DE102017127075B4 - Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik sowie Y-Weicheneinheit für ein solches Kommunikationssystem - Google Patents

Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik sowie Y-Weicheneinheit für ein solches Kommunikationssystem Download PDF

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Abstract

Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik,
mit einer Steuerung (2) als Datenempfänger und einem Sensor (3) als Datenquelle, die nach dem IO-Link-Standard über eine Kommunikationsleitung digitale Daten als Spannungssignale austauschen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kommunikationsleitung in zwei Teilleitungen unterteilt ist und an der Verbindungsstelle eine Y-Weicheneinheit (10) eingesetzt ist,
wobei an der Y-Weicheneinheit (10) sensorseitig ein erster Anschluss (10a) und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss (10b, 10c) vorgesehen sind,
wobei am zweiten Anschluss (10b) die Steuerung (2) und an dem dritten Anschluss (10c) ein weiterer Datenempfänger (4) angeschlossen ist,
wobei die Y-Weicheneinheit (10) einen Mikrocontroller (11) umfasst, in dem der Sensor (3) softwaremäßig nachgebildet ist, so dass der weitere Datenempfänger (4) Daten des Sensors (3) abfragen kann, ohne auf den Sensor (3) oder dessen Kommunikation mit der Steuerung (2) direkt zu- bzw. eingreifen zu müssen,
und wobei Signale vom ersten Anschluss (10a) zum zweiten Anschluss (10b) in der Y-Weicheneinheit (10) direkt und unverändert weitergegeben werden, während Signale zwischen dem ersten Anschluss (10a) und dem dritten Anschluss (10c) in der Y-Weicheneinheit (10) über den Mikrocontroller (11) geführt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem der Automatisierungstechnik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Y-Weicheneinheit für ein solches Kommunikationssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
  • In der Automatisierungs- und Prozesstechnik kommen häufig Sensoren bzw. Messgeräte zum Einsatz, die den erfassten Messwert - z.B. Druck, Temperatur, Durchfluss, aber auch Abstand oder Vibration - in ein diesen Messwert repräsentierendes Ausgangssignal in Form eines analogen oder digitalen Strom- oder Spannungssignals umwandeln und dieses Signal an ihrem Kabel- oder Steckeranschluss, aber teilweise auch drahtlos zur weiteren Verarbeitung einer übergeordneten Steuereinheit anbieten, bspw. einer SPS.
  • Ein typisches Messgerät besteht zunächst aus einem Sensorelement, auch als Messwertaufnehmer bezeichnet, das der Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal dient. Des Weiteren ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die häufig als Mikrocontroller ausgeführt ist und in der die vom Sensorelement generierten Messsignale aufbereitet, d.h. verstärkt, und zumeist auch schon verarbeitet werden. Die Auswerteinheit ist ausgangsseitig mit einer Kommunikationsschnittstelle verbunden, über die die aufbereiteten Messsignale an die bereits erwähnte Steuereinheit übertragen werden können.
  • Darüber hinaus ist in der Automatisierungstechnik die Verwendung eines Standard-Kommunikations-Schnittstellentreiber bekannt, der dem IO-Link-Standard entspricht. Der IO-Link-Standard ist ein spezielles Kommunikationssystem der Industrieautomatisierung, der zur Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren, die auch als Feldgeräte bezeichnet werden, an die Steuereinheit dient. Der IO-Link-Standard ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung „Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators“ (SDCI) normiert. Die Standardisierung umfasst dabei sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit der Steuereinheit in Datenaustausch treten.
  • Im Zuge der allgemein fortschreitenden Digitalisierung besteht ein zunehmender Bedarf, an Daten des Sensors sowie an die zwischen dem Sensor und der Steuereinheit ausgetauschten Kommunikationsdaten zu gelangen, um eine Überwachung oder Auswertung von einzelnen Daten auch außerhalb der Steuerung vornehmen zu können. Allerdings ist es mit erheblichem Aufwand verbunden und dem Anlagenbetreiber zum Teil sogar untersagt, nachträglich in das eingerichtete Kommunikationssystem zwischen Steuerung und Sensor einzugreifen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik derart weiterzubilden, dass es dem Anwender ermöglicht, auf einfache Weise auf die Daten eines in dem Kommunikationssystem befindlichen Sensors zugreifen zu können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Y-Weicheneinheit für ein solches Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist die Kommunikationsleitung, über die nach dem IO-Link-Standard die Steuerung als Datenempfänger und ein Sensor als Datenquelle digitale Daten als Spannungssignale austauschen, in zwei Teilleitungen unterteilt und an der Verbindungsstelle eine Y-Weicheneinheit eingesetzt. Der Begriff ,Y-Weicheneinheit‘ ergibt sich aus der Tatsache, dass sensorseitig ein erster Anschluss und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss vorgesehen sind. Dabei ist am zweiten Anschluss die Steuerung und an dem dritten Anschluss ein weiterer Datenempfänger angeschlossen. Des Weiteren umfasst die Y-Weicheneinheit einen Mikrocontroller, in dem der Sensor softwaremäßig nachgebildet ist, so dass der weitere Datenempfänger Daten des Sensors abfragen kann, ohne auf den Sensor oder dessen Kommunikation mit der Steuerung direkt zu- bzw. eingreifen zu müssen. Entscheidend dabei ist also, dass die Signale vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss, d.h. vom Sensor zu Steuerung, in der Y-Weicheneinheit direkt und unverändert weitergegeben, sozusagen durchgeschleift werden, während die Verbindung zwischen erstem und drittem Anschluss dadurch gekennzeichnet ist, dass die Signale hier in der Y-Weicheneinheit über den Mikrocontroller geführt werden.
  • Im Ergebnis „sehen“ damit - völlig unabhängig voneinander - sowohl die Steuerung als auch der weitere Datenempfänger den Sensor, wodurch ein digitaler Zwilling geschaffen wurde. Es ist also eine Möglichkeit geschaffen, den Sensor außerhalb der eigentlichen Verbindung zwischen Sensor und Steuerung sozusagen virtuell nachzubilden bzw. zu imitieren, um den Zugriff auf dessen Daten zuzulassen, ohne in unzulässiger Weise die Kommunikation mit der Steuerung zu beeinflussen.
  • Anders als die Steuerung, die lesend und schreibend auf den Sensor zugreifen kann, kann der weitere Datenempfänger die Sensordaten nur lesend verarbeiten. Es wird also eine Art Firewall und damit ein hohes Maß an Sicherheit erreicht, da jedweder Eingriff in das Steuerungsnetz verhindert wird, während gleichzeitig aber auf die Sensordaten außerhalb des Steuerungsnetzes zugegriffen werden kann.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der weitere Datenempfänger eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Firmennetzwerk und/oder einem tragbaren Datenverarbeitungsgerät (Tablet, Smartphone, Laptop etc.) aufweist. Die Verbindung kann dabei drahtgebunden, bspw. über LAN oder USB, aber auch drahtlos, bspw. via Bluetooth oder WLAN, erfolgen. Damit besteht die Möglichkeit, die Sensordaten aus dem Datenempfänger auslesen und weiter verarbeiten zu können. Die Sensordaten sind dann - unabhängig voneinander - sowohl im Steuerungsnetz als auch in einem herkömmlichen Firmennetzwerk bzw. auf mobilen Datenverarbeitungsgeräten verfügbar, und das trotz einer häufig geforderten strikten Trennung dieser beiden Netze.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1 ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik und
    • 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Y-Weicheneinheit.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem 1 der Automatisierungs- und Prozesstechnik dargestellt. Im Mittelpunkt steht eine Y-Weicheneinheit 10 mit drei Anschlüssen 10a, 10b, 10c, wobei ein erster Anschluss 10a sensorseitig angeordnet ist und die anderen beiden Anschlüsse 10b, 10c steuerungsseitig angeordnet sind.
  • An dem ersten Anschluss 10a ist ein Sensor 3 angeschlossen. Dabei kann es sich um jedwede Art von Sensor bzw. Messgerät handeln, der bzw. das in der Automatisierungs- und Prozesstechnik üblich ist, insbesondere ein Druck-, Temperatur-, Strömungs- oder Füllstandsensor. Entscheidend ist, dass es sich dabei um einen intelligenten Sensor handelt, der zum Austausch von digitalen Daten mit einer Steuerung, bspw. einer SPS, nach dem IO-Link-Standard geeignet ist. Neben den reinen Messdaten sind damit vor allem Daten gemeint, die den Sensor selbst kennzeichnen, wie z.B. eine Seriennummer, eine Kennung, Diagnose- oder Parameterdaten.
  • Eigentlich ist der Sensor 3 direkt und unmittelbar über eine Kommunikationsleitung mit der Steuerung 2 verbunden. Wenn der Betreiber einer solchen Kommunikationsanlage aber die Daten des Sensors 3 oder an die zwischen dem Sensor 3 und der Steuerung 2 ausgetauschten Kommunikationsdaten zwecks Überwachung oder Auswertung gelangen möchte, war er an die Möglichkeiten gebunden, die ihm die Steuerung bietet. Durch das Einsetzen der Y-Weicheneinheit 10 zwischen Sensor 3 und Steuerung 2 wird die geforderte direkte Verbindung nicht gestört oder unterbrochen. Dem Betreiber wird dadurch jedoch eine Möglichkeit gegeben, auch ohne diese direkte Verbindung zu beeinflussen und damit auf zulässige Weise, die gewünschten Daten von einem weiteren Datenempfänger 4 abgreifen zu können. Die Steuerung 2 ist am zweiten Anschluss 10b und der weitere Datenempfänger 4 am dritten Anschluss 10c an der Y-Weicheneinheit 10 angeschlossen. Denkbar ist, die Verbindung zwischen der Y-Weicheneinheit 10 und dem weiteren Datenempfänger 4 auch drahtlos auszugestalten, wodurch sich ein hohes Maß an Flexibilität ergibt.
  • Der Datenempfänger 4 weist optional, deswegen gestrichelt dargestellt, eine Schnittstelle 5 zur Verbindung mit einem Firmennetzwerk 5a und/oder einem tragbaren Datenverarbeitungsgerät (Tablet, Smartphone, Laptop etc.) auf. Die Verbindung kann dabei drahtgebunden, bspw. über LAN, USB, oder drahtlos, bspw. via Bluetooth oder WLAN, erfolgen. Damit besteht die Möglichkeit, die Sensordaten aus dem Datenempfänger 4 auslesen und weiter verarbeiten zu können. Die Sensordaten sind dann - unabhängig voneinander - sowohl im Steuerungsnetz 2 als auch in einem herkömmlichen Firmennetzwerk 5a bzw. auf mobilen Datenverarbeitungsgeräten verfügbar.
  • In 2 ist die Y-Weicheneinheit 10 detailliert in Form eines Blockschaltbilds dargestellt. Die drei Anschlüsse 10a, 10b, 10c umfassen jeweils vier Pins, wobei mit „+“ und „-“ jeweils die positive bzw. negative Betriebsspannung gemeint ist. Um die Figur nicht zu überfrachten wurde auf eine explizite Verdrahtung dieser Pins verzichtet und die Anschlussmöglichkeiten daher nur angedeutet. Des Weiteren gibt es jeweils einen Pin für den Abgriff der erfassten Messwerte, hier beispielhaft in Form eines Analogsignals, sowie einen Pin, über den digitale Signale nach dem IO-Link-Standard übertragen werden.
  • Wie aus 2 zu entnehmen ist, werden nach dem ersten Anschluss 10a sowohl die Leitung für das Analogsignal als auch die Leitung für das IO-Link-Signal aufgeteilt und zum einen direkt dem zweiten Anschluss 10b zugeführt, an dem die Steuerung 2 angeschlossen ist, und zum anderen dem dritten Anschluss 10c zugeführt, an dem der weitere Datenempfänger 4 angeschlossen ist, wobei das IO-Link-Signal zuvor noch einem Mikrocontroller 11 zugeführt wird, der einen Protokollanalysator sowie einen IO-Link Stack umfasst. Hier wird der Sensor 3 softwaremäßig, d.h. virtuell nachgebildet.
  • Diese virtuelle Nachbildung passiert dabei so, dass die am ersten Anschluss 10a ankommenden Sensordaten von einem Protokollanalysator dahingehend untersucht werden, ob es Daten gemäß des IO-Link Protokolls sind. Die für die virtuelle Nachbildung wichtigsten Daten werden dabei in der Hochlaufphase zwischen der Steuerung 2 und dem Sensor 3 ausgetauscht. Für den Fall, dass die Hochlaufphase nicht erfasst werden kann, kann alternativ auch die Device Description des Sensors 3, auch als IODD bezeichnet, auf den Microcontroller 11 aufgespielt werden. Das Besondere hierbei ist, dass es sich dabei nur um einen Device-Stack, und nicht um einen Master-Stack handelt. Damit sind grundlegende Berechtigungen, wie insbesondere die Schreibmöglichkeit, definiert. Da die Möglichkeit, schreibend auf den Sensor 3 zugreifen zu können, ausschließlich einem Master-Stack vorbehalten ist, ist hier bereits eine Firewall-Funktion eingerichtet und der Zugriff aus Sicht des Datenempfängers 4 auf den Sensor 3 verhindert. Darüber hinaus wird die Firewall-Funktion zusätzlich verstärkt, da im Protokollanalysator der Schreibzugriff auf den Sensor 3 softwaremäßig ebenfalls verhindert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kommunikationssystem
    2
    Steuerung, SPS
    3
    Sensor
    4
    Datenempfänger
    5
    Schnittstelle
    5a
    Firmennetzwerk
    10
    Y-Weicheneinheit
    10a
    erster Anschluss
    10b
    zweiter Anschluss
    10c
    dritter Anschluss
    11
    Mikrocontroller

Claims (5)

  1. Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik, mit einer Steuerung (2) als Datenempfänger und einem Sensor (3) als Datenquelle, die nach dem IO-Link-Standard über eine Kommunikationsleitung digitale Daten als Spannungssignale austauschen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsleitung in zwei Teilleitungen unterteilt ist und an der Verbindungsstelle eine Y-Weicheneinheit (10) eingesetzt ist, wobei an der Y-Weicheneinheit (10) sensorseitig ein erster Anschluss (10a) und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss (10b, 10c) vorgesehen sind, wobei am zweiten Anschluss (10b) die Steuerung (2) und an dem dritten Anschluss (10c) ein weiterer Datenempfänger (4) angeschlossen ist, wobei die Y-Weicheneinheit (10) einen Mikrocontroller (11) umfasst, in dem der Sensor (3) softwaremäßig nachgebildet ist, so dass der weitere Datenempfänger (4) Daten des Sensors (3) abfragen kann, ohne auf den Sensor (3) oder dessen Kommunikation mit der Steuerung (2) direkt zu- bzw. eingreifen zu müssen, und wobei Signale vom ersten Anschluss (10a) zum zweiten Anschluss (10b) in der Y-Weicheneinheit (10) direkt und unverändert weitergegeben werden, während Signale zwischen dem ersten Anschluss (10a) und dem dritten Anschluss (10c) in der Y-Weicheneinheit (10) über den Mikrocontroller (11) geführt werden.
  2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (11) einen Protokollanalysator sowie einen Protokollstack nach dem IO-Link-Standard umfasst.
  3. Kommunikationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Protokollstack als Device-Stack ausgebildet ist, der prinzipiell keine Schreibzugriffe erlaubt.
  4. Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Datenempfänger (4) eine Schnittstelle (5) zur Verbindung mit einem Firmennetzwerk (5a) und/oder einem tragbaren Datenverarbeitungsgerät aufweist.
  5. Y-Weicheneinheit für ein Kommunikationssystem der Automatisierungs- und Prozesstechnik, das eine Steuerung (2) als Datenempfänger und einen Sensor (3) als Datenquelle umfasst, wobei zwischen Steuerung (2) und Sensor(3) digitale Daten nach dem IO-Link-Standard über eine Kommunikationsleitung als Spannungssignale ausgetauscht werden, dadurch gekennzeichnet, dass sensorseitig ein erster Anschluss (10a) und steuerungsseitig ein zweiter und ein dritter Anschluss (10b, 10c) vorgesehen sind, wobei der zweite Anschluss (10b) zur Verbindung mit der Steuerung (2) vorgesehen ist und der dritte Anschluss (10c) zur Verbindung mit einem weiteren Datenempfänger (4) vorgesehen ist, wobei die Y-Weicheneinheit (10) einen Mikrocontroller (11) umfasst, in dem der Sensor (3) softwaremäßig nachgebildet ist, so dass der weitere Datenempfänger (4) Daten des Sensors (3) abfragen kann, ohne auf den Sensor (3) oder dessen Kommunikation mit der Steuerung (2) direkt zu- bzw. eingreifen zu müssen, und wobei Signale vom ersten Anschluss (10a) zum zweiten Anschluss (10b) in der Y-Weicheneinheit (10) direkt und unverändert weitergegeben werden, während Signale zwischen dem ersten Anschluss (10a) und dem dritten Anschluss (10c) in der Y-Weicheneinheit (10) über den Mikrocontroller (11) geführt werden.
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