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Dokumentenidentifikation DE102004046476B4 19.04.2007
Titel Verfahren zur Erhöhung der Verfügbarkeit einer Funkstrecke
Anmelder ELAN Schaltelemente GmbH & Co. KG, 35435 Wettenberg, DE
Erfinder Koch, Jörg, 35452 Heuchelheim, DE;
Niehaus, Michael, 61197 Florstadt, DE;
Schlotzhauer, Björn, 35041 Marburg, DE
Vertreter Stoffregen, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 63450 Hanau
DE-Anmeldedatum 23.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004046476
Offenlegungstag 20.04.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse H04L 7/027(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04L 7/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H04Q 7/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Erhöhung der Verfügbarkeit einer Funkstrecke, welche zwischen zumindest einer zumindest einen Sender aufweisenden Mobilstation und zumindest einer zumindest einen Empfänger aufweisenden Basisstation durch Aussenden eines Funksignals mit einer Sendefrequenz fs gebildet wird.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der Europäischen Patentschrift 0 788 255 bekannt. Darin wird beschrieben, dass bei der Funkdatenübertragung zwischen Mobilstationen und Basisstationen in einem Empfänger Nutzdaten nach einem zeitlich definierten Ablauf gemäß einer vorherigen Synchronisation zu erwarten sind. Ein Zusammenhang zwischen Synchronisation und Rauschen ist nicht angesprochen.

Die Deutsche Patentanmeldung 102 14 063 bezieht sich auf eine Synchronisationsdatendetektionseinheit sowie auf ein Synchronisationsverfahren. Hier ist allgemein beschrieben, dass die Empfindlichkeit eines Empfänger verändert werden kann, indem das Rauschen unterdrückt wird. Ein Zusammenhang zwischen Synchronisation und Rauschunterdrückung ist hierbei nicht erwähnt.

In der Deutschen Patentanmeldung 103 48 703, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird, ist eine Funkverbindung zur Übertragung sicherheitsrelevanter Daten beschrieben, bei der ein Sender im Ruhestromprinzip arbeitet, d. h. während des Betriebes dauerhaft ein Signal aussendet und wobei der Empfänger auf diesen Sender eingestellt werden muss. In mehreren, vorzugsweise zwei Frequenzbändern werden Kanäle definiert. Dies bedeutet, dass mehrere gleichartige Sender parallel auf Nachbarkanälen senden können, so dass es erforderlich ist, dass der Empfänger frequenzmäßig genau auf den gewünschten Sender eingestellt wird.

Diese Einstellung erfolgt vor Inbetriebnahme der Funkstrecke durch eine Parametrierung von Empfänger und Sender. Bedingt durch Fertigungstoleranzen und Umwelteinflüsse wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit kann es jedoch zu Verschiebungen sowohl in den Sende- als auch den Empfangsfrequenzen kommen, was zu Fehlinformationen und insbesondere bei Ubertragung sicherheitsrelevanter Daten zu folgenschweren Störungen führen kann.

Neben der Frequenzverschiebung durch Fertigungstoleranzen und/oder Umwelteinflüsse stellt die Aufsynchronisation des Empfängers auf den Sender ein weiteres Problem dar. Insbesondere ist bei dem oben beschriebenem Ruhestromprinzip des Senders für einen Empfänger nicht bekannt, wo nun der Start eines zeitlichen Rasters des Senders liegt. Durch zusätzliches Rauschen wird die Aufgabe für den Empfänger weiter erschwert, sich auf einen vorhandenen Sender einzustellen.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, die Verfügbarkeit der Funkstrecke zu erhöhen, wobei die Inbetriebnahme der Funkstrecke vereinfacht und deren Reichweite erhöht werden soll.

Das Problem wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zunächst die Empfindlichkeit des Empfängers bis zur Unterdrückung 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,

13 a, b ein schematischer Verlauf eines Sendespektrums sowie ein schematischer Verlauf eines Empfangsspektrums mit Frequenzabweichung,

14 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zur automatischen Frequenzkorrektur,

15 a, 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 18 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 Öffnerkontakte 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 Verbindungen 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 22.122.4 durch Eingabemittel 24wie Zustimmungstaster, "+-Taster", "--Taster" oder kundenspezifische Eingabemittel erzeugten Signale über die Funkstrecke 14 zu übertragen. Bei den an den sicheren Eingängen 22.122.4 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 62.162.3 können ebenfalls in ihrer Funktion in Abhängigkeit der Eingänge 22.122.4 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 60.160.2 freigibt, wenn jeder Eingang 22.1-22.4 der Mobilstation 12 mindestens einmal betätigt wurde. Das Erfassungsmittel 18, verfügt über mindestens vier Ausgänge 20.120.4 und mindestens vier Eingänge 22.122.4, wobei jeder Eingang 22.122.4 über ein Befehlsgerät 24 mit einem der Ausgänge 20.120.4 verbindbar ist. Erkennt das Erfassungsmittel 18 an einem Eingang 22.122.4 das Potential "HIGH" so kann durch das Abschalten des zugeordneten Ausgangs 20.120.4 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 22.122.4 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 912 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 912 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 Baudrate 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 12 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 Erstinbetriebrahme 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 22.122.4 übermittelt und das Verhalten der vorhandenen Ausgängen 60.160.2; 62.162.3 konfiguriert.

Abhängig von einem sicheren Eingang 96.1, 96.2 wird die Funkstrecke 14 aktiviert bzw. deaktiviert. Davon abhängig werden auch die sicheren 60.160.2 bzw. nicht sicheren Ausgänge 62.162.3 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 60.160.2 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 13 a und b sind ein Sendespektrum 148 sowie ein Empfangsspektrum 150 rein schematisch dargestellt. Eine Abweichung &Dgr;f der beiden Spektren 148, 150, die sich aufgrund von Umwelteinflüssen und Bauteiltoleranzen ergeben kann, ist in 13 b dargestellt. Ziel ist es, die Frequenzabweichung &Dgr;f 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 Zwischenfrequenz fZF ermittelt. Eine Zwischenfrequenzabweichung &Dgr;fZF zwischen der ermittelten Zwischenfrequenz fZF und einer von dem Empfänger benötigten Zwischenfrequenz fZFE wird vorzugsweise nach der Formel &Dgr;fZF = 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 &Dgr;fZF 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 15 a 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 15 b 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 15 c 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.


Anspruch[de]
Verfahren zur Erhöhung der Verfügbarkeit einer Funkstrecke (14), welche zwischen zumindest einer zumindest einen Sender (28) aufweisenden Mobilstation (70) und zumindest einer zumindest einen Empfänger (88, 90) aufweisenden Basisstation (86) durch Aussenden eines Funksignals mit einer Sendefrequenz fs gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit des Empfängers (88, 90) bis zur Unterdrückung des Rauschens verstellt wird, so dass im Signal (162) enthaltene Nutzdaten (164) erkannt werden, dass sodann der Empfänger (88, 90) auf die Nutzdaten (164) synchronisiert wird und dass nach erfolgreicher Synchronisation die Rauschunterdrückung wieder ausgeschaltet wird, wobei der Empfänger (88, 90) die Nutzdaten (164) nach einem zeitlich definierten Ablauf gemäß vorheriger Synchronisation erwartet.






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