DE102014222803B3

DE102014222803B3 - Verfahren zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen

Info

Publication number: DE102014222803B3
Application number: DE102014222803.4A
Authority: DE
Inventors: Alfred Wagner; Werner Hoch
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2034-11-08
Also published as: US9847812B2; CN107148758A; WO2016071480A1; US20170317716A1; CN107148758B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen, die zwischen zwei Kommunikationseinheiten, insbesondere einem Sensor oder Aktor und einer digitalen Auswerteeinheit, ausgetauscht werden, wobei die Kommunikationssignale auf einer Leitung (2) eines mehradrigen Kabels (1) als Spannungssignale übertragen werden. Um die Kommunikationssignale auch bei mehradrigen Kabeln abgreifen zu können, ohne die Leitung hierfür unterbrechen zu müssen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Kommunikationssignale kapazitiv abzugreifen, wobei zum Abgriff wenigstens zwei Elektroden (10a, 10b) eingesetzt werden, die auf dem Kabelmantel aufliegen und deren Winkellage zur Kabelachse variabel ist, und diejenige Winkellage zu ermitteln, bei der das Differenzsignal zwischen den beiden Elektroden (10a, 10b) maximal wird, wobei die wenigstens zwei Elektroden (10a, 10b) jeweils aus mehreren Einzelelektroden (E1–E8) bestehend, als Sammelelektroden ausgebildet sind und die verschiedenen Winkellagen der Sammelelektroden (10a, 10b) dadurch erreicht wird, dass mittels eines Multiplexers (20), mit dem die Einzelelektroden (E1–E8) miteinander verschaltet sind, sequentiell jeweils die Zugehörigkeit der Einzelelektroden (E1–E8) zu den wenigstens zwei Sammelelektroden (10a, 10b) geändert wird. Des Weiteren wird eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein zum einen ein Verfahren zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen, die zwischen zwei Kommunikationseinheiten ausgetauscht werden, wobei die Kommunikationssignale auf einer Leitung eines mehradrigen Kabels als Spannungssignale übertragen werden. Bei den beiden Kommunikationseinheiten handelt es sich insbesondere um einem Sensor oder Aktor einerseits und einer digitalen Auswerteeinheit andererseits. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
In der Praxis der Automatisierungstechnik ergibt sich immer wieder der Bedarf, den Datenverkehr auf einer Signalleitung „mitzuhören“, bspw. zur Analyse der Kommunikation zwischen dem Master und einem Slave eines Feldbussystems. Ein Auftrennen der Signalleitung an der entsprechenden Stelle ist dabei meistens nicht gewünscht, weil das mit einem zumindest temporären Stilllegen der Anlage verbunden wäre. Im Stand der Technik sind Stromzangen und dergleichen bekannt, also ein zangenartiges Werkzeug, das das Kabel umgreift und die Signale nach dem Transformator-Prinzip erfasst, ohne dafür die Signalleitung unterbrechen zu müssen. Handelt es sich jedoch um ein mehradriges Kabel, bei dem die Einzelleitung nicht separierbar und damit umgreifbar ist, ist der Abgriff auf diese Weise nicht mehr möglich bzw. die erfassten Signale sind derart schwach, dass eine Rekonstruierung der ursprünglichen Signale kein zufriedenstellendes Ergebnis ergibt. Im Übrigen lassen sich hiermit ohnehin nur Strompegel erfassen und keine Spannungssignale.
Aus der DE 10 2013 201 458 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung eines über eine elektrische Leitungseinrichtung übertragenen Signals bekannt. Die Erfassung erfolgt an einer einzigen Position, wobei mindestens zwei Feldgrößen (elektrisches und magnetisches Feld) zu erfassen sind, oder an mindestens zwei verschieden Positionen, wobei dann die Messung einer Feldgröße ausreicht.
Auch die nachveröffentlichte WO2015/010973A1 offenbart ein Verfahren zum berührungslosen Abgriff von Übertragungssignalen unter Verwendung eines E-förmigen Magnetkerns.
Ferner beschreibt die IEEE-Veröffentlichung „Development of Contactless Measuring Method of Transient Voltage on Cable Sheath“ von Yamabuki et.al. ein Verfahren zum berührungslosen Abgriff von Übertragungssignalen mittels kapazitiver Kopplung zweier Elektroden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Spannungssignale auch bei mehradrigen Kabeln abgreifen zu können, ohne die Leitung hierfür unterbrechen zu müssen.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein in Anspruch 1 aufgezeigtes Verfahren sowie durch eine Anordnung gemäß Anspruch 2.
Erfindungsgemäß werden die Kommunikationssignale kapazitiv abgegriffen, wobei zum Abgriff wenigstens zwei Elektroden eingesetzt werden, die auf dem Kabelmantel aufliegen und deren Winkellage zur Kabelachse variabel ist. Hierfür kann bspw. ein zangenartiges Werkzeug infrage kommen, bei dem entlang des Innenumfangs die Elektroden nebeneinander angeordnet sind. Die wenigstens zwei Elektroden sind jeweils aus mehreren Einzelelektroden bestehend als Sammelelektroden ausgebildet und die Einzelelektroden sind über einen Multiplexer miteinander verschaltet.
Wesentlich ist nun, dass mittels des Multiplexers sequentiell jeweils die Zugehörigkeit der Einzelelektroden zu den wenigstens zwei Sammelelektroden geändert wird, so dass damit verschiedene Winkellagen der Sammelelektroden realisiert werden können. Schließlich wird diejenige Winkellage ermittelt, bei der das Differenzsignal zwischen den wenigstens zwei Sammelelektroden maximal ist. In dieser Position lässt sich über die Sammelelektroden das auf der Signalleitung übertragene Spannungssignal abgreifen und wieder rekonstruieren.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1a/1b jeweils einen Querschnitt eines mehradrigen Kabels, das von einem Werkzeug zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen umgriffen wird und
2 ein Blockschaltbild des Verfahrens zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
In 1a und 1b ist jeweils der Querschnitt eines mehradrigen – im vorliegenden Fall vieradrigen – Kabels 1 abgebildet. Bei den vier Adern handelt es sich typischerweise um zwei Versorgungsleitungen, eine für den analogen Prozesswert und eine für die Kommunikation. Mit diesem Kabel sind zwei Kommunikationseinheiten miteinander verbunden, wobei es sich bei auf der einen Kommunikationseinheit um einen Sensor oder Aktor handelt und bei der anderen Kommunikationseinheit um eine Steuereinheit. Entscheidend ist hierbei, dass zwischen diesen beiden Einheiten eine bidirektionale Kommunikation erfolgt, allerdings nur im Halbduplex-Verfahren, d.h. dass nicht beide Einheiten gleichzeitig miteinander Informationen austauschen können, sondern immer nur nacheinander. Bspw. kann es sich bei dem Sensor um ein Feldbusgerät, wie z.B. ein Druck-, Temperatur, Strömungs- oder Füllstandsmessgerät, handeln, die mit einer digitalen Auswerteeinheit oder einer Parametriereinheit verbunden ist.
Um nun diese digitale Kommunikationssignale abgreifen zu können, ohne das Kabel hierfür auftrennen bzw. unterbrechen zu müssen, wird zangenförmig um das Kabel 1 herum ein Werkzeug angeordnet. Das Werkzeug besteht im Wesentlichen aus mehreren Elektroden E1–E8, die entlang des Innenumfangs gleichmäßig verteilt und nebeneinander angeordnet sind. Die in den 1a und 1b dargestellte Ausführungsform mit acht Elektroden ist nur beispielhaft, da die Anzahl der Elektroden beliebig ist. Mehr Elektroden erhöhen entsprechend die Winkelauflösung. Grundsätzlich ist es für die Signalauswertung vorteilhaft, wenn mehr Elektroden als Leitungsadern vorhanden sind. Auf die konkrete konstruktive Ausgestaltung des Werkzeugs wurde bei der Darstellung in den 1a und 1b verzichtet, zumal es für die Erfindung selbst keine besondere Bedeutung hat.
Durch die jeweils zwei gestrichelten Bögen sind die beiden Sammelelektroden 10a, 10b dargestellt. In 1a sind die (Einzel-)Elektroden E1–E4 zur ersten Sammelelektrode 10a und die (Einzel-)Elektroden E5–E8 zur zweiten Sammelelektrode verbunden, während in 1b die (Einzel-)Elektroden E1–Es plus E8 zur ersten Sammelelektrode 10a und die (Einzel-)Elektroden E4–E7 zur zweiten Sammelelektrode verbunden sind. Genauso vorstellbar ist auch, dass eine Sammelelektrode fünf und die andere nur drei Einzelelektroden umfasst, wobei jedoch ein gleichmäßiges Verteilen die Signalauswertung erleichtert. Genauso vorstellbar ist, dass das Abgreifen über nur zwei, vorzugsweise gegenüberliegende Einzelelektroden erfolgt, während die restlichen Einzelelektroden auf Masse liegen, oder alle gegenüberliegenden Einzelelektroden einer ganzen Reihe von Verstärkern zugeführt werden.
Die beiden Sammelelektroden 10a, 10b sind auch deswegen gestrichelt gezeichnet, weil sie nicht statisch sind, sondern die Zugehörigkeit der Einzelelektroden E1–E8 zu den beiden Sammelelektroden 10a, 10b variiert werden kann, was durch die Darstellungen in den 1a und 1b zum Ausdruck kommen soll. Mittels des in 2 dargestellten Multiplexers 21 wird diese Zusammensetzung solange geändert, bis alle möglichen Konstellationen und damit alle möglichen Winkellagen der Sammelelektroden 10a, 10b in Bezug auf das Kabel 1 einmal aktiv waren. Sobald eine Zusammensetzung von Einzelelektroden aktiv geschaltet ist, werden in einer elektronischen Auswerteschaltung 20 die dabei mittels der jeweils eintretenden kapazitiven Kopplung die Amplituden der Kommunikationssignale ausgewertet und gespeichert. Wie dies im Einzelnen geschieht, wird im Zusammenhang mit der folgenden 2 beschrieben. Nachdem alle Konstellationen einmal aktiv waren, ist folglich der Auswerteschaltung 20 bekannt, bei welcher Zusammensetzung die kapazitive Kopplung der beiden Sammelelektroden 10a, 10b das größte Auswertesignal erzeugt hat. In genau dieser Zusammensetzung kann nun über die beiden Sammelelektroden 10a, 10b fortlaufend das Kommunikationssignal auf der Leitung 2 „abgehört“ werden und wieder rekonstruiert werden.
In 2 ist durch ein Blockschaltbild die elektronische Auswerteschaltung 20 dargestellt, durch die das Abgreifen und Auswerten des Kommunikationssignals schaltungstechnisch realisiert ist. Auf der linken Seite ist der Multiplexer 21 gezeigt, der vorliegend sechs Einzelelektroden E1–E6 umfasst. Wie zuvor ausgeführt, ist die Anzahl der Einzelelektroden nicht auf acht bzw. sechs festgelegt, sondern ist hier nur beispielhaft angegeben. Der Multiplexer 21 legt über die Schalterstellung fest, welche der Einzelelektroden E1–E6 zur ersten Sammelelektrode 10a oder zur zweiten Sammelelektrode 10b verschaltet werden. Gesteuert wird dies über die Steuereinheit 26, die dann sequentiell die Zugehörigkeit der Einzelelektroden E1–E6 zu den beiden Sammelelektroden 10a, 10b ändert bis alle möglichen Winkellagen der Sammelelektroden 10a, 10b in Bezug auf das Kabel 1 erreicht wurden.
Die Spannungsänderungen des Kommunikationssignals erzeugen durch die kapazitive Kopplung zu den Sammelelektroden 10a, 10b ein Stromsignal. In jeder Zusammensetzung der beiden Sammelelektroden 10a, 10b werden diese jeweiligen Stromsignale zunächst einem Tiefpass 22, mit dem sich u.a. höherfrequente Störsignale rausfiltern lassen, und anschließend einem Differenzverstärker 23 zugeführt. Der Differenzverstärker 23 ist vorteilhaft in Form eines differentiellen Transimpedanzverstärkers ausgeführt, um dem nachfolgenden AD-Wandler 24 ein dem erfassten Stromsignal proportionales Spannungssignal zuzuführen. Das digitalisierte Signal wird dann in einer programmierbaren Logik 25, z.B. einem FPGA-Baustein, soweit rekonstruiert, dass am Ausgang das ursprüngliche Spannungssignal auf der Signalleitung 2 vorliegt.
Dieses Spannungssignal wird einem Controller 26 zugeführt, in dem die jeweiligen Stromsignale der einzelnen Zusammensetzungen der beiden Sammelelektroden 10a, 10b gespeichert und ausgewertet werden. Des Weiteren übernimmt der Controller 26 die Steuerung des Multiplexers 21. An den Controller 26 sind dann zusammen oder alternativ ein Display 27 zur visuellen Darstellung der abgegriffenen und rekonstruierten Kommunikationssignale sowie ein Buskoppler 28 angeschlossen, mit dem sich eine Verbindung zu einem Bus herstellen lässt, um die abgegriffenen und rekonstruierten Kommunikationssignale über einen Bus weiterleiten zu können.

Claims

Verfahren zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen, die zwischen zwei Kommunikationseinheiten, insbesondere einem Sensor oder Aktor und einer digitalen Auswerteeinheit, ausgetauscht werden, wobei die Kommunikationssignale auf einer Leitung (2) eines mehradrigen Kabels (1) als Spannungssignale übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationssignale kapazitiv abgegriffen werden, wobei zum Abgriff wenigstens zwei Elektroden (10a, 10b) eingesetzt werden, die auf dem Kabelmantel aufliegen und deren Winkellage zur Kabelachse variabel ist, und diejenige Winkellage ermittelt wird, bei der das Differenzsignal zwischen den beiden Elektroden (10a, 10b) maximal wird, wobei die wenigstens zwei Elektroden (10a, 10b) jeweils aus mehreren Einzelelektroden (E1–E8) bestehend, als Sammelelektroden ausgebildet sind und die verschiedenen Winkellagen der Sammelelektroden (10a, 10b) dadurch erreicht wird, dass mittels eines Multiplexers (20), mit dem die Einzelelektroden (E1–E8) miteinander verschaltet sind, sequentiell jeweils die Zugehörigkeit der Einzelelektroden (E1–E8) zu den wenigstens zwei Sammelelektroden (10a, 10b) geändert wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem zangenförmigen Werkzeug und einer elektronischen Auswerteeinheit (20), wobei das Werkzeug entlang des Innenumfangs mehrere gleichmäßig verteilte und nebeneinander angeordnete Elektroden (E1–E8) aufweist.