Sender (66) in Reaktion auf den zwölften Treiberimpuls eine vierte lichtemittierende Diode bei einer vierten Infrarotfrequenz aktiviert.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, eine Frameeinstellungsprozedur auszuführen, wenn Daten gemäß einem vorbestimmten Frameformat (UART) übertragen bzw. transferiert werden.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) dazu geeignet ist, eine variable Codeauswahl auszuführen.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierereinheit (64) jede Treiberimpulsamplitude in Übereinstimmung mit einem erforderlichen Datenaustauschabstand bestimmt.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und/oder Empfänger (42) eine Decodierereinheit (120) aufweist, die dazu geeignet ist, in Reaktion auf Ausgangsimpulse eines Infrarot-Empfängers (68) einen Ausgangsbitstrom mit ersten Ausgangsbits (0; 1) mit der Bitimpulszeitperiode (T) und der ersten Bitimpulsamplitude und zweiten Ausgangsbits (1; 0) mit der Bitimpulszeitperiode (T) und der zweiten Bitimpulsamplitude abzuleiten.
Feldvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierereinheit (70) dazu geeignet ist, – jeden Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls mit einem Zentrum der Bitimpulszeitperiode (T) zu synchronisieren; – das erste Ausgangsbit (0; 1) bei einem Auftreten von jedem Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls (P1) zu decodieren; und – das zweite Ausgangsbit (1; 0) in der Abwesenheit eines Infrarotempfänger-Ausgangsimpulses zu decodieren.
Feldvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierereinheit (70) dazu geeignet ist, – jeden Infarotempfänger-Ausgangsimpuls zu Beginn der Bitimpulszeitperiode (T) zu synchronisieren; – einen Übergang von der ersten Bitimpulsamplitude (0) zu der zweiten Bitimpulsamplitude (1) bei einem Auftreten jedes ersten Infrarotempfänger-Ausgangsimpulses (P3) mit einer ersten Infrarotempfänger-Ausgangsimpulszeitperiode (T3) zu decodieren; und – einen Übergang von der zweiten Bitimpulsamplitude (1) zu der ersten Bitimpulsamplitude (0) bei einem Auftreten von jedem ersten Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls (P4) mit einer zweiten Infrarotempfänger-Ausgangsimpulszeitperiode (T4) zu decodieren.
Feldvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierereinheit (70) dazu geeignet ist, – jeden Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls mit einem Zentrum der Bitimpulszeitperiode (T) zu synchronisieren; – das erste Ausgangsbit (0; 1) bei einem Auftreten von jedem Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls (P5), der durch den Infrarotempfänger (68) in Reaktion auf eine erste Übertragungsfrequenz (f1) ausgegeben wird, zu decodieren, und – das zweite Ausgangsbit (1; 0) bei einem Auftreten von jedem Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls (P6), der durch den Infrotempfänger (68) in Reaktion auf eine zweite Übertragungsfrequenz bzw. Sendefrequenz (f2) ausgegeben wird, zu decodieren.
Feldvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierereinheit (70) dazu geeignet ist, – jeden Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls zu Beginn der Bitimpulszeitperiode (T) zu synchronisieren; – einen Übergang von der ersten Bitimpulsamplitude (0) zu der zweiten Bitimpulsamplitude (1) bei einem Auftreten von jedem Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls (P7) zu decodieren, der durch den Infrarotempfänger (68) in Reaktion auf ein empfangenes Übertragungssignal mit einer dritten Übertragungsfrequenz (f3) ausgegeben wird; und – einen Übergang von der zweiten Bitimpulsamplitude (1) zu der ersten Bitimpulsamplitude (0) bei einem Auftreten von jedem Infrarotempfänger-Ausgangsimpuls (P8) zu decodieren, der durch den Infrarotempfänger (68) in Reaktion auf ein Übertragungssignal mit einer vierten Übertragungsfrequenz (f4) ausgegeben wird.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsender (66) folgendes aufweist: – eine lichtemittierende Einheit (90), die an eine Leistungsversorgungsleitung (80) und an eine Erdung (82) angeschlossen ist und die Infrarot-Wellenformen gemäß durch die Codierereinheit (64) ausgegebenen Treiberimpulsen aussendet; und – einen Leistungspuffer (94), der über die lichtemittierende Einheit (90) zur Zufuhr von Leistung dorthin gekoppelt ist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Widerstand (86) und ein zweiter Widerstand (88) zwischen der Leistungsversorgungsleitung (80) und der lichtemittierenden Einheit (90) in Reihe geschaltet sind, und dass der Leistungspuffer (94) an den Knoten zwischen dem ersten Widerstand (82) und dem zweiten Widerstand (84) angeschlossen ist, wobei der erste Widerstand dazu geeignet ist, den Ladestrom des Leistungspuffers (94) zu begrenzen.
Feldvorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand (88) variabel ist, um die Einstrahlung der lichtemittierenden Einheit (94) gemäß einem vorbestimmten Datenaustauschabstand zu ändern.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Spannungsmonitor (96) aufweist, um die im Leistungspuffer (94) gespeicherte Leistung auszuwerten.
Feldvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und/oder Empfänger eine Datenanzeigeeinheit (44, 54) aufweist.
Feldvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entfernte Vorrichtung ein Herstellungsfirmen-Steuersystem ist, das folgendes aufweist: – wenigstens eine funktionale Einheit (110), die über einen Systembus (108) mit einer zentralen Steuerung gekoppelt ist; und – wenigstens einen Steuerbus (118, 120, 122), der die Feldvorrichtung (112, 114, 116) mit der funktionalen Einheit (110) koppelt.
Feldvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und/oder Empfänger (42; 52) für einen drahtlosen entfernten Zugriff auf Feldvorrichtungen geeignet ist, die mit dem wenigstens einen Steuerbus (118, 120, 122) gekoppelt sind.
Verfahren zum Austauschen von Daten in einem Herstellungsfeld mit einer Datensende- oder Datenempfangs-Feldvorrichtung unter Verwendung einer drahtlosen Datenkommunikation, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: – bei der Feldvorrichtung Auswerten der Leistung, die für eine drahtlose Datenkommunikation verfügbar ist, vor einer Aktivierung einer drahtlosen Datenkommunikation über einen Sender und/oder Empfänger der Feldvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangsdatenstrom in Datensegmente für eine darauffolgende drahtlose Datenübertragung segmentiert (S1, S2) wird.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Auswerteschritt eine Leistungsverknappung in der Feldvorrichtung anzeigt, die Übertragung von jedem Datensegment bis zu einer Zufuhr von weiterer Leistung zur Feldvorrichtung verzögert (S6) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Auswerteschritt eine Leistungsverknappung in der Feldvorrichtung während eines Datenempfangs anzeigt, eine zugehörige Nachricht zu dem Sender übertragen (S12) wird, um eine drahtlose Datenübertragung bis zu einer Zufuhr von weiterer Leistung zur Feldvorrichtung zu unterbrechen.
Computerprogrammprodukt, das direkt in dem internen Speicher einer Infrarotsender- und/oder -empfängersteuerung der Feldvorrichtung ladbar ist, wobei das Produkt Software-Codeteile aufweist, die dazu geeignet sind, zu veranlassen, dass die Feldvorrichtung Schritte gemäß einem der Verfahrensansprüche 35 bis 38 durchführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Infrarotsender- und/oder -empfängersteuerung der Feldvorrichtung laufen gelassen wird.