WO2009068198A2 - Vorrichtung und verfahren zur drahtlosen vernetzung von geräten der automatisierungstechnik - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik weist einen Signalpfad (52) zum Übertragen eines hochfrequenten Sendesignals auf, das eine Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen besitzt. Die Vorrichtung besitzt eine erste und eine zweite Antenne (30, 32) und einen Antennenumschalter (54), der den Signalpfad (52) wahlweise mit der ersten oder mit der zweiten Antenne (30, 32) verbindet. Eine Steuerschaltung (59) ist dazu ausgebildet, ein niederfrequentes Umschaltsignal für den Antennenschalter (44) aus den aufeinander folgenden Signalpaketen zu erzeugen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Vernetzung von abgesetzten Sensoren, Aktoren und einer zentralen Steuereinheit.

Bei der industriellen Herstellung von Produkten gibt es seit vielen Jahren das Bestreben, die Prozessabläufe mehr und mehr zu automatisieren. Dies führt zu einer zunehmenden Vernetzung von Geräten und Komponenten, die an den Produktionsprozessen beteiligt sind. Typischerweise sind dies Sensoren zum Detektieren von Anlagen- oder Prozesszuständen, Aktoren, die eine Veränderung der Anlagen- oder Prozesszustände bewirken, und Steuereinheiten zum Erzeugen von Steuersignalen, mit denen die Aktoren in Abhängigkeit von den Sensorsignalen angesteuert werden. Bei kleinen Anlagen können die Sensoren und Aktoren direkt an die Steuereinheit angeschlossen sein. Bei größeren und weitläufigen Anlagen, die eine große Anzahl von Sensoren und Aktoren benötigen, werden schon seit vielen Jahren Kommunikationsnetzwerke verwendet, um die Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten miteinander zu vernetzen. Ein typisches Beispiel für solche Kommunikationsnetzwerke sind die so genannten Feldbusse. Dies sind Kommunikationsnetzwerke, die an die speziel- len Anforderungen für solche Anwendungen angepasst sind, insbesondere im Hinblick auf die rauen Umgebungsbedingungen und den typischen Kommunikationsbedarf zwischen Steuereinheiten und abgesetzten Sensoren und Aktoren. Bekannte Feldbusse sind der so genannte Profibus, der so genannte Interbus und der so genannte CAN-Bus. Typischerweise verwenden diese Feldbusse elektrische und/oder optische Leitungen zur Vernetzung der angeschlossenen Geräte.

Es gibt darüber hinaus seit einigen Jahren Bestrebungen, die Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik auf Basis des bekannten Ethernet-Standards zu realisieren, der sich bei der Vernetzung von Personal Computern in Heim- und Büroanwendungen durchgesetzt hat. In diesem Zusammenhang gibt es auch Bestrebungen, die Verbindung zwischen den Geräten drahtlos zu realisieren, was bei Heim- und Büronetzwerken mit Hilfe von WLAN schon häufig der Fall ist. Beispielsweise bietet die Firma Phoenix Contact GmbH & Co. KG in ihrer Produktlinie Factory Line WLAN- Kommunikationsgeräte zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik an. Die Technologie von Heim- und Büronetzwerken ist allerdings nicht ohne weiteres auf Anwendungen in industriellen Produktionsumgebungen übertragbar, weil der Kommunikationsbedarf und die Umgebungsbedingungen unterschiedlich sind. In Werkshallen gibt es typischerweise eine große Anzahl metallischer Gegenstände und bewegter Objekte, die die Ausbreitung von Funkwellen stark beeinflussen können. Andererseits muss die Kommunikation zwischen den Steuereinheiten und den Sensoren und Aktoren häufig in sehr engen, zyklisch wiederkehrenden Zeitintervallen erfolgen, um einen kontinuierlichen und störungsfreien Produktionsprozess zu ermöglichen. Hinzu kommen erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Kommunikationsverbindung, wenn sicherheitsrelevante Daten übertragen werden sollen, von denen die Betriebssicherheit einer automatisierten Anlage abhängt. Beispielsweise führen viele Produktionsanlagen gefährliche Bewegungen aus, die sofort gestoppt werden müssen, wenn sich eine Bedienperson der Anlage nähert. In so einem Fall muss das Signal einer Lichtschranke, die die Person detektiert, schnell an die zentrale Steuereinheit übertragen werden, und der Abschaltbefehl muss den richtigen Antrieb der Anlage innerhalb einer definierten und garantierten Zeitspanne erreichen. Dabei kommt es im Gegensatz zu Heim- und Büronetzwerken oft auf Bruchteile von Sekunden an.

Angesichts der schwierigen Übertragungsbedingungen in Werkshallen besitzen die bekannten Geräte von Phoenix zwei Stabantennen, die an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlicher Ausrichtung (horizontal und vertikal) angeordnet sind. Es wird jeweils diejenige Antenne verwendet, die bessere Empfangsbedingungen vorfindet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die auf kostengünstige Weise eine zuverlässige und stabile Kommunikation der vernetzten Geräte unter den schwierigen Umgebungsbedingungen einer Werkhalle ermöglichen.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, mit einem Signalpfad zum Übertragen eines hochfrequenten Signals, das eine Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen besitzt, mit einer ersten und einer zweiten Antenne, mit einem Antennenumschalter, der den Signalpfad wahlweise mit der ersten oder mit der zweiten Antenne verbindet, und mit einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein niederfrequentes Umschaltsignal für den Antennenschalter aus den aufeinander folgenden Signalpaketen zu erzeugen.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, mit den Schritten:

- Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Antenne,

Bereitstellen eines Antennenumschalters, der mit der ersten und der zweiten Antenne verbunden ist, Erzeugen eines hochfrequenten Signals, das eine Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen besitzt,

Erzeugen eines niederfrequenten Umschaltsignals aus den aufeinander folgenden Signalpaketen, und

Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Antenne, indem der Antennenumschalter mit dem niederfrequenten Umschaltsignal periodisch angesteuert wird.

Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren verwenden zumindest zwei Antennen, um die Signale drahtlos zu übertragen. Die zumindest zwei Antennen kooperieren jedoch nicht miteinander im Sinne einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne. Vielmehr werden die beiden Antennen alternativ zueinander oder zumindest in Ergänzung zueinander verwendet, um entweder ein Sendesignal auszusenden oder ein Empfangssignal zu empfangen. Vorzugsweise ist jeweils nur eine der zumindest zwei Antennen im Betrieb, wobei mit Hilfe des Antennenumschalters zwischen den beiden Antennen umgeschaltet wird. Prinzipiell ist es denkbar, dass jedes vernetzte Gerät zumindest zwei solche Antennen aufweist. In derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen ist allerdings vorgesehen, dass nur die Steuereinheiten zwei solche Antennen besitzen und über jede dieser Antennen senden und empfangen. Für die abgesetzten Sensoren und Aktoren ist derzeit jeweils nur eine Antenne vorgesehen, die als Sende- und Empfangsantenne fungiert.

Bei der neuen Vorrichtung und dem neuen Verfahren arbeiten die erste und die zweite Antenne redundant zueinander. Vorzugsweise ist zu jedem Zeitpunkt nur eine der zumindest zwei Antennen in Betrieb. Da die zumindest zwei Antennen nicht an ein und demselben Ort angeordnet sein können, senden und empfangen sie ihre Signale an unterschiedlichen Positionen. Diese unterschiedlichen Positionen haben zur Folge, dass die Sende- und Empfangsbedingungen für jede Antenne unterschiedlich sein können. Aufgrund der zahlreichen Reflexionen eines Funksignals in einer typischen Werkhalle mit vielen, zum Teil bewegten metallischen Objekten können schon geringe räumliche Unterschiede dafür sorgen, dass die eine Antenne gute Sende- und Empfangsbedingungen hat, während die andere Antenne schlechte Sende- und Empfangsbedingungen hat. Da die neue Vorrichtung und das neue Verfahren zumindest zwei Antennen verwenden, die räumlich versetzt zueinander angeordnet sind, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass zumindest eine der Antennen gute Sende- und Empfangsbedingungen hat. Ein Umschalten zwischen den Antennen erhöht somit die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Funkverbindung.

Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren sind jedoch nicht auf die redundante Verwendung mehrerer Sende- bzw. Empfangsantennen an einem vernetzten Gerät beschränkt. Hinzukommt, dass ein niederfrequentes Umschaltsignal zum Umschalten zwischen den Antennen aus dem hochfrequenten Signal erzeugt wird, das über die redundante Antennen gesendet und/oder empfangen wird. Der Begriff „niederfrequent" ist dabei nicht im Sinne eines absoluten Frequenzwertes zu verstehen, sondern er bezieht sich darauf, dass das Umschaltsignal eine niedrigere Signalfrequenz besitzt als das hochfrequente Funksignal, das über die zumindest zwei Antennen gesendet und empfangen wird.

Bei der neuen Vorrichtung und dem neuen Verfahren wird das niederfrequente Umschaltsignal aus den Signalpaketen erzeugt, die das hochfrequente Sende- und Empfangssignal aufweist. Aufgrund des zyklischen Kommunikationsbedarfs zwischen Steuereinheiten und Sensoren/Aktoren einer automatisierten Anlage treten die Signalpakete regelmäßig innerhalb definierter Zeitintervalle auf. Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren machen sich die regelmäßigen Signalpakete zunutze, um daraus ein Umschaltsignal zu erzeugen, mit dem zwischen den Antennen umgeschaltet wird. In bevorzugten Ausgestaltungen erfolgt das Umschalten allein in Abhängigkeit von den aufeinander folgenden Signalpaketen, d.h. die tatsächlichen Sende- und Empfangsbedingungen am Ort jeder Antenne werden ignoriert.

Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren lassen sich sehr kostengünstig realisieren. Es ist insbesondere möglich, auf eine individuelle Messung der Sende- und Empfangsbedingungen am Ort jeder Antenne zu verzichten, weil in Abhängigkeit von den Signalpaketen regelmäßig umgeschaltet wird. Durch das regelmäßige und vorzugsweise periodische Umschalten werden die Sende- und Empfangsbedingungen regelmäßig verändert. Infolge dessen ermöglichen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren auf sehr kostengünstige Weise eine erhöhte Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bei der drahtlosen Vernetzung von Geräten, die in Umgebungen mit schwierigen und variierenden Übertragungsverhältnissen angeordnet sind.

Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Signalkoppler mit zumindest drei Anschlüssen zum Aufteilen des hochfrequenten Signals in Teilsignale verwendet, wobei ein erster Anschluss mit dem Signalpfad verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss mit der Steuerschaltung verbunden ist.

In dieser Ausgestaltung wird das hochfrequente Signal in zumindest zwei Teilsignale aufgeteilt, wobei ein erstes Teilsignal über den Signalpfad und den Antennenumschalter zu den Antennen geführt ist, während ein zweites Teilsignal zu der Steuerschaltung geführt ist. Die zumindest zwei Teilsignale sind in bevorzugten Ausgestaltungen signalgleich, d.h. der Signalkoppler koppelt aus dem hochfrequenten Signal lediglich ein Teilsignal für die Steuerschaltung aus. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kostengünstige Realisierung, da die Steuerschaltung das niederfrequente Umschaltsignal direkt aus dem hochfrequenten Antennensignal erzeugen kann.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Signalkoppler dazu ausgebildet, ein erstes Teilsignal mit einer höheren ersten Signalleistung und ein zweites Teilsignal mit einer geringeren zweiten Signalleistung zu erzeugen, wobei das zweite Teilsignal der Steuerschaltung zugeführt ist.

In dieser Ausgestaltung teilt der Signalkoppler das hochfrequente Antennensignal in zwei Teilsignale, die zwar hinsichtlich ihrer Signalform identisch sein können, die sich jedoch in Bezug auf ihre Signalleistung unterscheiden. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, um dem für die Kommunikation verwendeten Funksignal möglichst wenig Energie zu entziehen. Vorzugsweise ist das zweite Teilsignal wesentlich schwächer als das erste Teilsignal. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Koppeldämpfung zwischen dem hochfrequenten Signal und dem zweiten Teilsignal zwischen etwa 10 dB und 20 dB.

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Steuerschaltung einen Pulsgenerator, der dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Pulsen in Abhängigkeit von den Signalpaketen zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Pulsen das Umschaltsignal repräsentieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jeweils ein Puls pro Signalpaket erzeugt.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung, da das Umschaltsignal direkt mit der Folge der Signalpakete korreliert. Diese Ausgestaltung führt zu einem häufigen Umschalten zwischen den Antennen, was bei schlechten Sende- und Empfangsbedingungen an einer der Antennen von Vorteil ist, weil die „schlechte" Antenne durch das häufige Umschalten nur jeweils kurz verwendet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Vielzahl der zeitlich aufeinander folgenden Signalpakete Paare von aufeinander folgenden Signalpaketen, wobei der Antennenumschalter nach jedem Paar umgeschaltet wird.

Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, weil hier nach jedem Paar von Signalpaketen auf eine andere Antenne umgeschaltet wird. Es besteht somit eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass zumindest jedes zweite Paar von Signalpaketen bessere Sende- und Empfangsbedingungen vorfindet. Infolge dessen kann man davon ausgehen, dass zumindest jedes zweite Paar von Signalpaketen erfolgreich übertragen werden kann. Die Ausgestaltung profitiert davon, dass ein Ausfall eines Signalpaketes bei der Kommunikation in einer automatisierten Anlage in der Regel dazu führt, dass das Signalpaket erneut gesendet wird. In einer weiteren Ausgestaltung beinhalten die Paare von Signalpaketen jeweils ein Sendesignalpaket und ein Empfangssignalpaket.

In dieser Ausgestaltung repräsentiert jedes Paar von Signalpaketen ein Kommunikationsereignis mit Anfrage und Antwort. Dies ist von Vorteil, weil der Sender einer Nachricht sehr schnell eine Rückmeldung erhält, anhand der er erkennen kann, ob die Sendenachricht beim Empfänger angekommen ist. Wenn jedes Paar von Signalpaketen jeweils ein Sendesignalpaket und ein Empfangssignalpaket beinhaltet, hat dies in Kombination mit vorhergehenden Ausgestaltung zur Folge, dass die aufeinander folgenden Kommunikationsereignisse über verschiedene Antennen erfolgen. Diese Ausgestaltung führt zu einem sehr einfachen und kostengünstigen Diversity- system.

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung einen Sender zum Erzeugen eines hochfrequenten Sendesignals und einen Empfänger zum Empfangen eines hochfrequenten Empfangssignals, wobei der Sender und der Empfänger über den Signalkoppler mit dem Signalpfad gekoppelt sind.

In dieser Ausgestaltung beinhaltet das hochfrequente Signal sowohl ein Sendesignal als auch ein Empfangssignal. Beide Signale sind über den Signalkoppler geführt, der ein Teilsignal für die Steuerschaltung abzweigt. In dieser Ausgestaltung erhält die Steuerschaltung eine maximale Anzahl an Signalpaketen. Infolge dessen kann schneller zwischen den Antennen umgeschaltet werden und die neue Vorrichtung und das neue Verfahren können schneller auf schlechte Sende- und Empfangsbedingungen reagieren.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Steuerschaltung eine Gleichspannungsschaltkreis auf, der dazu ausgebildet ist, eine geregelte Gleichspannung aus dem hochfrequenten Signal zu erzeugen. Die geregelte Gleichspannung wird vorteilhaft als Betriebsspannung zum Umschalten des Antennenumschalters und für andere elektronische Bauelemente der Vorrichtung verwendet. In dieser Ausgestaltung wird aus dem hochfrequenten Signal nicht nur ein niederfrequentes Umschaltsignal für den Antennenschalter erzeugt, sondern es wird außerdem eine geregelte Gleichspannung erzeugt, die als Betriebsspannung für die Bauelemente der Steuerschaltung zur Verfügung steht. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die Umschalteinheit unabhängig von einer externen Stromversorgung betrieben werden kann. Bevorzugt wird die Umschalteinheit im Bereich der ersten und zweiten Antenne angeordnet und besonders bevorzugt sogar in die Antennen integriert. Durch die räumliche Nähe genügt ein relativ schwaches Umschaltsignal mit dem Vorteil, dass das Hochfrequenzsignal zum überwiegenden Teil für den Sende- und/oder Empfangsvorgang zur Verfügung steht. Darüber hinaus kann die Kombination aus erster und zweiter Antenne und Steuerschaltung sehr flexibel eingesetzt werden. Es genügt, ein Antennenkabel für die gemeinsame Versorgung der Antennen und der Steuerschaltung anzuschließen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer automatisierten Anlage mit einer

Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen

Vorrichtung,

Fig. 3 und 4 Signalverläufe, die an verschiedenen Stellen der Vorrichtung aus Fig. 2 gemessen werden können. In Fig. 1 ist eine Anlage, bei der die neue Vorrichtung und das neue Verfahren zur Anwendung kommen, in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.

Die Anlage 10 besitzt eine Steuereinheit 12 und mehrere abgesetzte E/ A- (Eingabe/Ausgabe)-Einheiten 14, 16, 18. An die E/A-Einheit 16 ist ein elektrischer Antrieb 20 angeschlossen. Beispielsweise ist dies ein elektrischer Antrieb für einen Roboter oder eine andere Maschine zur automatisierten Bearbeitung von Werkstücken (hier nicht dargestellt). Der Antrieb 20 wird über die E/A-Einheit 16 mit Strom versorgt und kann daher von der E/ A- Einheit 16 abgeschaltet werden. An die E/ A- Einheiten 14 und 18 ist jeweils eine Lichtschranke 22 angeschlossen. Mit den Lichtschranken 22 wird der Roboter oder die elektrische Maschine gegen gefährliche Eingriffe von außen gesichert. Die Lichtschranken 22 sind typische Beispiele für Sensoren, deren Signalzustände von der Steuereinheit 12 eingelesen werden, um in Abhängigkeit davon Steuersignale zu erzeugen, mit denen der Antrieb 20 abgeschaltet werden kann.

Die Steuereinheit 12 und die E/ A- Einheiten 14, 16, 18 bilden hier zusammen ein sicherheitsrelevantes Steuerungssystem im Sinne der Normen EN 954-1, IEC 61508 und/oder EN ISO 13849-1. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Steuereinheit 12 und die E/A-Einheiten 14, 16, 18 jeweils fehlersicher im Sinne der Kategorie 3 und höher der EN 954-1 ausgebildet. Um dies zu erreichen, sind die sicherheitsrelevanten Teile der Steuereinheit 12 und der E/A-Einheiten 14, 16, 18 redundant aufgebaut und sie führen regelmäßige Funktionstests durch, um ein Abschalten des Antriebs 20 auch bei Auftreten eines Fehlers sicherzustellen. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet die Steuereinheit 12 darüber hinaus auch die Betriebssteuerung des Antriebs 20, d.h. die Steuerung der normalen Arbeitsbewegungen des Roboters oder der Maschine. Grundsätzlich könnte die Steuereinheit 12 auch eine reine Betriebssteuerung sein und die sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen könnten durch eine weitere Steuereinheit (hier nicht dargestellt) gesteuert werden, die beispielsweise im Schaltschrank des Roboters oder der Maschine installiert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Steuereinheit 12 einen Signal- und Datenverarbeitungsteil 24, der redundant aufgebaut ist. Der Signal- und Datenverarbeitungsteil 24 besitzt zwei Prozessoren 26a, 26b, die redundant zueinander arbeiten und sich gegenseitig überwachen. Die Prozessoren 26a, 26b können auf einen Speicher 28 zugreifen, in dem das Steuerprogramm für die Anlage 10 abgespeichert ist.

Die Steuereinheit 12 besitzt ferner eine Kommunikationsschnittstelle 30, die hier mit zwei Antennen 32, 34 verbunden ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die zwei Antennen 32, 34 zu einer Diversityantenne integriert, wobei die beiden Antennen 32, 34 in bevorzugten Beispielen mit einem seitlichen Abstand von λ/4 zueinander angeordnet sind. In anderen Ausführungsbeispielen kann es sich um zwei separate Antennen handeln, etwa λ/2-Stabantennen, die mit einem seitlichen Abstand von λ/4 zueinander angeordnet sind.. Der Signal- und Datenverarbeitungsteil 24 kommuniziert über die Kommunikationsschnittstelle 30 mit den abgesetzten E/AEinheiten 14, 16, 18, um die Signalzustände der Sensoren 22 einzulesen und die Steuerbefehle für den Antrieb 20 auszugeben.

Jede E/A-Einheit 14, 16, 18 besitzt eine Antenne 36 und eine Kommunikationsschnittstelle 38. Die E/A-Einheiten 14,16, 18 kommunizieren über die Antenne 36 und die Kommunikationsschnittstelle 38 mit der Steuereinheit 12, um die Sensorsignale zu übertragen und die Steuerbefehle zu empfangen. Zu diesem Zweck senden und empfangen die Kommunikationsschnittstellen 30, 38 hochfrequente Funksignale 40, 42. In einem Ausführungsbeispiel liegt die Frequenz der Funksignale 40, 42 bei etwa 2,4 GHz. Jedes Funksignal besteht aus einer Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen (so genannte Bursts), zwischen denen zeitliche Pausen liegen. Die hochfrequenten Signalpakete übertragen so genannte Telegramme 46, in denen die Daten codiert sind, die zwischen der Steuereinheit 12 und den E/ A- Einheiten 14, 16, 18 ausgetauscht werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kommuniziert die Steuereinheit 12 der Reihe nach mit den einzelnen E/ A- Einheiten 14, 16, 18, die durch Adressen unterschieden werden, welche als Bestandteil der Telegramme 46 gesendet werden. Jede angesprochene E/A-Einheit 14, 16, 18 antwortet auf ein Sendetelegramm der Steuereinheit 12 mit einem entsprechenden Antworttelegramm. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, verwendet die Steuereinheit 12 für diese Kommunikation wechselweise jeweils eine der Antennen 32, 34, wobei der Wechsel zwischen den Antennen 32, 34 in einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel jeweils erfolgt, wenn die Steuereinheit 12 ein Sendesignalpaket an eine E/A-Einheit 14, 16, 18 ausgesendet und ein entsprechendes Empfangssignalpaket empfangen hat. Grundsätzlich ist der Wechsel zwischen den Antennen 32, 34 (und evtl. weiteren Antennen, die hier nicht dargestellt sind) auch nach einem anderen Schema möglich.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Kommunikationsschnittstelle 30 der Steuereinheit 12. Prinzipiell können auch die Kommunikationsschnittstellen 38 in den E/A-Einheiten mit mehreren Antennen ausgerüstet sein. In den derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen werden in den E/A-Einheiten 14, 16, 18 allerdings einfache Antennen und Kommunikationsschnittstellen 38 verwendet.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist die Kommunikationsschnittstelle 30 einen Signal- koppler 50 auf, der über einen Signalpfad 52 und einen Antennenumschalter 54 mit den beiden Antennen 32, 34 verbunden ist. Der Antennenumschalter 54 ist dazu ausgebildet, den Signalpfad 52 wahlweise mit der Antenne 32 oder der Antenne 34 zu verbinden.

Der Signalkoppler 50 besitzt hier vier Anschlüsse. An einem ersten Anschluss 56 ist der Signalpfad 52 angeschlossen. An einem zweiten Anschluss 58 ist eine Steuerschaltung 59 angeschlossen, deren Funktion weiter unten erläutert ist. An einem weiteren Anschluss 60 ist hier ein Sender 62 angeschlossen. An einem vierten Anschluss 64 ist ein Empfänger 66 angeschlossen. Der Signalkoppler 50 ist so ausgebildet, dass ein hochfrequentes Sendesignal des Senders 62, das an dem Anschluss 60 eingespeist wird, auf die Anschlüsse 56, 58 aufgeteilt wird, wobei das erste Teilsignal an dem Anschluss 56 eine wesentlich höhere Leistung aufweist als das zweite Teilsignal an dem Anschluss 58. In einem Ausführungsbeispiel liegt die Koppeldämpfung zwischen den Anschlüssen 60 und 58 zwischen bei etwa 16 dB. Dagegen ist die Koppeldämpfung zwischen den Anschlüssen 58 und 56 größer als 20 dB und vorzugsweise sogar größer als 30 dB. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Koppeldämpfung zwischen den Anschlüssen 58 und 56 bei etwa 35 dB. Durch diese hohe Koppeldämpfung wird erreicht, dass Signalanteile, die in der Steuerschaltung 59 generiert werden, nicht über die Antennen 32, 34 abgestrahlt werden.

Beim Empfangen eines Antworttelegramms wird das hochfrequente Empfangssignal über den Signalpfad 52 übertragen und hier auf die Anschlüsse 58 und 64 aufgeteilt. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Signalkoppler 50 lediglich die Anschlüsse 56, 58, 60 verwenden und die Aufteilung der Antennensignale zwischen dem Sender 62 und dem Empfänger 66 erfolgt über einen weiteren, hier nicht dargestellten Umschalter, der an den Anschluss 60 angeschlossen ist.

Die Steuerschaltung 59 weist an ihrem Eingang einen Impedanzwandler 68 auf, der vorzugsweise in Mikrostreifenleitertechnik realisiert ist. Der Impedanzwandler 68 dient dazu, die Impedanz des Signalpfades 52 an die Impedanz der nachfolgenden Gleichrichterschaltung 70 anzupassen. Die Gleichrichterschaltung 70 beinhaltet hier eine Schottky-Diode und eine so genannte Ladungspumpe (nicht dargestellt). Die Gleichrichterschaltung 70 ist dazu ausgebildet, das hochfrequente Antennensignal auf dem Signalpfad 52 in eine pulsierende Gleichspannung um zuwandeln, die in Fig. 3 bei der Bezugsziffer 71 dargestellt ist. Jeder Puls der pulsierenden Gleichspannung 71 repräsentiert ein Signalpaket 44. Wie man in Fig. 3 erkennen kann, folgen hier jeweils zwei Signalpakete 44a, 44b relativ dicht aufeinander. Nach jedem Paar von Signalpaketen 44a, 44b folgt eine etwas längere Pause, an die sich das nächste Paar von Signalpaketen 44a, 44b anschließt. Die Signalpakete 44a sind hier Sendesig- nalpakete, die über eine der Antennen 32, 34 ausgesendet werden. Die Signalpakete 44b sind Empfangssignalpakete, die über eine der Antennen 32, 34 empfangen werden.

Nach der Gleichrichterschaltung 70 teilt sich die Steuerschaltung 59 in zwei Teile auf. Ein erster Zweig der Steuerschaltung 59 beinhaltet einen Differenzierer 72, einen Komparator 74 und ein Flipflop 76. Der Differenzierer 72 dient als Flankendetektor. Er erzeugt ein Signal 73 mit einer Vielzahl von Nadelpulsen, wobei jeder Nadelpuls einer steigenden Flanke der pulsierenden Gleichspannung 71 entspricht. Der Komparator 74 dient als Impulsformer, der aus den Nadelimpulsen des Signals 73 Rechteckimpulse formt, mit denen das Flipflop 76 getriggert wird. Am Ausgang des Flipflops 76 steht ein Antennenumschaltsignal (Q und nQ) zur Verfügung, das in Fig. 3 bei der Bezugsziffer 77 dargestellt ist. Das Flipflop 76 schaltet den Antennenumschalter 54 wechselweise um, so dass wechselweise die Antenne 32 und die Antenne 34 zum Senden und Empfangen verwendet wird.

Im zweiten Signalzweig der Steuerschaltung 59 wird die pulsierende Spannung 71 am Ausgang der Gleichrichterschaltung 70 über eine Diode 78 auf einen so genannten Buffer-Limiter 80 geführt. Der Buffer-Limiter 80 ist eine Schaltung zur Speicherung und Begrenzung, mit deren Hilfe die pulsierende Gleichspannung geglättet wird. Die geglättete Gleichspannung am Ausgang des Buffer-Limiters 80 ist einem DC/DC- Wandler 82 zugeführt, der eine geregelte Gleichspannung 83 erzeugt. Die geregelte Gleichspannung ist in Fig. 4 bei der Bezugsziffer 83 dargestellt. Die Kurve 81 darunter zeigt die pulsierende Gleichspannung am Eingang des Buffer-Limiters 80. Am Ausgang des DC/DC-Wandlers 82 ist ein Speicherkondensator 84 angeordnet, der die geregelte Gleichspannung 83 zwischenspeichert. Die gespeicherte Gleichspannung 83 dient als Betriebsspannung, mit der die elektronischen Bauelemente der Steuerschaltung 59, insbesondere der Differenzierer 72, der Komparator 74 und das Flipflop 76 versorgt werden.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Antennenumschalter 54 mit dem Ausgang Q und mit dem negierten Ausgang nQ des Flipflops 76 so angesteuert, dass die Antennen 32, 34 die Sendesignale der Steuereinheit 12 abwechselnd abstrahlen. Mit anderen Worten erfolgt hier ein Antennenwechsel so, dass zwei aufeinander folgende Sendebursts über verschiedene Antennen abgestrahlt werden. Der Wechsel von einer Antenne zur anderen erfolgt, nachdem das zugehörige Empfangssignal von der angesprochenen E/A-Einheit empfangen wurde. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Steuereinheit 12 ihre Sendesignale solange über eine der beiden Antennen 30, 32 absendet, bis ein Wechsel zu der anderen Antenne dadurch veran- lasst wird, dass ein entsprechendes Empfangssignal ausbleibt. In allen Ausfuhrungsbeispielen ist es bevorzugt, dass die Steuereinheit 12 ein Sendetelegramm wiederholt, wenn ein entsprechendes Empfangstelegramm als Antwort ausbleibt.

In den bevorzugten Ausführungsbeispielen sendet die Steuereinheit 12 Sendesignale in definierten, periodischen Zeitabständen. Dementsprechend kann in den definierten Zeitabständen von einer Antenne zur anderen umgeschaltet werden. Des Weiteren versorgen die periodisch auftretenden Sendesignalpakete und Empfangssignalpakete die Steuerschaltung 59 mit Energie, aus der die Betriebsspannung mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 82 erzeugt wird. Der Speicherkondensator 84 sorgt dafür, dass kurze Spannungseinbrüche überbrückt werden können, falls sich das Aussenden und/oder Empfangen von Signalen verzögert.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Vernetzung von abgesetzten Sensoren (22), Aktoren (20) und einer zentralen Steuereinheit (12), mit einem Signalpfad (52) zum Übertragen eines hochfrequenten Signals (44), das eine Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen (44a, 44b) besitzt, mit einer ersten und einer zweiten Antenne (30, 32), mit einem Antennenumschalter (54), der den Signalpfad (52) wahlweise mit der ersten oder mit der zweiten Antenne (30, 32) verbindet, und mit einer Steuerschaltung (59), die dazu ausgebildet ist, ein niederfrequentes Umschaltsignal für den Antennenschalter (54) aus den aufeinander folgenden Signalpaketen (44a, 44b) zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Signalkoppler (50) mit zumindest drei Anschlüssen (56, 58, 60) zum Aufteilen des hochfrequenten Signals in Teilsignale, wobei ein erster Anschluss (56) mit dem Signalpfad (52) verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss (58) mit der Steuerschaltung (59) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkoppler (50) dazu ausgebildet ist, ein erstes Teilsignal mit einer höheren ersten Signalleistung und ein zweites Teilsignal mit einer geringeren zweiten Signalleistung zu erzeugen, wobei das zweite Teilsignal der Steuerschaltung (59) zugeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung einen Pulsgenerator (72) besitzt, der dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Pulsen (73) in Abhängigkeit von den Signalpaketen (44a, 44b) zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Pulsen das Umschaltsignal repräsentieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine bistabile Kippstufe (76), die die Vielzahl von Pulsen erhält, um das Umschaltsignal (77) zu erzeugen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen Sender (62) zum Erzeugen eines hochfrequenten Sendesignals und einen Empfänger (66) zum Empfangen eines hochfrequenten Empfangssignals, wobei der Sender (62) und der Empfänger (66) über den Signalkoppler (50) mit dem Signalpfad (52) gekoppelt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (59) einen Gleichspannungsschaltkreis (82) aufweist, der dazu ausgebildet ist, aus dem hochfrequenten Signal eine geregelte Gleichspannung (83) zu erzeugen.

8. Verfahren zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Vernetzung von abgesetzten Sensoren (22), Aktoren (20) und einer zentralen Steuereinheit (12), mit den Schritten:

Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Antenne (30, 32),

Bereitstellen eines Antennenumschalters (54), der mit der ersten und der zweiten Antenne (30, 32) verbunden ist,

Erzeugen eines hochfrequenten Signals (44), das eine Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Signalpaketen (44a, 44b) besitzt,

Erzeugen eines niederfrequenten Umschaltsignals (77) aus den aufeinander folgenden Signalpaketen (44a, 44b), und Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Antenne (30, 32), indem der Antennenumschalter (54) mit dem niederfrequenten Umschaltsignal (77) periodisch angesteuert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der zeitlich aufeinander folgenden Signalpakete (44a, 44b) Paare von aufeinander folgenden Signalpaketen beinhalten, wobei der Antennenumschalter (54) nach jedem Paar umgeschaltet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare von Signalpaketen (44a, 44b) jeweils ein Sendesignalpaket (44a) und ein Empfangssignalpaket (44b) beinhalten.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem hochfrequenten Sendesignal (44) ferner eine geregelte Gleichspannung (83) erzeugt wird, die als Betriebsspannung zum Umschalten des Antennenumschalters (54) verwendet wird.