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Die
Erfindung betrifft einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
Sensoren, die insbesondere als optische Sensoren ausgebildet sein
können,
werden im Bereich der Sicherheitstechnik und des Personenschutzes
eingesetzt. Typischerweise wird mit diesen optischen Sensoren ein
Gefahrenbereich an einer Maschine oder Anlage überwacht. Wird mittels des optischen
Sensors ein Eindringen eines Objektes oder einer Person in den Gefahrenbereich
registriert, wird in der Auswerteeinheit des optischen Sensors als
sicherheitsrelevantes Schaltsignal ein entsprechendes Objektfeststellungssignal
generiert, welches an die Steuerung der Maschine oder Anlage ausgegeben
wird, so dass die Maschine oder Anlage abgeschaltet wird, damit
von dieser keine Gefährdung
für Personen
mehr ausgehen kann. Andererseits wird für den Fall, das kein Eingriff
im Gefahrenbereich vorliegt, ein entsprechender Signalzustand des
Objektfeststellungssignals im optischen Sensor generiert, so dass
dann der Betrieb der Maschine oder Anlage durch den optischen Sensor
freigegeben wird.
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Bekannte
optische Sensoren dieser Art weisen eine Steckerverbindung auf,
mittels derer der optische Sensor mit der Steuerung der Maschine
oder Anlage über
Kabelverbindungen verbunden wird. Über diese Kabelverbindung erfolgt
die Ausgabe des Objektfeststellungssignals. Weiterhin können über die
Kabelverbindung als weitere, insbesondere nicht sicherheitsrelevante
Daten Konfigurationsdaten und/oder Diagnosedaten übertragen
werden, die zur Wartung und/oder Parametrierung des optischen Sensors
verwendet werden.
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Das
Schaltsignal, das heißt
das Objektfeststellungssignal einerseits, und die Diagnose- und Konfigurationsdaten
andererseits werden über
separate Stecker-Pins
der Steckerverbindung an externe Einheiten ausgegeben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs
genannten Art bereitzustellen, welcher bei kompaktem Aufbau eine
hohe Funktionalität
aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
weist wenigstens einen Schaltausgang zur Ausgabe eines sicherheitsrelevanten
Schaltsignals auf. Über
den Schaltausgang sind weitere Daten ausgebbar und/oder einlesbar,
wobei die Ausgabe der weiteren Daten die Schaltzustände des
Schaltsignals unverändert
lässt.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, über den oder die Schaltausgänge des
Sensors nicht nur das sicherheitsrelevante Schaltsignal sondern
weitere Daten zu übertragen.
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Der
oder die Schaltausgänge
bilden somit Anschlussmittel, über
welche eine erweiterte Datenübertragung
derart erfolgen kann, dass mehrere unterschiedliche Datenformen über diese übertragen werden
können.
Durch diese Mehrfachnutzung des oder der Schaltausgänge vereinfacht
sich somit die Schnittstelle des Sensors zu externen Einheiten.
Insbesondere kann diese Schnittstelle in Form einer Steckerverbindung
zum Anschluss eines Anschlusssteckers ausgebildet sein.
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Bei
dieser Steckerverbindung können
dann Steckerkontakte gleichzeitig zur Ausgabe des Schaltsignals
und der weiteren Daten dienen. Da für die weiteren Daten somit
keine separaten Steckerkontakte benötigt werden, vereinfacht sich
der Aufbau der Steckerverbindung erheblich.
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Wesentlich
hierbei ist, dass durch die zusätzliche Übertragung
der weiteren Daten über
den oder die Schaltausgänge
der Schaltzustand des Schaltsignals unverändert bleibt. Damit ist eine
wesentliche Voraussetzung für
den Einsatz des Sensors im Bereich der Sicherheitstechnik erfüllt, da
zur Erfüllung der
hierfür
bestehenden Sicherheitsanforderungen die Ausgabe des sicherheitsrelevanten
Schaltsignals nicht durch Störeinflüsse, insbesondere
nicht durch die Übertragung
weiterer Daten verfälscht
werden darf.
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Um
dies zu erreichen, können
dem Schaltsignal auf dem oder den Schaltausgängen die weiteren Daten durch
kurzzeitige Pulse aufkodiert werden, wobei in diesem Fall die Pulsdauern
so kurz sind, dass dadurch das Schaltsignal nicht beeinflusst wird. Besonders
vorteilhaft können
diese Pulse mit Testpulsen generiert und auf das Schaltsignal kodiert werden,
wobei diese Testimpulse zur zyklischen Testung des oder der Schaltausgänge verwendet
werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung können die weiteren Daten dem
Schaltsignal durch eine Amplitudenmodulation aufgeprägt werden,
wobei in diesem Fall die Amplituden der Amplitudenmodulation so
gewählt
werden, dass dadurch das Schaltsignal nicht beeinflusst wird.
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Die
auf diese Weise zusätzlich
zu dem sicherheitsrelevanten Schaltsignal über den oder die Schaltausgänge übertragenen
weiteren Daten können
prinzipiell selbst sicherheitsrelevante Informationen darstellen.
In diesem Fall ist bevorzugt auch für diese weiteren sicherheitsrelevanten
Daten eine zyklische Testung zu deren Absicherung vorgesehen. Weiterhin
können
die weiteren Daten auch nicht sicherheitsrelevant sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die weiteren Daten
von Konfiguration- und/oder Diagnoseinformationen gebildet, die
zur Pa rametrierung beziehungsweise zur Funktionskontrolle des Sensors
benötigt
werden.
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In
diesem Fall kann besonders vorteilhaft im Anschlussstecker, der
an die Steckerkontakte des Sensors anschließbar ist, ein Konfigurationsspeicher vorgesehen
sein, in welchem die über
den oder die Schaltausgänge übertragenen
Konfigurations- und/oder Diagnoseinformationen gespeichert werden.
Dies führt
zu einer erheblichen Vereinfachung des Austauschs des Sensors im
Fall eines Defekts. Wird nämlich
der alte Sensor durch den neuen Sensor ersetzt, so können aus
dem Konfigurationsspeicher des Anschlusssteckers die dort gespeicherten Konfiguration-
und/oder Diagnoseinformationen ausgelesen und in den Sensor übertragen
werden, so dass dieser exakt dieselbe Parametrierung wie der alte
Sensor aufweist und damit sofort, das heißt ohne Parametrier- oder Einlernvorgänge funktionsfähig ist.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
dient generell zur Detektion von Objekten innerhalb eines Überwachungsbereichs,
wobei das Schaltsignal ein binäres
Objektfeststellungssignal bildet, dessen Schaltzustände angeben,
ob sich ein Objekt innerhalb des Überwachungsbereichs befindet
oder nicht.
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Das
Funktionsprinzip des Sensors kann unterschiedlich ausgebildet sein.
Beispielsweise kann der Sensor als Ultraschallsensor oder dergleichen ausgebildet
sein. Besonders vorteilhaft ist der Sensor als optischer Sensor
ausgebildet.
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Der
optische Sensor kann im einfachsten Fall als Lichtschranke ausgebildet
sein. Weiterhin kann der optische Sensor als Lichtschrankenanordnung,
insbesondere als Lichtgitter ausgebildet sein. Auch eine Ausbildung
eines optischen Sensors als Bildverarbeitungssystem mit einer oder
mehreren Kameras ist möglich.
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Schließlich kann
der optische Sensor einen Distanzsensor mit einem Sender und Empfänger bilden,
wobei zur Durchführung
der Distanzmessungen vor teilhaft ein Lichtlaufzeitverfahren eingesetzt
werden kann, insbesondere ein Phasenmessverfahren oder ein Puls-Laufzeit-Verfahren.
Besonders vorteilhaft ist ein derartiger optischer Sensor als Flächendistanzsensor
ausgebildet. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen werden
dann periodisch innerhalb eines flächigen Überwachungsbereichs geführt. Durch
die mit dem Distanzsensor des optischen Sensors durchgeführten Distanzmessungen
sowie die zusätzliche
Bestimmung der aktuellen Ablenkrichtung der Sendelichtstrahlen kann
die Position eines Objektes im Überwachungsbereich
bestimmt werden. Durch eine geeignete Schwellwertbewertung der ermittelten
Distanzwerte kann als Objektfeststellungssignal ein binäres Schaltsignal
abgeleitet werden, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt
innerhalb eines vorgegebenen Schutzfelds befindet oder nicht. Die
die Geometrien von Schutzfeldern definierenden Konfigurationsdaten können in
der Speichereinheit hinterlegt werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigt:
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1:
Schematische Darstellung eines Lichtgitters.
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2:
Schematische Darstellung einer Auswerteeinheit mit einer zugeordneten
Ausgangsschaltung für
das Lichtgitter gemäß 1.
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1 zeigt
den Aufbau eines optischen Sensors in Form eines Lichtgitters 1 zur Überwachung
eines Überwachungsbereichs.
Das Lichtgitter 1 weist eine in einem ersten Gehäuse 2 integrierte
Sendereinheit 3 und eine in einem zweiten Gehäuse 4 integrierte
Empfängereinheit 5 auf.
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Die
Sendereinheit 3 weist eine Anordnung von Sendelichtstrahlen 6 emittierenden
Sendern 7 auf. Die Sender 7 bestehen vorzugsweise
aus identisch ausgebildeten Leuchtdioden und sind in Abstand nebeneinander
liegend angeordnet. Die Sender 7 werden von einer Sender-Steuereinheit 8 angesteuert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden die Sender 7 im Pulsbetrieb betrieben.
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Die
Empfängereinheit 5 weist
eine Anordnung von identisch ausgebildeten, nebeneinander liegend
angeordneten Empfängern 9 auf.
Die Empfänger 9 bestehen
vorzugsweise jeweils aus einer Fotodiode und sind äquidistant
angeordnet. Dabei liegt jeweils ein Empfänger 9 einem Sender 7 der Sendereinheit 3 gegenüber, so
dass bei freiem Strahlengang die Sendelichtstrahlen 6 eines
Senders 7 auf den gegenüberliegend
angeordneten Empfänger 9 treffen.
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Die
an den Ausgängen
der Empfänger 9 anstehenden
Empfangssignale werden in einer zentralen Auswerteeinheit 10 ausgewertet.
Die Auswerteeinheit 10 bildet zugleich eine Empfängersteuereinheit
zur Steuerung des Betriebs der Empfänger 9.
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Jeder
Sendelichtstrahlen 6 emittierende Sender 7 bildet
mit dem jeweils zugeordneten, gegenüberliegenden Empfänger 9 eine
Strahlachse des Lichtgitters 1.
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Durch
eine optische Synchronisation, die insbesondere anhand einer spezifischen
Kennung der von einem ausgewählten
Sender 7 emittierten Sendelichtimpulse erfolgt, werden
die Sender 7 und die Empfänger 9 der einzelnen
Strahlachsen einzeln nacheinander zyklisch aktiviert.
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Zur
Objektdetektion werden in der Auswerteeinheit 10 die Empfangssignale
mit einem Schwellwert bewertet. Liegt der Pegel der Empfangssignale eines
Empfängers 9 oberhalb
des Schwellwerts, liegt eine einem freien Strahlengang der Sendelichtstrahlen 6 entsprechende
nicht unterbrochene Strahlachse vor. Liegt der Pegel der Empfangssignale
des Empfängers 9 unterhalb
des Schwellwerts liegt eine einem Objekteingriff entsprechende unterbrochene Strahlachse
vor.
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In
Abhängigkeit
davon wird in der Auswerteeinheit ein Objektfeststellungssignal
generiert, welches ein binäres
Schaltsignal bildet ist. Die Schaltzustände des binären Schaltsignals geben an,
ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet oder nicht.
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Die
Schaltsignale werden an eine Steuerung ausgegeben, welche eine Maschine
steuert. Mit dem Lichtgitter 1 wird ein Gefahrenbereich
an der Maschine überwacht.
Abhängig
von Signalzuständen
der Objektfeststellungssignale wird die Maschine über die
Steuerung in Betrieb gesetzt oder abgeschaltet. Im vorliegenden
Fall wird die Maschine abgeschaltet, wenn der Schaltzustand des
binären
Schaltsignals einer Objektdetektion im Gefahrenbereich entspricht. Zur
Ausgabe des Schaltsignals ist ein Steckerkontakt 11 vorgesehen,
an welchen ein Anschlussstecker 12 anschließbar ist.
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2 zeigt
den Aufbau der Auswerteeinheit 10 des Lichtgitters 1 gemäß 1 und
der von dieser gesteuerten Ausgangsschaltung zur Ausgabe des Schaltsignals.
Die redundant aufgebaute Auswerteeinheit 10 besteht aus
zwei identisch aufgebauten Rechnereinheiten 10a, b, die
insbesondere als Microcontroller oder digitale Signalprozessoren
ausgebildet sein können.
Zur gegenseitigen Kontrolle und Funktionsüberprüfung erfolgt über Datenleitungen 13a,
b eine bidirektionale Datenübertragung
zwischen den Rechnereinheiten 10a, b. Die Ausgangsschaltung
weist einen zweikanaligen Aufbau auf, wobei jeweils ein Kanal einer
Rechnereinheit 10a, b zugeordnet ist.
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Zur
Ausgabe des Schaltsignals sind zwei Schaltausgänge 14a, b vorgesehen,
welche jeweils von einer der Rechnereinheiten 10a, b angesteuert werden.
Die Schaltausgänge 14a,
b sind auf die Steckerpins des Steckerkontakts 11 geführt, an
welche der Anschlussstecker 12 anschließbar ist.
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Zur
Generierung der Schaltzustände
des binären
Schaltsignals auf den Schaltausgängen 14a,
b ist jedem Schaltausgang 14a, b jeweils ein High-Side-Treiber 15a,
b und ein Low-Side-Treiber 16a, b zugeordnet. Diese bestehen
aus Halbleiterschaltern, insbesondere Transistoren.
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Die
High-Side-Treiber 15a, b sind jeweils über einen Widerstand 17a,
b auf Versorgungsspannung Vcc geführt. Die
High-Side-Treiber 15a, b werden über jeweils eine Leitung 18a,
b von einer Rechnereinheit 10a, b angesteuert. Ent sprechend
werden die Low-Side-Treiber 16a, b jeweils über eine
Leitung 19a, b von einer Rechnereinheit 10a, b
angesteuert.
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Zur
Generierung eines ersten Schaltzustands des über die Schaltausgänge 14a,
b übertragenen
Schaltsignals werden die Schaltausgänge 14a, b durch Schließen der
High-Side-Treiber 15a, b auf Versorgungsspannung Vcc geschaltet, wobei dann die Low-Side-Treiber 16a,
b geöffnet
sind. Zur Generierung des zweiten Schaltzustands werden durch die
Low-Side-Treiber 16a, b die Schaltausgänge 14a, b auf Massepotential
gezogen, wobei dann die High-Side-Treiber 15a, b geöffnet sind.
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Zur
Erfüllung
der Anforderungen für
den Einsatz des Sensors im Bereich der Sicherheitstechnik wird für die Schaltungsanordnung
gemäß 2 zyklisch
eine Fehlerkontrolle derart durchgeführt, dass sich hierdurch die
Betriebszustände
von an die Schaltsignale angeschlossenen Lasten nicht ändern.
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Die
Fehlerkontrolle wird über
die Rechnereinheiten 10a, b gesteuert. Innerhalb eines
Testzyklus wird dabei generell ein Messsignal als Antwort auf ein
Umschalten der von den High-Side-Treibern 15a, b und den
Low-Side-Treibern 16a, b gebildeten Schaltmitteln der Schaltungsanordnung
ausgewertet.
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Zur
Testung der Schaltungsanordnung werden im vorliegenden Fall die
Low-Side-Treiber 16a,
b verwendet. Dabei wird zu Beginn eines Testzyklus der Low-Side-Treiber 16a,
b so kurzzeitig umgeschaltet, dass der Betriebszustand der an die
Schaltausgänge 14a,
b angeschlossenen Lasten erhalten bleibt. Auf dieses Umschalten
generierte Messsignale werden über
Meldeleitungen in die Rechnereinheiten 10a, b zurückgelesen.
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Als
Meldeleitungen sind in jedem Kanal eine Low-Side-Meldeleitung 20a,
b und eine High-Side-Meldeleitung 21a, b vorgesehen, wobei
in den Low-Side-Meldeleitungen 20a,
b jeweils ein Widerstand 22a, b vorgesehen ist.
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Die
Aufdeckung von Fehlern in den Rechnereinheiten 10a, b erfolgt
dadurch, dass die Messsignalkurven mit in den Rechnereinheiten 10a,
b abgespeicherten Sollsignalkurven, die den fehlerfreien Betrieb
der Schaltungsanordnung charakterisieren, verglichen werden.
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Bei
der so durchgeführten
zyklischen Testung der Schaltausgänge 14a, b werden
generell durch Umschalten der Low-Side-Treiber 16a, b kurze Testimpulse
auf das Schaltsignal in beiden Schaltausgängen 14a, b aufcodiert,
deren Auswertung in den Rechnereinheiten 10a, b Aufschlüsse über Fehler
in der Schaltungsanordnung liefert.
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Zusätzlich zu
diesen Testimpulsen werden in den Rechnereinheiten 10a,
b weitere Datenimpulse generiert, die ebenfalls dem Schaltsignal
aufcodiert werden. Diese zusätzlichen
Datenimpulse codieren weitere Daten, die mit dem Schaltsignal über die Schaltausgänge 14a,
b an externe Einheiten ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich können auf diese
Weise auch zusätzliche
Daten eingelesen werden.
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Ebenso
wie die Testimpulse sind die Datenimpulse, insbesondere deren Impulsdauern,
so gewählt,
dass das Schaltsignal dadurch nicht beeinträchtig wird. Dies bedeutet,
dass die Datenimpulse so kurz gewählt sind, dass dadurch der
Zustand der von den Schaltausgängen 14a,
b angesteuerten externen Lasten nicht geändert wird.
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Alternativ
können über die
Schaltausgänge 14a,
b zusätzlich
zu den Schaltsignalen weitere Daten dadurch übertragen werden, dass mittels
der Rechnereinheiten 10a, b, insbesondere durch die Ansteuerung
der Low-Side-Treiber 16a, b und/oder der High-Side-Treiber 15a,
b durch die Rechnereinheiten 10a, b dem Schaltsignal eine
zusätzliche
Amplitudenmodulation aufgeprägt
wird, durch welche die Informationen der weiteren Daten auf das
Schaltsignal aufcodiert werden. Dabei sind die Amplituden der Amplitudenmodulationen
so klein ge wählt,
dass die Schaltzustände
des Schaltsignals dadurch nicht beeinträchtigt werden.
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Da
somit bei beiden Varianten zur Übertragung
der weiteren Daten über
die Schaltausgänge 14a,
b die Schaltzustände
des Schaltsignals nicht beeinträchtigt
werden und damit insbesondere die Ansteuerung externer Lasten mit
dem Schaltsignal unbeeinflusst bleibt, sind die sicherheitstechnischen Anforderungen
für eine
fehlersichere Ausgabe des Schaltsignals erfüllt.
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Die über die
Schaltausgänge 14a,
b zusätzlich übertragenen
weiteren Daten können
generell wie das Schaltsignal als sicherheitsrelevante Daten ausgebildet
sein, wobei dann vorzugsweise über
die Rechnereinheiten 10a, b analog zur Testung des Schaltsignals
auch eine zyklische Testung der übertragenen
zusätzlichen
weiteren Daten erfolgt. Alternativ können die weiteren Daten nicht
sicherheitsrelevante Daten sein.
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Im
vorliegenden Fall sind die weiteren Daten von Konfigurationsinformationen,
die zur Parametrierung des Sensors, und von Diagnoseinformationen, die
zur Funktionskontrolle des Sensors dienen, gebildet.
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Im
Anschlussstecker 12 ist ein Konfigurationsspeicher 12a integriert.
In diesem Konfigurationsspeicher 12a werden die über die
Schaltausgänge 14a,
b ausgelesenen Konfigurations- und Diagnoseinformationen nicht flüchtig gespeichert.
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Dadurch
wir ein Sensortausch erheblich vereinfacht. Wird bei einem Defekt
eines Sensors dieser gegen einen neuen Sensor ausgetauscht, so kann der
neue Sensor durch Auslesen der Konfiguration- und Diagnoseinformationen
aus dem Konfigurationsspeicher 12a die Daten des alten
Sensors übernehmen
und weist damit dieselbe applikationsspezifische Konfiguration wie
der alte Sensor auf. Damit kann der neue Sensor ohne weitere Parametrier- oder
Einlernvorgänge
sofort in Betrieb genommen werden.
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- 1
- Lichtgitter
- 2
- Gehäuse
- 3
- Sendereinheit
- 4
- Gehäuse
- 5
- Empfängereinheit
- 6
- Sendelichtstrahlen
- 7
- Sender
- 8
- Sender-Steuereinheit
- 9
- Empfänger
- 10
- Auswerteeinheit
- 10a,
b
- Rechnereinheiten
- 11
- Steckerkontakt
- 12
- Anschlussstecker
- 12a
- Konfigurationsspeicher
- 13a,
b
- Datenleitungen
- 14a,
b
- Schaltausgänge
- 15a,
b
- High-Side-Treiber
- 16a,
b
- Low-Side-Treiber
- 17a,
b
- Widerstände
- 18a,
b
- Leitung
- 19a,
b
- Leitung
- 20a,
b
- Low-Side-Meldeleitungen
- 21a,
b
- High-Side-Meldeleitungen
- 22a,
b
- Widerstand