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Die
Erfindung betrifft einen Busknoten eines Profinet-Bussystems.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Bussysteme, die
zum Anschluss von Sensoren eingesetzt werden. Bei den in Rede stehenden Sensoren
handelt es sich spezifisch um Sicherheitssensoren, die für sicherheitsrelevante Überwachungsfunktionen,
insbesondere im Bereich des Personenschutzes, eingesetzt werden.
Derartige Sicherheitssensoren können
insbesondere von optischen Sensoren wie Lichtvorhängen gebildet
sein, mittels derer Gefahrenbereiche an Maschinen und Anlagen überwacht
werden. Bei Eintreten von Objekten in den Gefahrenbereich wird in
dem jeweiligen Sicherheitssensor ein Schaltsignal generiert. Um
gefahrbringende Situationen zu vermeiden, wird mit dem Schaltsignal
die Maschine oder Anlage abgeschaltet. Um die im Bereich der Sicherheitstechnik
geltenden Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, müssen nicht nur die Sicherheitssensoren
selbst einen fehlersicheren Aufbau aufweisen. Vielmehr muss auch
gewährleistet sein,
dass das im jeweiligen Sicherheitssensor generierte Schaltsignal
auch der Maschine oder Anlage fehlersicher zugeführt wird.
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Als
Anschlusssysteme für
Sensoren werden in jüngerer
Zeit anstelle von konventionellen Verkabelungen verstärkt Bussysteme
eingesetzt. Ein bekanntes, derartiges Feldbussystem ist der Profibus, der
generell zum Anschluss von Sensoren geeignet ist. Der Profibus bildet
ein nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitendes Feldbussystem. Die
einzelnen Busteilnehmer weisen Profibus-Schnittstellen auf, mit welchen diese
an das Profibus-Bussystem angeschlossen werden können.
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Typische
Konfigurationen mit derartigen Feldbussystemen sehen neben Sensoren
auch Steuerungen vor, insbesondere SPS-Steuerungen, die zur Steuerung
von Maschinen und Anlagen in Abhängigkeit
von mit den Sensoren generierten Signalen dienen.
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Für den Einsatz
derartiger Systeme im Bereich der Sicherheitstechnik ist es einerseits
notwendig, dass die Endgeräte,
nämlich
die Steuerungen einerseits und die Sensoren andererseits, einen
fehlersicheren Aufbau aufweisen, das heißt es werden als Endgeräte sichere
Steuerungen und Sicherheitssensoren eingesetzt.
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Weiterhin
ist es erforderlich, dass auch die Datenübertragung über den Feldbus fehlersicher
erfolgt. Der Profibus als solcher ist für eine solche fehlersichere
Datenübertragung
nicht geeignet. Jedoch existiert eine Erweiterung des Profibus,
der so genannte Profisafe, der eine fehlersichere Datenübertragung
ermöglicht.
Dabei ist die Hardwarekonzeption und weitgehend auch die Softwarekonzeption
des Profisafe identisch mit dem Profibus. Zusätzlich ist eine weitere Softwareschicht,
das heißt
eine weitere Software-Funktionalität beim Profisafe vorgesehen, mittels
derer sichere Telegramme, so genannte V2-Telegramme, über das
Bussystem gesendet werden, wodurch eine fehlersichere Datenübertragung gewährleistet
ist.
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Zur
Ausbildung eines für
den Einsatz in der Sicherheitstechnik geeigneten Systems können somit
fehlersichere Steuerungen und Sicherheitssensoren mit ihren Profibus-Schnittstellen
an das Profisafe-Bussystem angeschlossen werden.
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Eine
Weiterentwicklung des Profibus bildet das so genannte Profinet,
das in neuester Zeit verstärkt
in industriellen Applikationen zum Einsatz kommt. Dieses Profinet-Bussystem
arbeitet, anders als das Profibus- beziehungsweise Profisafe-Bussystem,
nicht mehr nach dem Master-Slave-System, sondern stellt ein Ethernetsystem
dar und bildet damit ein Bussystem mit einem stochastischen Zugriffsverfahren.
Während
bei deterministischen Bussystemen wie Master- Slave-Systemen der Zugriff auf den Bus
zentral, insbesondere von einem Master kontrolliert wird, kann bei
einem Bussystem mit stochastischem Zugriffsverfahren generell jeder
Busteilnehmer, unabhängig
von anderen Busteilnehmern, Nachrichten auf den Bus ausgeben.
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Nachdem
Profinet-Bussysteme verstärkt
in industriellen Applikationen Anwendung finden, ist es wünschenswert,
derartige Profinet-Bussysteme auch für den Bereich der Sicherheitstechnik
zugänglich
zu machen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand eine
sichere Ankopplung von Sensoren an ein Profinet-Bussystem bereitzustellen.
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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 Busknoten
eines Profinet-Bussystems umfasst ein Busmodul, an welches wenigstens
ein Sicherheitssensor mit einer Profibus-Schnittstelle angeschlossen ist. Eine
Moduladresse des Busmoduls wird an den Sicherheitssensor übermittelt.
Der so adressierte Sicherheitssensor sendet sichere Telegramme an
das Profinet-Bussystem oder empfangt sie von diesem.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass durch das oder die
Busmodule als Bestandteile eines Busknotens eines Profinet-Bussystems
Sicherheitssensoren, die an diese Busmodule angeschlossen sind,
als Standard-Profisafe-Sensoren
betrieben werden können,
indem sie über
ihre Profibus-Schnittstellen
sichere Telegramme senden und empfangen. Dies bedeutet, dass die
Sicherheitssensoren im Profinet-Bussystem in gleicher Weise eingesetzt
werden können
wie dies bei einer Einbindung der Sicherheitssensoren in ein Profisafe-Bussystem
der Fall wäre.
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Diese
Adaption der Sicherheitssensoren in ein Profinet-Bussystem ist deshalb
möglich,
weil sichere Telegramme in Profinet-Bussystemen in identischer Weise
wie in Profisafe-Bussystemen ausgebildet sind, nämlich als V2-Telegramme.
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Diesen
Umstand ausnutzend bilden das oder die Busmodule des Profinet-Busknotens sichere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, über welche
sichere V2-Telegramme
von jeweils an ein Busmodul angeschlossenen Sicherheitssensoren
zum Profinet-Bussystem oder umgekehrt durchgeroutet werden können.
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Hierzu
gibt in einer Initialisierungs-Routine vor Inbetriebnahme des Bussystems
das jeweilige Busmodul seine Moduladresse an den angeschlossenen
Sicherheitssensor weiter. Hierbei ist vorteilhaft, dass diese Adressierung
des Sicherheitssensors automatisch, das heißt ohne die bei Profinet-Bussystemen
erforderliche manuelle Adressauswahl erfolgen kann.
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Während des
Betriebs des Profinet-Bussystems erfolgt das Durchrouten eines V2-Telegramms zu
einem Sicherheitssensor dann derart, dass im Busmodul, an welches
der Sicherheitssensor angeschlossen ist, das V2-Telegramm ohne dies
zu bearbeiten oder zu lesen an den angeschlossenen Sicherheitssensor
unter der Moduladresse weitergeleitet wird.
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Damit
wird mit dem erfindungsgemäßen Busmodul
eine sehr einfache Ankopplung des Sicherheitssensors an das Profinet-Bussystem
erhalten.
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Besonders
vorteilhaft hierbei ist weiterhin, dass die Busmodule selbst nicht
fehlersicher ausgebildet sein müssen
um eine fehlersichere Datenübertragung
im Profinet-Bussystem zu gewährleisten.
Zur Gewährleistung
der Sicherheitsanforderungen für den
Einsatz des Profinet-Bussystems im Bereich der Sicherheitstechnik
ist nämlich
ausreichend, wenn die Endgeräte,
insbesondere die Sicherheitssensoren sowie Steuerungen, an welche
von den Sicherheitssensoren generierte Signale zur Durchführung von Steuerungsaufgaben übertragen
werden, fehlersicher sind. Dann reicht das Übertragen fehlersicherer Telegramme über das
Profinet-Bussystem aus, ohne dass hierfür die Busmodule der Busknoten
fehlersicher ausgebildet sein müssen.
Der konstruktive Aufwand für
die Busmodule kann somit gering gehalten werden.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass für
unterschiedlich ausgebildete Sicherheitssensoren immer dasselbe
Busmodul zur Ankopplung an das Profinet-Bussystem verwendet werden
kann, das heißt
es ist keine sensorspezifische Adaption der Busmodule erforderlich,
wodurch der konstruktive Aufwand für die Busmodule sehr gering
gehalten werden kann.
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Die
Busmodule selbst können
einfach im Busknoten integriert werden, da dieser einen modularen
Aufbau aufweist, der einen einfachen Anschluss von Busmodulen in
unterschiedlicher Anzahl ermöglicht.
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Der
Busknoten weist neben einem Profinet-Buskopf zur Ankopplung an das
Profinet-Bussystem einen Rückwandbus
auf, der einen Modulverbindungsbus für dann anzuschließende Busmodule
aufweist. Der Rückwandbus
bildet damit ein Verbindungsglied, mittels dessen ein oder mehrere
Busmodule an den Profinet-Buskopf angeschlossen werden können. Dabei
ist dem Profinet-Buskopf eine Profinet-Adresse zugewiesen, unter
welcher der Busknoten im Profinet-Bussystem auswechselbar ist. Die Moduladressen
der Busmodule bilden Subadressen zu der Profinet-Adresse des Profinet-Buskopfs.
Der so ausgebildete Busknoten weist einen modularen Aufbau auf,
der den Anschluss einer variablen Anzahl von Busmodulen, an welche
wiederum jeweils ein Sicherheitssensor anschließbar ist, ermöglicht.
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In
einer vorteilhaften Erweiterung der Erfindung können an ein Busmodul auch mehrere
Sicherheitssensoren angeschlossen werden. Dann werden vom Busmodul
den dort angeschlossenen Sicherheitssensoren unterschiedliche Adressen
zugewiesen, welche vorteilhaft von der Moduladresse des Busmoduls
abgeleitet sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines Profinet-Busknotens mit angeschlossenen
Sicherheitssensoren.
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2:
Anordnung gemäß 1 mit
einer Detaildarstellung eines Busmoduls als Bestandteil des Profinet-Busknotens.
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1 zeigt
den Aufbau eines Busknotens 1 eines Profinet-Bussystems.
Mit einer vom Busknoten 1 ausgehenden Profinet-Leitung 2 ist
der Busknoten 1 an das Profinet-Bussystem angeschlossen
und mit weiteren Busknoten 1 verbunden. Das Profinet-Bussystem
bildet ein ethernet-basiertes Bussystem mit einem stochastischen
Buszugriff, das heißt
es bildet ein nicht deterministisches Bussystem, bei welchem die
Busteilnehmer zu beliebigen Zeiten Zugang auf die Busleitungen suchen
können,
um über
dieses Nachrichten in Form von Telegrammen zu senden, die von allen
weiteren Busteilnehmern empfangen werden können.
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Im
vorliegenden Fall bildet das Profinet-Bussystem ein im Bereich der
Sicherheitstechnik, insbesondere im Bereich des Personenschutzes,
einsetzbares System und erfüllt
hierzu die relevanten normativen Sicherheitsanforderungen. Diese
Sicherheitsanforderungen werden einerseits dadurch erfüllt, dass
als Endgeräte
im Profinet-Bussystem fehlersichere Geräte eingesetzt werden, und andererseits
dadurch, dass über
das Profinet-Bussystem Nachrichten in Form von Telegrammen fehlersicher übertragen
werden. Dies wird durch eine spezielle fehlersichere Software zur
Ausbildung der Telegramme in Form von sogenannten V2-Telegrammen
erreicht.
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Als
sichere Endgeräte
können
beispielsweise fehlersichere Steuerungen, insbesondere SPS-Steuerungen,
eingesetzt werden. Mit derartigen Steuerungen können Maschinen und Anlagen,
von welchen Gefahren für
Personen ausgehen können, gesteuert
werden. Typischerweise werden zur Gefahrenabsicherung Gefahrenbereiche
an derartigen Maschinen und Anlagen mit Sicherheitssensoren überwacht.
Derartige Sicherheitssensoren generieren bei Eindringen von Objekten,
insbesondere sicherheitskritischen Objekten in die Gefahrenbereiche Schaltsignale,
die dann über
das Profinet-Bussystem zu wenigstens einer der Steuerungen übertragen werden,
die dann die jeweilige Maschine oder Anlage stillsetzen oder generell
in einen Zustand versetzen, dass von dieser keine Gefährdungen
mehr ausgehen.
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Derartige
Sicherheitssensoren können
insbesondere als optische Sensoren ausgebildet sein. 1 zeigt
zwei Ausführungsbeispiele
derartiger optischer Sensoren. Der erste Sensor ist als so genannter
Flächendistanzsensor 3,
das heißt
als scannender Distanzsensor ausgebildet. Mit diesem Sensor wird
ein flächiger Überwachungsbereich
dadurch überwacht,
dass von einem Distanzsensor emittierte Sendelichtstrahlen mittels
eines Scanners periodisch diesen Überwachungsbereich überstreichen.
Der zweite Sensor ist als Lichtvorhang 4 ausgebildet. Der Lichtvorhang 4 weist
eine Sendereinheit 4a auf, die in einem ersten Gehäuse integriert
ist und eine Reihenanordnung von Lichtstrahlen emittierenden Sendern 5 aufweist.
Weiterhin weist der Lichtvorhang 4 eine Empfängereinheit 4b auf,
die eine in einem zweiten Gehäuse
integrierte Anordnung von Lichtstrahlen empfangenden Empfängern 6 aufweist.
Der Lichtvorhang 4 arbeitet in bekannter Weise nach dem
Lichtschrankenprinzip. Im Betrieb des Lichtvorhangs 4 sind
die Sendereinheit 4a und die Empfängereinheit 4b gegenüberliegend
angeordnet, so dass jeweils von einem Sender 5 emittierte
Lichtstrahlen auf einen zugeordneten Empfänger 6 treffen, so
dass diese somit eine Strahlachse bilden. Die Synchronisation der Sender 5 und
Empfänger 6,
das heißt
deren zyklische Aktivierung, erfolgt auf optischem Weg, so dass zwischen
Sender- und Empfängereinheit 4a, 4b keine
elektrischen Anschlussleitungen vorgesehen sein müssen. Damit
sind nur die Sender- und Empfängereinheit 4a, 4b jeweils
an den Busknoten 1 angeschlossen.
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Beide
optischen Sensoren sind fehlersicher aufgebaut, wobei diese hierzu
jeweils bevorzugt eine redundant aufgebaute zweikanalige Auswerteeinheit zur
Signalauswertung der mit den jeweiligen Sensorelementen generierten
Signale aufweisen.
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Der
Busknoten 1 gemäß 1 weist
einen modularen Aufbau auf. Der Busknoten 1 weist dabei als
erste Komponente einen Profinet-Buskopf 7 auf, dem eine
Profinet-Adresse zugewiesen ist. Unter dieser Adresse erfolgt über den
Profinet-Buskopf 7 das Aussenden und Empfangen von Nachrichten über das
Profinet-Bussystem. Weiterhin weist der Busknoten 1 einen
Rückwandbus 8 auf,
der einen Modulbindungsbus bildet, mittels dessen ein oder mehrere Busmodule 9 an
den Profinet-Buskopf 7 angeschlossen werden können, wobei
die Busmodule 9 weitere Komponenten des Busknotens 1 bilden.
Im vorliegenden Fall sind zwei Busmodule 9 vorgesehen.
Generell sind sämtliche
Busmodule 9 identisch ausgebildet. Der Rückwandbus 8 übernimmt
den Datenverkehr zwischen dem Profinet-Buskopf 7 und den
Busmodulen 9. Jedes Busmodul 9 weist einen Adressschalter 10 auf,
mittels dessen eine Moduladresse für dieses Busmodul 9 vorgegeben
wird. Die Moduladressen bilden Subadressen der Profinet-Adresse.
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Wie
aus 1 ersichtlich, ist an jeweils ein Busmodul 9 ein
Sicherheitssensor angeschlossen. Jeder der Sicherheitssensoren weist
eine Profibus-Schnittstelle auf. Über diese Profibus-Schnittstelle überbringt
jeder Sicherheitssensor sichere V2-Telegramme an das zugeordnete
Busmodul 9. Der Flächendistanzsensor
ist über
ein Kabel 11 an ein erstes Busmodul 9 angeschlossen,
wobei das Kabel 11 mehrere Adern aufweisen kann. Über das
Kabel 11 werden einerseits die Spannungsversorgung und
andererseits die sicheren V2-Telegramme übertragen.
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An
das zweite Busmodul 9 ist über ein erstes Kabel 12 die
Sendereinheit 4a und über
ein zweites Kabel 13 die Empfängereinheit 4b des
Lichtvorhangs 4 angeschlossen. Bei dem Lichtvorhang 4 ist
die Auswerteeinheit zur Generie rung der Schaltsignale des Lichtvorhangs 4,
mit welchen eine Objektdetektion in einem Gefahrenbereich gemeldet
wird, in der Empfängereinheit 4b integriert,
da die Schaltsignale in Abhängigkeit
der Ausgangssignale der Empfänger 6 generiert
werden. Daher ist die Profibus-Schnittstelle nur in der Empfängereinheit 4b integriert.
Demzufolge werden über
das Kabel 13 der Empfängereinheit 4b V2-Telegramme
zusätzlich
zur Spannungsversorgung übertragen,
während über das
Kabel 12 der Sendereinheit 4a nur die Spannungsversorgung übertragen
wird.
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2 zeigt
die Anordnung gemäß 1 in einer
Darstellung, in welcher eines der Busmodule 9 detaillierter
dargestellt ist, während
das andere Busmodul 9 nur schematisch dargestellt ist.
Weiterhin zeigt 2 schematisch eine Schnittstelle 14 des Profinet-Buskopfs 7 zum
Anschluss der Profinet-Leitung 2 sowie eine in dem Rückwandbus 8 integrierte Stromversorgung 15.
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In 2 ist
der Sicherheitssensor nicht komplett dargestellt, sondern nur eine
Sensorschnittstelle 16, über welche der Anschluss an
das Busmodul 9 erfolgt, beispielsweise in Form des Kabels 11,
für den Fall,
dass der Sicherheitssensor vom Flächendistanzsensor gebildet
ist.
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Wie
aus 2 ersichtlich, weist das Busmodul 9 einen
Microcontroller 17 auf, der im Wesentlichen die Funktionalität des Busmoduls 9 bestimmt.
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Das
Busmodul 9 weist eine Masterfunktionalität derart
auf, dass in einer Initialisierungsroutine die Moduladresse des
Busmoduls 9 an den angeschlossenen Sicherheitssensor weitergegeben
wird. Damit erfolgt die Adressierung des Sicherheitssensors selbsttätig über das
Busmodul 9, so dass eine für Profibus-Sensoren ansonsten erforderliche Adressauswahl
entfällt.
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In
dem Busmodul 9 ist eine PN/DP-Buskopplerfunktionalität in Form
von Hardware- und Softwaremodulen integriert, mittels derer generell
eine Umsetzung zwischen dem Profinet und Profibus erfolgt. Generell
könnte
diese PN/DP Buskopplerfunktionalität auch ein Rückwandbus 8 des
Busknotens 1 implementiert sein.
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Mittels
eines Busmoduls 9 erfolgt eine Ankopplung des Profibus-Sicherheitssensors
an das Profinet. Zur Durchführung
dieser Ankopplung ist, wie in 2 schematisch
dargestellt, der Microcontroller 17 des Busmoduls 9 über eine
Leitung 18 mit dem Busknoten 1 und über eine
Spannungsversorgungsleitung 19 mit dem Rückwandbus 8 verbunden.
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Um
die Fehlersicherheit des Profinet-Bussystems zu gewährleisten,
werden über
diesen Nachrichten in Form sicherer V2-Telegramme übertragen.
Empfängt
der Profinet-Buskopf 7 eine solche Nachricht, wird diese über die
Leitung 18 dem Microcontroller 17 des Busmoduls 9 zugeführt. Der
Microcontroller 17 sendet das in der Nachricht enthaltene V2-Telegramm
an den angeschlossenen Sicherheitssensor unter der Moduladresse
weiter, ohne das V2-Telegramm zu bearbeiten, das heißt durch
das Busmodul 9 erfolgt ein Durchrouten eines V2-Telegramms vom Profinet-Bussystem
zum Sicherheitssensor. Dasselbe erfolgt bei einem Datentransfer vom
Sicherheitssensor zum Profinet-Bussystem.
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Die
Funktion des Busmoduls 9 kann deshalb auf ein Durchrouten
von V2-Telegrammen
vom Profinet-Bussystem zum angeschlossenen Sicherheitssensor beschränkt sein,
da V2-Telegramme als fehlersichere Telegramme in identischer Form
sowohl im Profinet als auch im Profibus standardisiert sind.
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Durch
das Busmodul 9 können
somit die angeschlossenen Sicherheitssensoren als Profibus-Sensoren
innerhalb des Profinet-Bussystems betrieben werden. Damit ist eine
einfache Ankopplung von Sicherheitssensoren mit Profibus-Schnittstellen an
ein Profinet-Bussystem gegeben.
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Da
die Datenübertragung über sichere V2-Telegramme
erfolgt, braucht das jeweilige Busmodul (9) selbst keinen
fehlersicheren Aufbau aufweisen. Zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen im
Bereich der Sicherheitstechnik ist es ausreichend, wenn die Sicherheitssensoren
als Profibus-Sensoren sowie weitere Endgeräte wie Steuerungen fehlersicher
sind.
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Die
Ausführungsform
gemäß den 1 und 2 kann
dahingehend erweitert sein, dass an die Busmodule 9 jeweils
mehrere Sicherheitssensoren angeschlossen werden können. Hierzu
können
mehrere sternförmige
Stichleitungen vorgesehen sein.
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Die
Adressvergabe erfolgt dann nach vorgegebenen Regeln derart, dass
den Sicherheitssensoren jeweils eine eindeutige Adresse vorgeordnet wird,
wobei diese von der Moduladresse des jeweiligen Busmoduls 9,
an welche die Sicherheitssensoren angeschlossen sind, abgeleitet
sind. Beispielsweise wird dem ersten Sicherheitssensor, der an ein Busmodul 9 angeschlossen
ist, dessen Moduladresse zugewiesen. Die weiteren angeschlossenen
Sicherheitssensoren erhalten dann Adressen, die aufeinander folgend
in aufsteigender Reihenfolge von der Moduladresse ausgehen. Sind
beispielsweise an ein Busmoduls 9 vier Sicherheitssensoren
angeschlossen und das Busmodul 9 hat die Moduladresse 30,
so erhält
der erste Sicherheitssensor die Adresse 30, die drei weiteren
Sicherheitssensoren die Adressen 31, 32, 33.
Das nächste
Busmodul 9 hat dann vorteilhaft die nächste freie Moduladresse 34.
Sind an dieses Busmodul 9 wiederum vier Sicherheitssensoren
angeschlossen, so erhalten diese die Adressen 34, 35, 36, 37.
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- 1
- Busknoten
- 2
- Profinet-Leitung
- 3
- Flächendistanzsensor
- 4
- Lichtvorhang
- 4a
- Sendereinheit
- 4b
- Empfängereinheit
- 5
- Sender
- 6
- Empfänger
- 7
- Profinet-Buskopf
- 8
- Rückwandbus
- 9
- Busmodul
- 10
- Adressschalter
- 11
- Kabel
- 12
- Kabel
- 13
- Kabel
- 14
- Schnittstelle
- 15
- Stromversorgung
- 16
- Sensorschnittstelle
- 17
- Microcontroller
- 18
- Leitung
- 19
- Spannungsversorgungsleitung