Davon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
die Verfügbarkeit
der Funkstrecke zu erhöhen.
Ferner soll die Inbetriebnahme der Funkstrecke vereinfacht und deren
Reichweite erhöht
werden.
Das
Problem wird gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass mittels eines Regelkreises
eine automatische Frequenzkorrektur durchgeführt wird, wobei aus einer vorgegebenen
Oszillatorfrequenz fNCO1 und der Sendefrequenz
fs in einem Mischer eine Zwischenfrequenz
fZF ermittelt wird, wobei eine Zwischenfrequenzabweichung ΔfZF zwischen der ermittelten Zwischenfrequenz
fZF und einer von dem Empfänger benötigten Zwischenfrequenz
fZFE in einem Register abgespeichert und
mit einem Softwarebaustein ausgelesen wird, wobei in Abhängigkeit
der Zwischenfrequenzabweichung ΔfZF ein Oszillator auf eine neue Oszillatorfrequenz
fNCO2 derart eingestellt wird, dass die
Zwischenfrequenzabweichung ΔfZF ausgeregelt wird.
Gemäß der Erfindung
wird eine automatische Frequenzkorrektur durchgeführt. Dabei
ist vorgesehen, dass mit Hilfe einer Oszillatorfrequenz fNCO1 und eines Mischers aus einer Eingangsfrequenz
fE eine Zwischenfrequenz fZF ermittelt
wird. Eine Frequenzabweichung Δf
zwischen der ermittelten Zwischenfrequenz fZF und einer
empfangsseitig benötigten
Zwischenfrequenz fZFE wird in einem Register
wie AFC-Register bereitgestellt und mit einer Software ausgelesen.
Mit Hilfe dieser Zwischenfrequenzabweichung ΔfZF wird
nun der Oszillator verstellt und somit eine neue Oszillatorfrequenz
fNCO2 in den Mischer eingespeist.
Dabei
ist vorgesehen, dass während
des Lesens eines Sendeprotokolls durch das AFC-Register (Zwischenfrequenzabweichungsregister)
ein Mittelwert gebildet wird. Mit Hilfe dieses Mittelwerts erfolgt
eine Korrektur des numerisch kontrollierten Oszillators des Empfängers.
In
einer bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die Frequenzkorrektur
während
des Lesens eines Sendeprotokolls erfolgt. Alternativ kann die Frequenzkorrektur
auch kontinuierlich erfolgen.
Da
es sich bei der sicherheitsgerichteten Funkstrecke um eine Strecke
im „Ruhestromprinzip" handelt und die
Gefahr bestünde,
dass im laufenden Betrieb einer der beiden Oszillatoren (Empfänger oder
Sender) wegdriften kann, ist vorgesehen, dass die automatische Frequenzkorrektur
in einem zeitlich definierten Raster durchgeführt wird.
Das
Problem wird des Weiteren gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 7 dadurch gelöst, dass zunächst die
Empfindlichkeit des Empfängers
bis zur Unterbrechung des Rauschens verstellt wird, so dass die
Nutzdaten erkannt werden und der Empfänger auf die Nutzdaten synchronisiert
wird. Nach erfolgreicher Synchronisation wird die Rauschunterdrückung ausgeschaltet,
da der Empfänger
nun die Telegramme bzw. Senderdaten nach einem zeitlich definierten
Ablauf erwartet.
Mit
dieser Maßnahme
ist es bei zeitlich bekannten Telegrammen, wie beispielsweise bei
der vorliegenden sicherheitsgerichteten Funkstrecke, möglich, die
Reichweite zu erhöhen,
denn mit Hilfe des Zeitrasters kann nun die Basisstation gezielt
auf den ankommenden Rausch- und Datenstrom reagieren.
Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich nicht nur aus den Ansprüchen,
den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination
-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung
zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es
zeigen:
1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Anordnung
zur Erfassung, Übertragung
und Verarbeitung sicherheitsgerichteter Signale,
2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung
zur Erfassung, Übertragung
und Verarbeitung sicherheitsgerichteter Signale,
3 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Anordnung
zur Erfassung, Übertragung
und Verarbeitung sicherheitsgerichteter Signale,
4 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Anordnung
zur Erfassung, Übertragung
und Verarbeitung sicherheitsgerichteter Signale,
5 eine
schematische Darstellung einer fünften
Ausführungsform
einer Anordnung zur Erfassung, Übertragung
und Verarbeitung sicherheitsgerichteter Signale,
6 eine
schematische Darstellung eines Übertragungsrahmens
für zu übertragende
Telegramme,
7 einen
schematischen Aufbau eines Telegramms mit sicherheitsgerichteten
Informationen,
8 einen
schematischen Aufbau eines Telegramms mit zusätzlichen Informationen,
9 ein
schematisches Zeitdiagramm einer ersten Variante eines Sendezyklus,
10 ein
schematisches Zeitdiagramm einer zweiten Variante eines Sendezyklus,
11 ein
schematisches Zeitdiagramm einer dritten Variante eines Sendezyklus,
12 ein
schematisches Zeitdiagramm einer vierten Variante eines Sendezyklus,
13a, b ein schematischer Verlauf eines Sendespektrums
sowie ein schematischer Verlauf eines Empfangsspektrums mit Frequenzabweichung,
14 eine
schematische Darstellung eines Regelkreises zur automatischen Frequenzkorrektur,
15a, b, c Zeitdiagramme zur Darstellung der Synchronisation
zwischen Sender und Empfänger,
16 Spannungs-Temperaturkurven
eines AD-Wandlers,
17 Spannungs-Temperaturkurven
mit zugehörigen
Spannungstabellen,
18 Spannungs-Temperaturkurven
mit zugehörigen
Spannungstabellen,
19 ein
Kalibrationsschema eines Mobilteils,
20 ein
erstes Kalibrationsschema einer Basisstation und
21 ein
zweites Kalibrationsschema einer Basisstation.
1 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer Anordnung 10 zur Erfassung, Übertragung und Verarbeitung
sicherheitsgerichteter Signale. Die Anordnung 10 umfasst
eine Mobilstation 12 wie beispielsweise ein mobiles Handgerät, welches
sicherheitsgerichtet Signale S über
eine Funkstrecke 14 zu einer Basisstation 16 überträgt.
Die
Mobilstation 12 umfasst eine einkanalige Erfassungseinheit 18 wie
Mikroprozessor mit Ausgängen 20 und
Eingängen 22,
wobei jeweils einer der Ausgänge 20 mit
einem der Eingänge 22 über ein
Eingabemittel 24 wie beispielsweise ein Tastschalter, welcher
als Öffner
ausgebildet ist, miteinander verbunden werden kann. Die Eingänge 22 können auch
als sichere Eingänge
bezeichnet werden, die einer Sicherheitskategorie wie beispielsweise
SIL1/KAT2 entsprechen. Bei dem von dem Eingabemittel 24 abgegebenen
Signalen kann es sich um Start-, Stop-, sowie um Zustimmungssignale
handeln. Aus den am Erfassungsmittel l8 anliegenden sicherheitsgerichteten
Signalen werden Signaldaten 26 generiert, die über einen
Sender 28 und die Funkstrecke 14 zu der Basisstation 16 übertragen
werden.
Des
Weiteren umfasst die Mobilstation 12 eine Energieversorgungseinheit 30 wie
Akkumulator zur Energieversorgung des Erfassungsmittels 18 und
des Senders 28. Die Energieversorgung für das Erfassungsmittel 18 und/oder
den Sender 28 kann mittels eines Eingabegeräts 32 wie
Not-Aus-Schalters unterbrochen werden. Hierzu ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
vorgesehen, dass die Mobilstation Anschlussklemmen 34, 36, 38, 40 aufweist,
wobei die Klemme 34 mit einem ersten Pol des Akkumulators 30 verbunden
ist, dessen zweiter Pol an Masse liegt. Die Klemmen 36 und 38 sind
intern über
eine Verbindung 42 verbunden, wobei die Klemme 40 intern
mit einem Energieversorgungseingang des Erfassungsmittels 18 und/oder
des Senders 28 über
eine Leitung 44 verbunden ist. Zur Verbindung bzw. Unterbrechung
der Energieversorgung weist das Eingabemittel 42 zwei Offnerkontakte 46, 48 auf,
welche jeweils mit den Kontakten 36, 34 bzw. 38, 40 verbunden sind.
Im geschlossenen Zustand des Eingabgeräts wird das Erfassungsmittel 18 und/oder
der Sender 28 mit Energie versorgt. Durch Betätigung des
Eingabegeräts 32 wird
die Versorgungsspannung unterbrochen, so dass keine Signale über den
Sender 28 gesendet werden können.
Die
Basisstation 16 umfasst einen Empfänger 50, dessen Ausgangssignale 52 mittels
Verarbeitungseinheiten 54, 56 verarbeitet werden.
Die Verarbeitungseinheiten 54, 56 sind als Mikroprozessoren
ausgebildet und über
eine Verbindung 58 miteinander gekoppelt, so dass die Signale
zweikanalig ausgewertet und miteinander verglichen werden können. Die
Basisstation 16 umfasst sichere Ausgänge 60.1, 60.2,
wobei jeder Ausgang mit jeweils einem Ausgang der Verarbeitungseinheit 54 und
einem Ausgang der Verarbeitungseinheit 56 verbunden ist.
Ferner sind nicht sichere Ausgänge 62.1, 62.2, 62.3 vorgesehen,
die beispielsweise an der Verarbeitungseinheit 56 angeschlossen
sind. Zur Energieversorgung der Basisstation ist eine Versorgungseinheit 64 vorgesehen,
welche mit einem Eingang 66 verbunden ist.
2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer Anordnung 68 zur Erfassung, Übertragung und Verarbeitung
sicherheitsgerichteter Signale. Im Folgenden werden gleiche Elemente
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Anordnung 68 umfasst
eine Mobilstation 70, die im Wesentlichen den gleichen
Aufbau aufweist, wie die Mobilstation 12 der Anordnung 10.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform
gemäß 1 ist ein
erster Pol 72 des Akkumolators 30 mit der Klemme 36 und
ein zweiter Pol 74 des Akkus 30 mit der Klemme 38 verbunden. Über einen Öffnerkontakt 76,
der mit den Klemmen 38 und 40 verbunden ist, ist
der zweite Pol 74 über
die Zuleitung 44 mit einem ersten Pol 78 des Erfassungsmittels 18 verbindbar.
Der erste Pol 72 des Akkumolators ist über einen Öffnerkontakt 80 mit
der Klemme 34 und über
eine weitere Zuleitung 82 mit einem zweiten Pole 84 des
Erfassungsmittels 18 verbindbar.
Gegenüber der
Ausführungsform
nach 1 zeichnet sich die Mobilstation 70 dadurch
aus, dass die Stromversorgung für
das Erfassungsmittel 18 zweipolig trennbar ist. Die Anordnung 68 weist
eine Basisstation 86 auf, welche sich gegenüber der
Basisstation 16 dadurch unterscheidet, dass eine erste
Empfangseinheit 88 und eine zweite Empfangseinheit 90 vorgesehen
ist. Dabei ist jeder Empfänger 88, 90 über eine
Verbindung 92, 94 mit der ersten 54 bzw.
zweiten Auswerteeinheit 56 verbunden. D.h., die empfangenen
Signale werden jeweils in den Auswerteeinheiten 54, 56 verarbeitet
und sodann über
die Verbindung 58 miteinander verglichen. Ferner sind sichere
Eingänge 96.1, 96.2 vorgesehen,
die mit den Auswerteeinheiten 54 und 56 verbunden
sind.
3 zeigt
rein schematisch eine dritte Ausführungsform einer Anordnung 98 zur
Erfassung, Übertragung
und Verarbeitung sicherheitsgerichteter Signale. Die Anordnung 98 umfasst
die Mobilstation 70, die der gemäß 2 entspricht.
Ferner umfasst die Anordnung 98 eine Basisstation 100,
welche einen Empfänger 102 aufweist,
der über
Verbin dungen 104, 106 mit jeweils einer der Auswerteeinheiten 54, 56 verbunden
ist. D.h., die in dem Empfänger 102 empfangenen
Signale werden jeweils auf die Empfangseinheiten 54, 56 geleitet
und in diesen über
die Verbindung 58 miteinander verglichen.
4 zeigt
eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform 108 einer
Anordnung zur Erfassung, Übertragung
und Verarbeitung sicherheitsgerichteter Signale. Die Mobilstation 70 entspricht
in ihrem Aufbau der Mobilstation der Ausführungsformen 68 und 98.
Die Anordnung 108 umfasst eine Basisstation 110,
die der Basisstation 86 entspricht und ebenfalls zwei Empfänger 88, 90 aufweist.
Im Unterschied zu der Ausführungsform
gemäß 2 sind
neben den Verbindungen 92, 94, die jeweils einen
der Empfänger
mit einer der Auswerteeinheiten 54, 56 verbinden,
zusätzliche
Verbindungen 112, 114 vorgesehen, welche die Empfänger jeweils
mit einer weiteren Empfangseinheit verbinden, so dass der Empfänger 88 mit
den Empfangseinheiten 54 und 56 der Empfänger 90 mit
den Empfangseinheiten 54, 56 verbunden ist. Über die
Verbindung 58 erfolgt sodann ein Vergleich der in den Empfangseinheiten 54, 56 empfangenen
Signale.
5 zeige
eine fünfte
Ausführungsform
einer Anordnung 116 zur Erfassung, Übertragung und Verarbeitung
sicherheitsgerichteter Signale. Diese Anordnung umfasst eine Mobilstation 118,
mit einem ersten Sender 120 und einem zweiten Sender 122,
welche über
Verbindungen 124, 126 mit der Erfassungseinheit 18 verbunden
sind. Die Basisstation 110 entspricht im Wesentlichen der
Basisstation gemäß 4,
mit zwei Empfängern 88, 90,
welche kreuzweise über
die Verbindungen 92, 94, 112, 114 mit
den Empfangseinheiten 54, 56 verbunden sind. Im
Unterschied zu den vorhergehenden Anordnungen 10, 68, 98, 108,
können
nunmehr unterschiedliche Funkstrecken 14, 128, 130, 132 ausgeführt werden,
wobei Sender 120 auf einen der Empfänger 98, 90,
bzw. der Sender 122 auf einen der Empfänger 88, 90 sendet.
Durch die beschriebenen Maßnahmen wird
die Verfügbarkeit
der Funkstrecke erhöht.
Dabei handelt es sich um eine physikalisch zweikanalige Funkstrecke.
Die
Anordnungen 10, 68, 98, 108 zeichnen
sich dadurch aus, dass die Mobilstation 12, 70 einkanalig aufgebaut
ist, wodurch ein einfacher und kostengünstiger Aufbau realisiert werden
kann, der auch eine miniaturisierte Bauform erlaubt. Die Mobilstation 12, 70 verfügt über die
Möglichkeit,
die an den sicheren Eingängen 22.1–22.4 durch
Eingabemittel 24 wie Zustimmungstaster,„+-Taster",„–-Taster" oder kundenspezifische
Eingabemittel erzeugten Signale über
die Funkstrecke 14 zu übertragen.
Bei den an den sicheren Eingängen 22.1–22.4 anliegenden
Signalen handelt es sich um Signale geringer Sicherheitsstufe, wie
beispielsweise KAT2/SIL1. Zur Übertragung
von Signalen dieser Sicherheitsstufe ist eine zweikanalige Erfassung
und zweikanalige Übertragung
nicht zwingend vorgesehen.
Des
Weiteren besteht die Möglichkeit,
zumindest ein Signal einer höheren
Sicherheitskategorie wie KAT4/SIL3 zu übertragen. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Energieversorgung 30 der Mobilstation 12, 70 mittels
des Befehlsgerätes 32,
welches beispielsweise als Not-Aus-Schalter ausgebildet ist, ein- oder
zweipolig zu unterbrechen. Über
den Eingang 40, der auch als SIL3-Eingang bezeichnet werden
kann, wird die Versorgungsspannung des Erfassungsmittels 18 und/oder
des Senders 28 abgeschaltet. Dies hat zur Folge, dass keine
Signale mehr gesendet werden können.
Durch
die der Sicherheitsstufe SIL3 entsprechende Basisstation 16 erfolgt
eine zweikanalige Überwachung
der Funkstrecke mittels Zeiterwartungshaltung. Bei einem Ausbleiben
von Signalen werden die sicheren Ausgänge 60.1, 60.2 in
den sicheren Zustand geschaltet.
Auf
einen bidirektionalen Datenverkehr zwischen Mobilstation 12, 70 und
Basisstation 16, 100, 110 kann somit
verzichtet werden, ohne dass durch diesen Verzicht die Anforderungen
an eine sicherheitsgerichtete Funkstrecke verletzt werden. Ein sicherheitsgerichteter
Steuerbefehl des Eingabegeräts 32 kann
im Hinblick auf die Wirkung des Verfahrens insofern einfach durch
die Unterbrechung der Versorgungsspannung der Komponenten der Mobilstation 12 realisiert
werden.
Wie
bereits erwähnt,
kann das Befehlsgerät 32 als
Not-Aus-Schalter der Kategorie SIL3/KAT4 ausgebildet sein, wobei
die Eingabemittel 24 beispielsweise als Zustimmungstaste
der Kategorie SIL1/KAT2 entsprechen. Auch besteht die Möglichkeit,
dass das Befehlsgerät 32 ein
Zustimmungstaster der Kategorie SIL3/KAT4 ist und mit den Ausgängen 34, 36, 38, 40 verbunden
ist, wobei die Eingabemittel 24 dann z.B. als Start-Taster, Stopp-Taster und/oder Tipp-Taster
ausgebildet sind.
Die
Basisstation 16, 86, 100, 110 verfügt über zwei
Halbleiterausgänge 60.1, 60.2,
die einem Ausgang der Sicherheitskategorie KAT4/SIL3 entsprechen,
deren Funktion in Abhängigkeit
der Eingänge
der Mobilstation 12, 70, 118 parametriert
werden können.
Die nicht sicheren Ausgänge 62.1–62.3 können ebenfalls
in ihrer Funktion in Abhängigkeit
der Eingänge 22.1–22.4 der
Mobilstation 12, 70, 118 parametriert
werden. Den Ausgängen
können
Funktion wie „keine
Funkstrecke verfügbar" und/oder „bitte
Testung am Mobilteil einleiten" sowie
kundenspezifische Informationen zugeordnet werden.
Die
Eingänge 96.1 und 96.2 können als
sichere Eingänge
der Sicherheitskategorie KAT4/SIL3 bezeichnet werden und können zur
Aktivierung der Funkstrecke 14 verwendet werden.
Wie
bereits zuvor erwähnt,
werden nur die Signale der sicheren Eingänge 20, 22 über die
Funkstrecke 14 zu der Basisstation 16 übertragen.
Die Mobilstation 18 muss deshalb zumindest der Sicherheitskategorie SIL1
entsprechen. Beim Initialisieren der Funkstrecke 14 kann
eine Testung der Mobilstation und der Funkstrecke durch die Basisstation 16 erfolgen,
indem die Basisstation erst die sicheren Ausgänge 60.1–60.2 freigibt, wenn
jeder Eingang 22.1–22.4 der
Mobilstation 12 mindestens einmal betätigt wurde. Das Erfassungsmittel 18,
verfügt über mindestens
vier Ausgänge 20.1–20.4 und
mindestens vier Eingänge 22.1–22.4,
wobei jeder Eingang 22.1–22.4 über ein
Befehlsgerät 24 mit
einem der Ausgänge 20.1–20.4 verbindbar
ist. Erkennt das Erfassungsmittel 18 an einem Eingang 22.1–22.4 das
Potential „HIGH" so kann durch das
Abschalten des zugeordneten Ausgangs 20.1–20.4 eine
Testung durchgeführt
werden.
6 zeigt
einen möglichen Übertragungsrahmen 14,
der vorzugsweise eine dreifache Wiederholung eines Telegramms ST
mit sicherheitsgerichteten Informationen und anschließend die Übertragung
eines Telegramms ZT mit zusätzlichen
Informationen vorsieht. Der Aufbau des Telegramms ST ist in 7 dargestellt.
Das
Telegramm ST besteht aus einem Identifier-Teil ID der jeweiligen
Mobilstation
12,
70,
118 mit einer Länge von
10 Bit, einem Zähler-Teil
CNT mit einer Länge
von 2 Bit, einem Daten-Teil DATA, welcher den Status der SIL1-Eingänge
22.1–
22.4 repräsentiert, mit
einer Länge
von 4 Bit und einem Prüfsummen-Teil
CRC mit einer Länge
von 16 Bit. Somit umfasst die Telegrammlänge insgesamt 32 Bit und erreicht
eine Hemmingdistanz von 4. Zur Erhöhung der Hemmingdistanz auf
einen Wert von 12 besteht die Möglichkeit,
das Telegramm insgesamt dreimal zu senden. Damit ergeben sich folgenden
Werte:
Für SIL1 muss
A < 10–5 sein,
so dass im vorliegenden Fall diese Anforderungen erreicht werden.
Nachdem
einer der Mobilstationen 12, 70, 108 ein
Identifier ID vergeben wurde, können
nur 6 Bits im Datenteil DATA-variabel sein, d.h., 2 Bit für den Zähler CNT
und 4 Bit für
die Daten. Daraus folgt, dass die Prüfsumme CRC maximal 26 = 64 verschiedene Werte annehmen kann.
Diese Werte werden in der Mobilstation in einer Tabelle abgelegt,
um Performance und Platz zu sparen. In der Basisstation wird der
Algorithmus jedoch vollständig
nachgebildet.
Der
Aufbau des Telegramms ZT ist in 8 dargestellt.
Das Telegramm ZT umfasst ein Batterie-Teil mit der Länge von
einem Bit, welcher den Zustand der Batterie wiedergibt. Ferner ist
ein Betrieb-Teil vorgesehen, welches die Länge von einem Bit umfasst und
den Betriebszustand der Mobileinheit repräsentiert. Ferner ist ein Kalib-Teil
vorgesehen, welches ebenfalls die Länge von einem Bit umfasst und
anzeigt, dass das Mobilteil eine Kalibration durchführt. Ferner
ist ein Reserveteil mit der Länge
von 5 Bit vorgesehen.
Die 9–12 zeigen
mögliche
Aufbauten von Sendezyklen als Zeitdiagramme. 9 zeigt
eine erste Variante eines Sendezyklus 136 mit Duty Cycle
von etwa 20 %, d.h., eine Ausschaltzeitdauer 138 von ca.
40 ms und einer Einschaltzeitdauer 140 von ca. 10 ms. In der
Einschaltzeitdauer 140 werden vorzugsweise 3 Telegramme
ST übertragen
und zwar in einem Frequenzband von 433 MHz.
10 zeigt
einen Sendezyklus 142 mit 100 % Duty Cycle im 868 MHz-Frequenzband.
Dabei werden ohne Unterbrechung jeweils 3 Telegramme innerhalb einer
Zeitdauer von 10 ms übertragen.
Eine
bevorzugte Variante eines Sendezyklus 144 ist in 11 dargestellt,
wobei mit abwechselnden Frequenzen beispielsweise 433 MHz und 868
MHz und einem Duty Cycle von 10 % jeweils 3 Telegramme in Intervallen
gesendet werden.
12 zeigt
eine Variante eines Sendezyklus 146 mit 100 % Duty Cycle
im 433 MHz und 868 MHz-Frequenzband bei Anordnung von zwei Sendern,
wie dies beispielsweise in der Anordnung 116 der Mobilstation 118 und
den Sendern 120, 122 dargestellt ist. Dabei sind
auch zwei Empfänger 88, 90 vorgesehen, wobei
die Sender 120, 122 gleichzeitig senden um somit
eine zweikanalige Funkstrecke aufzubauen.
Selbstverständlich sind
auch Kombinationen der Sendezyklen gemäß 9–12 denkbar,
wie z.B. der Sendezyklus 142 gemäß 10 mit
433 MHz-Frequenzband oder auch in anderen Frequenzbändern oder der
Sendezyklus 144 mit zusätzlichen
Frequenzbändern
und den in 11 dargestellten Pausenzeiten
oder in mit anderen Frequenzkombinationen und/oder der Sendezyklus 136 gemäß 9 in
anderen Frequenzbändern.
Bei
der Übertragung
eines Telegramms ST wird von einer Bautrage von beispielsweise 19.200
Baud ausgegangen.
Wie
aus dem Sendezyklus zu erkennen ist, wird nur alle 40 ms für ca. 10
ms. gesendet. Ist ein Telegramm 68 gestört, so muss das nächste Telegramm
korrekt von der Basisstation 16 empfangen werden, sonst geht
die Basisstation 16 in den sicheren Zustand.
Um
zu verhindern, dass Signale von zwei oder mehreren Mobilstationen 12 verwechselt
werden, sind Vorkehrungen getroffen. Dabei ist vorgesehen, dass
jede Mobilstation l2 auf einer anderen Frequenz sendet und
jeweils einen eigenen Identifizierer ID besitzt ist. Ferner wird
der Zählerstand
CNT jeder Mobilstation 12 von der Basisstation 16 überwacht.
Auch das Senden der Signale muss genau nach dem in 3 gezeigten Sendezyklus
stattfinden, da ansonsten die Basisstation 16 in ihren
sicheren Zustand schaltet.
Bei
der Erstinbetriebnahme von Mobilstation und Basisstation wird eine
Konfigurationssoftware mit Hilfe eines Personal Computers über eine
serielle Schnittstelle übertragen.
Bei der Erstinbetriebnahme wird sodann mittels der Konfigurationssoftware
der jeweilige Identifier ID der Mobilstation eingestellt. Gleichzeitig
wird von der Konfigurationssoftware eine Tabelle von CRC-Werten
ermittelt und in die Mobilstation 12 übertragen. Zur Konfiguration
der Basisstation 16 werden die Identifier ID der Mobilstationen 12 und
die an den Mobilstationen belegten Eingänge 22.1–22.4 übermittelt
und das Verhalten der vorhandenen Ausgängen 60.1–60.2; 62.1–62.3 konfiguriert.
Abhängig von
einem sicheren Eingang 96.1, 96.2 wird die Funkstrecke 14 aktiviert
bzw. deaktiviert. Davon abhängig
werden auch die sicheren 60.1–60.2 bzw. nicht sicheren
Ausgänge 62.1–62.3 der
Basisstation 16 gesetzt. Dabei prüft die Basisstation bei jeder
Aktivierung und/oder nach einer bestimmten Zeit, ob alle Konfigurierten
Eingänge 22.1–22.4 der
Sicherheitskategorie SIL1 einmal geöffnet und/oder geschlossen
wurden, bevor die Basisstation 16 einen der sicheren Ausgänge 60.1–60.2 freigibt.
Wird
beispielsweise über
den sicheren Eingang 96.1 das Signal „Schutztür geöffnet/geschlossen" zur Verfügung gestellt,
läuft eine
von der Basisstation angesteuerte Maschine auch ohne Funkstrecke,
wenn die Schutztür
geschlossen ist, und läuft
nur in Betrieb der Funkstrecke und Freigabe, wenn die Schutztür geöffnet ist.
Mit
dem beschriebenen Verfahren können
Signale von elektromechanischen, elektrischen und/oder elektronischen
Sicherheitsschaltgeräten 24, 32 zu
der – ebenfalls
sicherheitsgerichteten – Auswerteeinheit 54, 56 über die
Funkstrecke 14 übertragen
werden, wobei die Funkstrecke 12 durch fehlertolerierende
und/oder fehlerbeherrschende Maßnahmen
geeignet ist, die besonderen Anforderungen zu erfüllen, die
notwendig sind, um an Maschinen und maschinellen Anlagen eine so
genannte Personenschutzfunktion ausführen zu können, sie dafür aber andererseits
mit einem Minimum an Aufwand auskommt.
Insbesondere
werden die Anforderungen der EG-Maschinenrichtlinie (MRL) bzw. in
Deutschland im Gerätesicherheitsgesetz
(GSG) sowie in der – diese
gesetzlichen Vorschriften interpretierenden – IEC- und/oder EN-Normung,
z.B. in IEC 61508, EN 954-1 sowie PREN 13849-1 erfüllt.
Die
erfindungsgemäße Ausführungsform
zeichnet sich insbesondere durch ihre strukturellen Maßnahmen
wie einkanalige Erfassung sicherheitsgerichteter Signale geringer
Sicherheitsstufe KAT2/SIL1, durch besondere Überwachungsroutine wie Zeiterwartungshaltung
der Basisstation sowie Maßnahmen
der Datenintegrität
wie Zuordnung eines Identifiers ID zu jedem Mobil-Teil, Zuordnung
verschiedener Frequenzen zu den Mobilstationen, Überwachung des Zählerstands
der jeweiligen Mobilstation durch die Basisstation sowie das Senden
in einem vorgegebenen Sendezyklus.
Durch
die oben beschriebenen Maßnahmen
kann ein sicherheitsgerichteter Steuerungsbefehl durch die Unterbrechung
der Versorgungsspannung im Sender der Mobilstation 12 realisiert
werden.
Die
sicherheitsgerichtete Funkstrecke kann mit zusätzlichen Maßnahmen zur Störungsempfindlichkeit versehen
sein.
Da
aufgrund prinzipieller Überlegungen
die Realisation einer sicherheitsgerichteten Funkstrecke für Maschinensteuerungen
und ähnliche
Anwendungen analog dem Ruhestromprinzip von Sicherheitsstromkreisen
zu erfolgen hat, d. h. es besteht (im sogenannten Dauerstrich-Verfahren)
immer eine kontinuierliche oder – unter Berücksichtigung gesetzlich vorgeschriebener
und/oder noch zu erwartender Duty-cycles (= Begrenzung der Einschaltdauer) – eine quasi-kontinuierliche
Funkverbindung zwischen Sender und Empfänger, ergeben sich wesentlich
höhere
Verfügbarkeitsrisiken
für eine
auf diese Weise aufgebaute Funkstrecke, insbesondere dann, wenn
sie auf der Basis frei zugänglicher
Funkfrequenzen arbeitet.
Jede
Störung,
sei es durch Interferenzen, sei es durch „Funklöcher", kann zu einer Abschaltung (Unterbrechung)
führen
und damit zu einem ungewollten Maschinenstopp mit Not-Aus-vergleichbarer
Wirkung. Unter diesem Gesichtspunkt kommt erschwerend hinzu, dass
der Anwendungsbereich einer sicherheitsgerichteten Funkstrecke für Maschinenanwendungen
im Regelfall die Fabrikhalle ist, so dass – im Unterschied zu sogenannten
Freifeld-Anwendungen – mit
zusätzlichen
Reflektionen und auch mit veränderlichen
Störgrößen zu rechnen
ist.
Da
es vor der Inbetriebnahme der Funkstrecke möglich ist, verschiedene Frequenzen
einzustellen, können
mehrere gleichartige Sender parallel auf den Nachbarkanälen senden,
weil die Empfänger 88, 90 frequenzmäßig genau
auf dem gewünschten
Sender 120, 122 eingestellt sind. Dies wird im
Vorfeld durch eine Parametrierung von Empfänger und Sender festgelegt.
Da es jedoch bedingt durch Fertigungstoleranzen als auch durch Umwelteinflüsse wie
Temperatur oder Luftfeuchtigkeit zu Verschiebungen in den Sende-
als auch Empfangsfrequenzen kommen kann, ist ein Feinabgleich notwendig.
Dieser
kann als „automatische
Frequenzkorrektur" bezeichnet
werden. Hierbei ist zu beachten, dass ein „Ziehbereich", d. h. ein Bereich,
in dem sich der Empfänger
auf einen Sender einstellen kann, eingeschränkt wird, so dass es für den Empfänger unmöglich ist,
sich auf einen anderen Kanal abzustimmen. In den 13a und b sind ein Sendespektrum 148 sowie
ein Empfangsspektrum 150 rein schematisch dargestellt. Eine
Abweichung Δf
der beiden Spektren 148, 150, die sich aufgrund
von Umwelteinflüssen
und Bauteiltoleranzen ergeben kann, ist in 13b dargestellt.
Ziel ist es, die Frequenzabweichung Δf zu bestimmen und mit Hilfe
dieser Frequenzabweichung eine neue Frequenz zu berechnen, mit der
der Empfänger
neu eingestellt werden kann.
14 zeigt
eine schematische Anordnung eines Regelkreises 152 zur
automatischen Frequenzkorrektur, die beispielsweise in den Empfänger 88, 90 integriert
ist. Der Regelkreis 152 umfasst einen Mischer 154,
dem ein Eingangssignal mit einer Sendefrequenz fs sowie
eine Oszillatorfrequenz fNCO1 eines Oszillators 156 zugeführt wird.
Mit Hilfe der Oszillatorfrequenz fNCO und
des Mischers 154 wird aus der Sendefrequenz fs eine
Zwischenfre quenz fZF ermittelt. Eine Zwischenfrequenzabweichung ΔfZF zwischen der ermittelten Zwischenfrequenz
fZF und einer von dem Empfänger benötigten Zwischenfrequenz
fZFE wird vorzugsweise nach der Formel ΔfZF = fZF – fZFE berechnet und in einem Register 158 wie
AFC-Register eines mit dem Ausgang des Mischers 154 verbundenen
ZF-Verstärkers
gespeichert. Das Register kann durch einen Softwarebaustein 160 ausgelesen
werden. Mit Hilfe der Zwischenfrequenzabweichung ΔfZF wird nun der Oszillator 156 verstellt,
der eine neue Oszillatorfrequenz fNCO2 in
den Mischer 154 einspeist.
Es
ist vorgesehen, dass während
des Lesens eines Sendeprotokolls ein Mittelwert der Frequenz durch das
Frequenzabweichungsregister 158 gebildet wird. Mit Hilfe
dieses Mittelwerts wird die Korrektur des vorzugsweise numerisch
kontrollierten Oszillators 156 des Empfängers durchgeführt.
Die
automatische Frequenzkorrektur wird bei der Aufsynchronisation des
Empfängers
auf den Sender durchgeführt.
Weiterhin erfolgt eine automatische Frequenzkorrektur in einem zeitlich
definierten Raster, da es sich bei der sicherheitsgerichteten Funkstrecke
um eine Strecke im Ruhestromprinzip handelt und ansonsten die Gefahr
bestünde,
dass im laufenden Betrieb einer der beiden Oszillatoren, der Empfänger- oder
Senderoszillator, wegdriften könnte.
Bei
einer Aufsynchronisation des Empfängers 88, 90 auf
den Sender 120, 122 stellt sich das Problem, dass
zum einen für
den Empfänger 88, 90 nicht
bekannt ist, wo nun der Start des zeitlichen Rasters des Senders 120, 122 liegt
und zum anderen, dass zusätzliches
Rauschen die Aufgabe für
den Empfänger 88, 90 erschwert,
sich auf einen vorhandenen Sender 120, 122 einzustellen.
Ein „verrauschtes" Signal 162 ist
in 25a dargestellt.
Zur
Lösung
dieses Problems ist gemäß eines
eigenständigen
Erfindungsgedankens vorgesehen, dass die Empfindlichkeit des Empfängers derart
verstellt wird, dass Rauschen in dem Sendesignal unterdrückt wird, was
als Muting-Funktion bzw. „Squelch" bezeichnet werden
kann. Dabei bleiben zunächst
nur die Nutzdaten 164 übrig,
wie dies in 15b dargestellt ist. Der Empfänger 88, 90 hat
nun die Möglichkeit,
sich auf den erkannten Sender einzustellen und den Zeitablauf zu überwachen.
Die Einschaltung der Muting- bzw.
„Squelch"-Funktion hat jedoch
zur Folge, dass sich dadurch die Empfindlichkeit und die Reichweite verringert.
Daher wird nach dem Auffinden eines Datenpaketes die Empfindlichkeit
wieder erhöht,
indem die „Squelch-Funktion" ausgeschaltet wird,
wie dies in 15c dargestellt ist.
Mit
dieser Maßnahme
ist es bei zeitlich bekannten Telegrammen, wie dies bei der vorliegenden
sicherheitsgerichteten Funkstrecke der Fall ist, möglich, die
Reichweite zu erhöhen,
denn mit Hilfe des Zeitrasters kann nun die Basisstation 86 gezielt
auf den ankommenden Rausch- und Datenstrom 162 reagieren.
Bei
den in den 2, 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispielen
wird die Funkstrecke 14 aus insgesamt drei Transceivern 28, 88, 90 (Chip
CC 1020 der Firma Chipcon) gebildet, wobei ein Transceiver 28 in
der Mobilstation 70 und zwei weitere Transceiver 88, 90 in
der Basisstation 86 enthalten sind. Der in den Transceivern
enthaltene Phasenregelkreis 152 sowie der Oszillator 156 müssen sowohl
beim Starten des Systems als auch dann kalibriert werden, wenn die
Versorgungsspannung um beispielsweise 0,5 V schwankt oder sich die
Umgebungstemperatur um mehr als beispielsweise 40°C ändert.
Da
die Arbeitsweise der Funkstrecke dem zeitlichen Raster unterliegt,
müssen
für die
Mobilteile 70 vor jedem Sendebetrieb eine Kalibration ausgeführt werden;
da diese jedoch sehr zeitintensiv ist, werden hierzu die zuletzt
verwendeten Kalibrationsdaten geladen. Im Gegensatz sind die Transreceiver 88, 90 der
Basisstation 86 ständig
in Betrieb, wodurch bei ihnen ein zyklisches Nachladen der Kalibrationsdaten
entfällt.
Eine
Spannungsschwankung von beispielsweise 0,5 V kann sowohl in der
Basisstation 86 als auch in der Mobilstation 70 über das
Netzteil ausgeschlossen werden. Damit bleibt die Ursache einer Temperaturschwankung
von mehr als 40°C
zu beachten. Hierzu wird in der Basisstation 86 sowie im
Mobilteil eine Temperaturmessung durchgeführt. Bei einer erkannten Abweichung
von mehr als 30°C
werden die jeweiligen Transceiver 28, 88, 90 neu
kalibriert.
Die
Temperaturmessung wird dabei mittels eines Spannungsteilers mit
NTC Widerstand sowie einem Analog-Digital-Eingang an einem Microcontroller
realisiert. Durch die Toleranzen der Widerstände sowie die Ungenauigkeit
des AD-Wandlers ergeben sich zwei in 16 dargestellte
Kurven 166, 168, welche die Spannung in Abhängigkeit
der Temperatur darstellen. Die gemessene Temperatur kann damit eine
durch diese beiden Kurven begrenzte Temperatur sein. Die Vorgehensweise
einer Kalibration ist wie folgt:
- 1. Das System
wird erstmalig gestartet.
- 2. Der Baustein CC 1020, d. h. Phasenregelkreis mit Oszillator,
wird kalibriert, wobei die gemessene Spannung des AD-Wandlers gespeichert
wird.
- 3. Suchen des entsprechenden Spannungswertes in der aus dem
Diagramm gemäß 16 abgeleiteten Spannungstabellen,
wobei ein nächsthöherer Spannungswert
in der Tabelle UADMin eine untere Temperatur, ein nächstkleinerer
Spannungswert in der Tabelle UADMax eine obere Temperatur ergibt.
In diesem Fall kann sich die Temperatur in einem Bereich von beispielsweise
20°C bis
40°C bewegen,
wie dies in 17 dargestellt ist.
- 4. Bestimmung der nächsten
Kalibrationspunkte, wobei für
die zulässige
Temperaturabweichung beispielsweise 30°C zugelassen werden. Hiermit
ergibt sich ein neuer Wert ausgehend von 40°C auf der Kurve von UADMax von
beispielsweise 10°C
und auf der Kurve von UADMin sowie ausgehend von 20°C auf der
Kurve von UADMin ein Wert von 50°C
auf der Kurve von UADMax, wie dies in 18 dargestellt
ist.
Dies
entspricht einer Verschiebung zum zweiten kleineren Wert ausgehend
von beispielsweise 1,3 V in der Tabelle UADMax sowie einer Verschiebung
zum zweiten höheren
Wert ausgehend von beispielsweise 1,3 V in der Tabelle UADMin. Damit
ist die Kalibrierung in einem Spannungsbereich von 1,834 V bis 0,947
V gültig.
Falls dieser Spannungsbereich bei einer Messung verlassen wird,
muss erneut kalibriert werden.
Da
bei einer gleichzeitigen Kalibration von Mobilteil und Basisstation
die Gefahr besteht, dass die Funkstrecke abreißen kann, wird in den nachfolgenden
Punkten geklärt,
wie der Ablauf einer Kalibration ist.
Bei
einer vom Mobilteil erkannten Temperaturänderung geht das Mobilteil
in den Kalibrationsmodus. Hierzu überträgt es ein gesetztes Kalibrationsbit,
das in 19 mit KAL bezeichnet ist, für eine Kalibration
an den Controller A und B in der Basisstation 86. Nach
Beendigung des beispielsweise 6. Sendeframes startet das Mobilteil 70 seine
Kalibration, die nach weiteren beispielsweise vier Frames abgeschlossen
ist. Nach Abschluss der Kalibration setzt das Mobilteil 70 das
Kalibrationsbit im Sendeframe wieder auf Null zurück.
Die
Kalibration beginnt jeweils mit dem Frequenzband, das zuletzt übertragen
wurde, in diesem Fall also mit beispielsweise 868 MHz. Da das Mobilteil
nur aus einem Transceiver 28 besteht, fällt der nächste Frame für 433 MHz
bei der Übertragung
aus, der in dem Diagramm gemäß 19 mit
F4 bezeichnet ist. Dies ist der Basisstation 86 bekannt.
Es folgt nun eine weitere Übertragung
auf 868 MHz. Nach diesem Frame startet die Kalibration auf 433 MHz.
Nach Abschluss der Kalibration wird das Kalibrationsbit KAL wieder
auf Null zurückgesetzt.
Für den Fall,
dass während
eines laufenden Kalibrationsvorgangs in der Basisstation das Kalibrationsbit
in der Mobilstation gesetzt wird, hat dies keine Auswirkung, da
durch die Verschiebung der Mobilteilkalibration um sechs Frames
zeitlich nach hinten, sich die Mobilteilkalibration an die Basisstationkalibration
anschließt.
Die
Kalibration der Basisstation wird eingeleitet, wenn eine Temperaturänderung
erkannt wurde und ein Bit der Kalibration der Mobilstation 70 bis
zum Zeitpunkt der Einleitung auf Null gesetzt bleibt, wie dies im Diagramm
gemäß 20 dargestellt
ist.
Die
Einleitung der Kalibration der Basisstation 86 erfolgt
zeitlich gesehen nach dem Frame für 868 MHz über denselben Link an Controller
A. Hierbei spielt es keine Rolle, ob die Temperaturänderung
während des
Frames für
868 MHz oder zuvor stattgefunden hat.
Hierdurch
wissen die Controller A und B, dass mit dem Ende des nächsten Frames
für 868
MHz die Kalibrationsroutine mit B startet. Nach dem Ende des kommenden
Frames für
433 MHz startet die Kalibrationsroutine für Controller A. Da jeweils
ein Transceiver auf dem 433 MHz- bzw. 868 MHz-Band arbeitet, kommt es
bei der Kalibration der Basisstation 86 nicht zum Ausfall
eines Frames.
Falls
eine Temperaturänderung
erkannt wurde, aber das Kalibrationsbit der Mobilstation 70 auf
1 gesetzt wird, wird die Einleitung der Basisstation-Kalibration
solange nach hinten gestellt, bis das Bit wieder auf Null gesetzt
ist (21).
Ergänzend wird
vorgeschlagen, durch eine Kombination (in Summe oder auch nur teilweise)
folgender Maßnahmen
das Risiko von Störbeeinflussungen
einer sicherheitsgerichteten Funkstrecke auf ein Minimum zu reduzieren:
| Maßnahme 1: | Durch
geeignete Schaltungstechniken unter Verwendung von Oberflächenwellenfilter
sowie diskreten passiven oder auch aktiven Filterstufen wird die
Breitbandigkeit der Funksignale wesentlich eingeschränkt. |
| Maßnahme 2: | Die
Funkstrecke wird – um
eine Fehlertoleranz zu gewährleisten – in einem
geeigneten Mischbetrieb von zwei oder mehr Funkfrequenzen betrieben.
Eine bevorzugte Ausführungsform
besteht aus einem Dualband-System aufgebaut aus ISM- und SRD-Bereichen. |
| Maßnahme 3: | Auf
der Empfängerseite
werden zwei oder mehr Empfangsantennen realisiert. |
| Maßnahme 4: | Verwendung
von numerisch kontrollierten Oszillatoren (numeric controled oscilators
NCOs) bzw. Fractional N-Dividers (wie hier eingesetzt) zur hochauflösenden Einstellung
sowohl des Local Oszillators im Empfänger als auch der Trägerfrequenz
im Empfänger
bilden die Grundlage eines schmalbandigen bzw. selektiven Funkbetriebes
und der Immunität
gegenüber
breitbandigen Strahlern. |
| Maßnahme 5: | Verwendung
der Modulationsarten FSK (Frequency Shift Keying) und deren Varianten
(wie zum Beispiel GFSK – Gaussian
Frequency Shift Keying) zur Immunisierung gegenüber Interferenzen, wie sie
im Vergleich zu amplitudenmodulierten Varianten zu erwarten sind. |
| Maßnahme 6: | Verwendung
von zwei- oder mehrstufigen Netzteilen zur Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit
als auch für
einen zuverlässigen
Sendebetrieb. Die Stufen der Netzteile können sowohl passiv (passive
Filterstufen) als auch aktiv (zwei oder mehre Spannungsregler) oder
in gemischten Variationen ausgeführt
werden. |
| Maßnahme 7: | Verwendung
des Manchester Datenformates zur Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit
und Stabilisierung der Tranceiver Arbeitspunkte. |
| Maßnahme 8: | Kalibration
von Parametern der Funkstrecke zur Laufzeit unter der Verwendung
von Umweltmessungen (zum Beispiel Temperaturmessung, Spannungsmessung,
etc.). |
| Maßnahme 9: | Durch
geeignete Schaltungstechniken (sogenannte Blocking-Maßnahmen)
wird die Immunität
gegenüber eingestrahlten
Energien im Vergleich zur derzeit gesetzlich notwendigen erhöht. |
| Maßnahme 10: | Der
Verfügbarkeitszeitraum
wird vergrößert, indem
es möglich
gemacht wird, die Funkstrecke während
des Aufladens eines Versorgungspannungs-Akkumulators weiterlaufen
zu lassen. |
Wenngleich
einzelne dieser Maßnahmen
aus anderen HF-technischen Anwendungen bekannt sind, zeichnet sich
die Erfindung dadurch aus, dass sie – vor dem Hintergrund der Notwendigkeit
nach dem Ruhestromprinzip zu arbeiten – in der Nutzung für sicherheitsgerichtete
Anwendungen bislang unbekannt sind.