DE60220753T2

DE60220753T2 - Programmierbare Steuerung mit drahtloser Radiofrequenz-Schnittstelle

Info

Publication number: DE60220753T2
Application number: DE60220753T
Authority: DE
Inventors: Harold Jay Johnson City Licht
Original assignee: Siemens Energy and Automation Inc
Current assignee: Siemens Industry Inc
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: CN100367138C; EP1291745A3; EP1764665B1; EP1291745A2; US6993298B2; CN1407418A; ES2286196T3; EP1291745B1; ATE365343T1; EP1764665A1; US20030050093A1; DE60220753D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kommunikationsmodule für programmierbare Steuerungen, die dazu verwendet werden, industrielle Fertigungsanwendungen zu steuern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Schnittstellenmodul, das Radiofrequenz-Identifikations-Technologie (RFID-Technologie) verwendet, um drahtlose Kommunikation zwischen der programmierbaren Steuerung und anderen Geräten sowohl innerhalb als auch außerhalb der Steuerung zu erleichtern.
Hintergrund der Erfindung
Im Gebiet der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) wird die Kommunikation zwischen einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS und anderen Geräten, wie etwa externen Geräten, typischerweise über elektromechanische Mittel erreicht durch eine Backplane oder einen festen Anschluss an der SPS. Beispielsweise wurden SPS traditionell durch Übertragung von Informationen über ein Kabel programmiert, das an einen Programm-Port am Gehäuse der SPS angeschlossen ist. Derartige Anschlüsse können lästig, unzuverlässig und relativ kostspielig sein.
Beim bisherigen Stand der Technik wurden in manchen Fällen Modems verwendet, um SPS von entfernten Orten aus zu steuern, zu überwachen und zu testen/auszutesten. Die Modemgeräte werden auch typischerweise mit einer SPS über die Backplane oder einen festen Anschluss an der SPS verbunden.
Radiofrequenz-Identifikations-Technologie (RFID-Technologie) wurde in verschiedenen Gebieten als Mittel zur Identifikation von Artikeln verwendet. RFID-Technologie wurde dazu verwendet, Pakete, Gepäck und andere Materialien zu identifizieren. Ein RFID-System besteht generell aus einer Antenne, einem Sender/Empfänger und einem Transponder (genannt ein RF-Chipset oder Tag), der elektronisch mit eindeutigen Identifizierungsinformationen programmiert ist. Die Antenne gibt Radiosignale (Funksignale) ab, die den RFID-Tag aktivieren und Daten auf den RFID-Tag schreiben und von ihm lesen. Beispielsweise kann eine Antenne, die auf einer Mautstation montiert ist, verschiedene Aspekte des Verkehrs überwachen, indem sie Radiofrequenz-Signale an ein Radiofrequenz-Tag sendet, das innerhalb jedes vorbeifahrenden Fahrzeugs montiert ist.
RFID-Tags sind in vielen verschiedenen Größen/Formen verfügbar und werden generell als entweder passiv oder aktiv gekennzeichnet. Aktive Tags werden intern mit Energie versorgt und sind typischerweise lesbar und beschreibbar. Aktive Tags haben relativ große Speicherkapazität. Passive Tags funktionieren ohne eine interne Energiequelle. Passive Tags erhalten Antriebsenergie, die vom Leser generiert wird. Passive Tags können typischerweise nur gelesen werden. RFID-Systeme gewährleisten drahtlose Kommunikation durch viele Materialien. RFID-Tags können auch bei großen Geschwindigkeiten gelesen werden.
In einem Beispiel ist RFID-Technologie durch ein integriertes Chipset mit einem PROM zur Programmierung eines Identifikations-Codes (ID-Codes) implementiert. Das RFID-Chipset wird auf einem Artikel angebracht und der ID-Code kann auf den RFID-Chip übertragen und dort gespeichert werden. Der ID-Code wird dann durch einen Sender/Empfänger abgefragt. Der RFID-Chip ist passiv und benötigt die Energie des übertragenden Signals, um die RFID-Spule zu erregen und ein Signal zurückzugeben, das den ID-Code enthält, oder ein Signal zurückzugeben, das den ID-Code bestätigt.
Die Verwendung von RFID-Technologie wurde bisher im Wesentlichen auf Identifikationsanwendungen begrenzt und wurde nicht implementiert als Mittel für das Übertragen von Daten in Maschinen wie etwa SPS. Es wäre auch vorteilhaft, die drahtlose RFID-Schnittstelle als einen festen Bestandteil der SPS zu haben, was die Notwendigkeit für Kommunikation über die Backplane und Kabel vermeidet.
US2001/003163 A1 beschreibt ein Automatisierungssystem, bei dem Daten von mindestens einem Sensor über ein Funkübertragungsgerät an einen Funkempfänger, der mit einem Steuerungsgerät verknüpft ist, übertragen werden. EP-A-0 926 426 beschreibt ein Schmierstoffsystem, in dem verschiedene Schmierstoff-Spender drahtlos mit einer zentralen Station kommunizieren können, die zum Überwachen der Spender verwendet wird. Nur konventionelle Funkkommunikation wird jedoch in diesen früheren Dokumenten ins Auge gefasst.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bereit, die ein Gehäuse beinhaltet, das mindestens eine Leiterplatte mit Schaltungen zum Ausführen von Steuerungsfunktionen enthält. Die Steuerung umfasst einen Radiofrequenz-Identifikations-Transponder (RFID-Transponder) und eine damit verknüpfte Spule zum Implementieren von drahtloser Kommunikation sowohl innerhalb der Steuerung als auch zwischen der Steuerung und entfernt befindlichen Modulen. Zwei oder mehr Leiterplatten innerhalb des Steuerungsgehäuses umfassen jeweils einen besagten RFID-Transponder und eine besagte Spule; und jeder dieser besagten RFID-Transponder ist mit der Schaltung der Leiterplatte gekoppelt, auf der er montiert ist.
In bestimmten Ausführungsformen ist die RFID-Spule des RFID-Transponders in die Leiterplatte geätzt, auf die sie montiert ist.
In bestimmten Ausführungsformen wird ein Bauelement zur Verfügung gestellt zum Montieren des RFID-Transponders an der Leiterplatte. Das Bauelement kann aus der Gruppe ausgewählt werden bestehend aus: einem standardmäßigen aufgelöteten Bauelement, einem durchkontaktierten Bauelement und einem Chip-on-Board-Bauelement.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Schaltung einer der Leiterplatten eine integrierte Schaltung und bildet der verknüpfte RFID-Transponder einen Teil des Schaltbilds der integrierten Schaltung.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Steuerung einen Prozessor, der Radiofrequenzsignale empfängt, die Programmieranweisungen zur Ausführung durch den Prozessor enthalten.
In bestimmten Ausführungsformen ist der RFID-Transponder abgeschirmt, um zu verhindern, dass Radiofrequenz-Kommunikation mit dem RFID-Transponder den Betrieb der Steuerung stört.
In bestimmten Ausführungsformen arbeitet der RFID-Transponder in einem Frequenzbereich außerhalb der Frequenzen, bei denen die Steuerung arbeitet, um zu verhindern, dass Radiofrequenz-Kommunikation mit dem RFID-Transponder den Betrieb der Steuerung stört.
In bestimmten Ausführungsformen überträgt die drahtlose Kommunikation Signale, die drahtlose Testanweisungen darstellen. Die drahtlose Kommunikation kann im Verlauf des Herstellungsprozesses der Steuerung Testsignale übertragen.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die speicherprogrammierbare Steuerung SPS ferner eine Netzwerkschnittstelle, um die speicherprogrammierbare Steuerung SPS mit einem Netzwerk zu verbinden. Die Netzwerkschnittstelle kann Informationen übertragen, die von einem der RFID-Transponder über das Netzwerk empfangen wurden.
In bestimmten Ausführungsformen stellt die Netzwerkschnittstelle eine Verbindung zum Internet her.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit zur Bereitstellung drahtloser Kommunikation mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS, wobei die speicherprogrammierbare Steuerung SPS ein Gehäuse umfasst, das mindestens eine Leiterplatte mit Schaltungen für das Ausführen von Steuerungsfunktionen enthält. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Radiofrequenz-Identifikations-Transponders (RFID-Transponders) und einer damit verknüpften Spule auf jeder von zwei oder mehr Leiterplatten innerhalb des Gehäuses, angepasst an die Implementierung von drahtloser Kommunikation sowohl innerhalb der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS als auch zwischen der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS und entfernt befindlichen Modulen, wobei zwei oder mehr Leiterplatten innerhalb des Gehäuses jeweils einen RFID-Transponder und eine damit verknüpfte Spule enthalten und wobei jeder der RFID-Transponder mit der Schaltung der Leiterplatte gekoppelt ist, auf der er montiert ist.
Die drahtlose Kommunikation kann Programmieranweisungen für die Steuerung übertragen; alternativ dazu kann die drahtlose Kommunikation Fehlerbenachrichtigungssignale übertragen, die anzeigen, wenn es ein Problem in der Steuerung gibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die allgemeine Konstruktion einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS, die die drahtlose Kommunikationsschnittstelle gemäß der Erfindung enthalten kann.
2 zeigt eine Leiterplatte einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS, die eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle gemäß der Erfindung beinhaltet.
3 zeigt die Leiterplatte aus 2 in verschiedenen Nutzungsarten, bei denen die drahtlose Kommunikationsfunktion, die durch die Erfindung realisiert ist, verwendet wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt die speicherprogrammierbare Steuerung SPS der Erfindung einschließlich der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle. Die speicherprogrammierbare Steuerung SPS umfasst ein Gehäuse 2, das ein Eingabemodul 4, eine Zentraleinheit 7 und ein Ausgabemodul 9 enthält. Die speicherprogrammierbare Steuerung SPS enthält eine oder mehrere Leiterplatten 11 (siehe 2).
Ferner kann eine Netzwerkschnittstelle 12 bereitgestellt werden, um die speicherprogrammierbare Steuerung SPS mit einem Netzwerk zu verbinden, beispielsweise einem Online-Netzwerk wie etwa einem Local Area Network oder dem Internet. Informationen, die empfangen oder auf dem Chip gespeichert wurden, können daher über das Netzwerk übertragen werden. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Netzwerkkommunikation, insbesondere TCP/IP, wird leicht verstehen, wie derartige Kommunikation implementiert werden muss.
Wie in 2 gezeigt, muss die drahtlose Schnittstelle 15 auf eine Leiterplatte 11 montiert werden, die im Gehäuse 2 der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS enthalten ist. Die drahtlose Schnittstelle verwendet ein Standard-RFID-Chipset, wie etwa Texas Instruments Tag it^®. In einer bevorzugten Ausführungsform, ist das RFID-Chipset ein passiver Empfänger/Sender. Gemäß der Erfindung ist das RFID-Chipset 15 auf eine integrierte Schaltung auf der Leiterplatte 11 der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS montiert. Dies ermöglicht es separaten integrierten Schaltungen, über eine drahtlose Verbindung zu kommunizieren. Das RFID-Chipset 15 kann den Kontakt zu den aktiven Elementen der integrierten Schaltung über ein standardmäßiges aufgelötetes Bauelement, ein durchkontaktiertes Bauelement oder ein Chip-on-Board-Bauelement herstellen. Das RFID-Chipset 15 kann auch ein Teil des Schaltbilds der integrierten Schaltung sein.
Darüber hinaus können integierte Schaltungen, die mit der drahtlosen Schnittstelle auf einer Leiterplatte ausgestattet sind, die Kommunikation zwischen der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS und anderen Geräten erleichtern, etwa einer beliebigen Komponente eines Computers. Daher kann die Leiterplatte drahtlos mit Hilfe von Radiofrequenz mit anderen Leiterplatten kommunizieren, die ähnlich mit dem RFID-Chipset ausgestattet sind, ohne Kommunikation über Steckverbinder 19 zu erfordern.
Wie in 3 gezeigt, kann eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS bei einem derart modifizierten Gerät und ausgestattet mit dem RFID-Chipset drahtlos mit entfernt befindlichen Modulen kommunizieren, etwa einem Karten- und Steckgehäusesystem 22, einem Programmiergerät wie etwa einem tragbaren Programmiergerät 27 oder einem Computer 31. Das Konzept kann auf Prozessautomatisierung im Allgemeinen erweitert werden und kann weiter auf andere industrielle Anwendungen anwendbar sein. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die Erfindung auf Diagnose im Automobilbereich anwendbar sein soll. In diesem Fall kann die Erfindung die Kommunikation mit verschiedenen Bereichen eines Automobils oder zwischen verschiedenen Geräten in einem Autmobil ermöglichen.
Wie in 3 auch gezeigt wird, kann die Erfindung dazu verwendet werden, während des Herstellungsprozesses von einem Bedienplatz 35 aus drahtloses Testen auszuführen oder während des Betriebs Fehlercode-Nachrichten drahtlos an einen entfernten Computer 31 zu übertragen. Dies ermöglicht eine rasche Fehlersuche. In einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS mit zahlreichen Modulen ist der Techniker in der Lage, das problematische Modul rasch ausfindig zu machen, insbesondere in einem großen System, wo eine große Anzahl an Modulen die Fehlersuche erschweren kann.
Traditionell wird eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS (wie etwa die S7-200 oder S7-300, Siemens Energy & Automation, Johnson City, TN) mit Hilfe eines Kabels programmiert. Die Abhängigkeit von Kabeln wird beseitigt, so dass ein Programmierer im Außendienst sich keine Sorgen um Hardware-Kompatibilitätsfragen machen muss. Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS können über die drahtlose Schnittstelle der Erfindung programmiert werden.
Jegliche Möglichkeit einer Störung des Betriebs der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS, verursacht durch die Tatsache, dass die Kommunikation durch das RFID-Chipset 15 über Radiofrequenz stattfindet, kann durch geeignete Abschirmung verringert werden. Eine andere Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, ist es, das RFID-Chipset auf einen Frequenzbereich außerhalb der normalen Betriebsfrequenzen von speicherprogrammierbaren Steuerungen SPS zu begrenzen. Ein anderer Ansatz schränkt die Nähe der RFIDs 15 zueinander auf den Modulen ein.
Die Verwendung der drahtlosen Schnittstelle kann auch Probleme in der Einhaltung der FCC- und CE- (EU-) Richtlinien mit sich bringen. Dieses Problem kann bewältigt werden durch Begrenzen der Reichweite der Schnittstelle. Ein Begrenzen der Reichweite kann erreicht werden durch das Verwenden einer Abschirmung oder das Verringern der Ausgangsleistung.
Darüber hinaus kann die Erfindung mit einem Micro-Chip oder einer Schaltung verbunden werden. Das RFID-Chipset 15 kann in die Leiterplatte geätzt anstatt wie in der aktuellen Situation aufgeklebt werden. Das RFID-Chipset 15 ist relativ kostengünstig und kann Verbindungsfehler verringern, die häufig bei steckerartigen Anschlüssen in der Backplane der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS auftreten. Die RFID sollte eine zuverlässigere Verbindung bereitstellen.
Fachleute auf diesem Gebiet der Technik werden bemerken, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind angesichts der obigen Beschreibungen und Ausführungsformen. Daher sollte die Erfindung nicht ausgelegt werden als auf irgendeine der obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern sollte stattdessen innerhalb des Umfangs der angehängten Patentansprüche gesehen werden.

Claims

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die ein Gehäuse (2) umfasst, welches mindestens eine Leiterplatte (11) mit einer Schaltung zum Ausführen von Steuerungsfunktionen enthält, wobei die Steuerung durch einen Radiofrequenz-Identifikations-Transponder (RFID-Transponder) (15) und eine damit verknüpfte Spule gekennzeichnet ist, um drahtlose Kommunikation sowohl innerhalb der Steuerung als auch zwischen der Steuerung und entfernt befindlichen Modulen zu implementieren, wobei zwei oder mehr Leiterplatten innerhalb des Steuerungsgehäuses jeweils einen besagten RFID-Transponder (15) und eine besagte Spule enthalten und wobei jeder RFID-Transponder (15) mit der Schaltung der Leiterplatte, auf der er montiert ist, gekoppelt ist.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß Anspruch 1, wobei die RFID-Spule eines RFID-Transponders in die Leiterplatte, auf die er montiert ist, geätzt ist.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, die ferner ein Bauelement für die Befestigung des RFID-Transponders an der Leiterplatte umfasst.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß Anspruch 3, bei der das Bauelement aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Standardmäßiges aufgelötetes Bauelement; durchkontaktiertes Bauelement und Chip-on-Board-Bauelement
Speicherprogrammierbare Steuerung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltung einer der Leiterplatten eine integrierte Schaltung umfasst und der zugehörige RFID-Transponder einen Teil des Schaltbilds der integrierten Schaltung bildet.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß einem der Ansprüche 1–5, wobei die Steuerung einen Prozessor umfasst, der Radiofrequenzsignale empfängt, welche Programmieranweisungen für die Ausführung durch den Prozessor enthalten.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß einem der Ansprüche 1–6, wobei der RFID-Transponder abgeschirmt ist, um zu verhindern, dass Radiofrequenzkommunikation mit dem RFID-Transponder den Betrieb der Steuerung stört.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei der RFID-Transponder in einem Frequenzbereich außerhalb der Frequenzen arbeitet, mit denen die Steuerung arbeitet, um zu verhindern, dass Radiofrequenzkommunikation mit dem RFID-Transponder den Betrieb der Steuerung stört.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß einem der Ansprüche 1–8, wobei die drahtlose Kommunikation Signale überträgt, die drahtlose Testanweisungen darstellen.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drahtlose Kommunikation im Verlauf des Herstellungsprozesses der Steuerung Testsignale überträgt.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß einem der Ansprüche 1–10, die ferner eine Netzwerkschnittstelle umfasst, um die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) mit einem Netzwerk zu verbinden.
Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß Anspruch 11, wobei die Netzwerkschnittstelle Informationen überträgt, die von einem der besagten RFID-Transponder über das besagte Netzwerk empfangen wurden.
Speicherprogrammierbare Steuerung gemäß Anspruch 12, wobei die besagte Netzwerkschnittstelle eine Verbindung zum Internet bildet.
Verfahren zum Bereitstellen von drahtloser Kommunikation mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), wobei die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ein Gehäuse (2) umfasst, das mindestens eine Leiterplatte (11) enthält, welche Schaltungen umfasst, die dazu angepasst sind, Steuerungsfunktionen auszuführen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes umfasst: auf jeder der zwei oder mehr Leiterplatten innerhalb des Gehäuses Bereitstellen eines Radiofrequenz-Identifikations-Transponders (RFID-Transponders) (15) und einer Spule, die damit verknüpft ist, angepasst, um drahtlose Kommunikation sowohl innerhalb der speicherprogrammierbaren Steuerung als auch zwischen der speicherprogrammierbaren Steuerung und entfernt befindlichen Modulen zu implementieren, wobei zwei oder mehr Leiterplatten innerhalb des Steuerungsgehäuses jeweils einen besagten RFID-Transponder und eine besagte Spule enthalten, und wobei jeder besagte RFID-Transponder mit der Schaltung der Leiterplatte gekoppelt ist, auf der er befestigt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die drahtlose Kommunikation Programmieranweisungen für die Steuerung überträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die drahtlose Kommunikation Fehlerbenachrichtigungssignale überträgt, die anzeigen, wenn es ein Problem in der Steuerung gibt.