自动化系统、将无线电用户无线整合至自动化系统的无线电装置和方法与流程

1.本发明涉及一种自动化系统、一种将无线电用户整合至自动化系统的无线电装置和方法。
2.本专利申请要求享有德国专利申请de 10 2019 123 348.8的优先权，其披露的内容在此被纳入参考。


背景技术：

3.已知有这样的自动化系统：其主控制单元提供通信总线，借助该通信总线可以操控总线用户和/或接收总线用户的数据。同时，可以借助于总线用户例如通过国际标准iec 61131-9中规定的io-link通信系统所接收和发送的数据报文来进行通信。此外，由总线用户提供至无线电用户的无线通信路径的系统也是已知的。通过至无线电用户的无线通信路径提供的通信选项例如被称为io-link-wireless。
4.这种情况下可以使用例如被称为io-link-wireless主机的无线电装置。这样的io-link-wireless主机最多可具有五个无线电模块，其中每个无线电模块可在自有的无线电信道上发送和接收数据，这些无线电信道也可以被称为轨道(track)。通过每个无线电信道可以接入多达八个无线电用户。可以借助扩频技术(frequenzspreizung)对无线电信道进行信道更改，以避免可能的冲突和/或减小这种冲突的影响。要做到这一点，所有无线电信道必须同步进行信道更改。这可以通过io-link-wireless主机内的硬接线同步线来完成。这种扩频技术的一个例子是被称为“跳频扩频”的方法，这种方法也可以简称为“跳频”

技术实现要素：

5.本发明的一个目的是提供一种更灵活的自动化系统和一种用于这种自动化系统的更灵活的无线电装置。
6.这个目的通过自动化系统、将无线电用户整合至自动化系统的无线电装置和方法而达成。在从属权利要求中提供有利的改进方案。
7.本发明包括一种自动化系统，其包括至少一个主控制单元、至少一个第一无线电用户、第一无线电装置和时钟主机(uhrenmaster)。时钟主机可以输出信号。借助主控制单元提供总线系统，其中自动化系统内部通过总线系统进行通信。第一无线电装置具有第一同步元件、第一无线电模块和用于总线系统的第一端口。第一无线电模块可建立到第一无线电用户的第一无线电连接，从而可以在第一无线电用户与总线系统之间交换数据。第一无线电连接具有第一无线电信道，其中第一无线电信道包括第一频率范围。第一无线电模块具有第一同步输入端。第一同步元件被设置为根据通过用于总线系统的第一端口从时钟主机接收到的信号，向第一无线电模块的第一同步输入端输出第一同步信号。第一无线电模块被设置为能够根据第一同步信号切换第一无线电信道的第一频率范围内的频率，其中根据第一跳频表(hopping-tabelle)进行该频率切换。
8.在此，第一无线电装置以如下方式运行，即，由第一同步信号触发频率切换，其中时钟主机输出一个信号，该信号由同步元件接收，并从中生成第一同步信号。这使得自动化系统更加灵活，可以在其他地方使用同样被同步了的其他无线电装置。举例而言，如果需要使用八个或更少的无线电用户，无线电装置就可以构造得比具有硬接线同步线的已知io-link-wireless主机更简单。
9.第一无线电装置可被设置成使得到第一无线电用户的第一无线电连接符合io-link-wireless标准。
10.在一种实施方式中，第一无线电模块用来接入最多八个第一无线电用户。
11.在一种实施方式中，自动化系统具有第二无线电装置和第二无线电用户。第二无线电装置具有第二同步元件、第二无线电模块和用于总线系统的第二端口。第二无线电模块可建立到第二无线电用户的第二无线电连接，从而可在第二无线电用户与总线系统之间交换数据。第二无线电连接具有第二无线电信道，其中第二无线电信道包括第二频率范围。第二无线电模块具有第二同步输入端。第二同步元件被设置为根据通过用于总线系统的第二端口从时钟主机接收到的信号，向第二无线电模块的第二同步输入端输出第二同步信号。第二无线电模块被设置为根据第二同步信号切换第二无线电信道的第二频率范围内的频率，其中根据第二跳频表进行该频率的切换。其中可如下设置：第一频率范围和第二频率范围重叠或重合。在此情况下，第一跳频表和第二跳频表可被设计成使得第一无线电信道内使用与第二无线电信道内不同的频率。
12.在一种实施方式中，第一无线电信道的频率和第二无线电信道的频率同时进行切换。由此可使得在第一无线电信道和第二无线电信道中传输数据时的冲突最小。其中可如下设置：第一无线电装置和第二无线电装置被布置成使得第一无线电装置和第二无线电装置的无线电作用范围相重叠。
13.在一种实施方式中，自动化系统具有第三无线电装置和第三无线电用户。第三无线电装置具有第三同步元件、第三无线电模块和用于总线系统的第三端口。第三无线电模块可建立到第三无线电用户的第三无线电连接，从而可在第三无线电用户与总线系统之间交换数据。第三无线电连接具有第三无线电信道，其中第三无线电信道包括第三频率范围。第三无线电模块具有第三同步输入端。第三同步元件被设置为根据通过用于总线系统的第三端口从时钟主机接收到的信号，向第三无线电模块的第三同步输入端输出第三同步信号。第三无线电模块被设置为根据第三同步信号切换第三无线电信道的第三频率范围的频率，其中根据第三跳频表进行该频率切换。
14.在一种实施方式中，第二无线电装置布置在第一无线电装置的第一无线电作用范围以内和第三无线电装置的第三无线电作用范围以内，并且第一无线电装置布置在第三无线电装置的第三无线电作用范围以外。这使得自动化系统的组件可以灵活布置。
15.在一种实施方式中，具有第三跳频表的第三无线电信道与具有第一跳频表的第一无线电信道相同。这使得第一无线电信道可以有利地分别用于第一无线电连接和第三无线电连接，因为第一无线电连接和第三无线电连接不会因为无线电作用范围而相互干扰。第一无线电连接、第二无线电连接和第三无线电连接的频率仍可以同时切换。亦即，第一无线电连接和第三无线电连接发生在第一无线电信道内。
16.可以在自动化系统中纳入其他的无线电装置和无线电用户。特别是，可以设置多
达五个不同的无线电信道，这些无线电信道由空间分布的无线电装置提供。五个无线电信道中的每一者均具有相对应的跳频表。
17.在一种实施方式中，无线电信道的频率切换发生在预定的时间间隔之后，特别是发生在一百微秒与十毫秒之间的时间间隔内。例如，无线电信道的频率可以每1.664毫秒切换一次。
18.在一种实施方式中，至少其中一个同步元件包含同步时钟。根据同步时钟的时钟时间输出相关的同步信号，其中可以根据时钟主机所输出的信号来设置同步时钟的时钟时间。在此，这个同步时钟或这些同步时钟可被设计成所谓的分布式时钟，如2018年11月20日的德国专利申请10 2018 129 189.2中所述。德国专利申请10 2018 129 189.2中有关这方面的内容被明确纳入本专利申请。其中，同步元件可具有德国专利申请10 2018 129 189.2中被称为内部时钟的结构元件，而时钟主机可具有德国专利申请10 2018 129 189.2中被称为参考时钟的元件。
19.在一种实施方式中，时钟主机输出的信号包括时钟时间。
20.所述实施方式的第一频率范围和/或第二频率范围和/或第三频率范围可以重叠。这意味着，在无线电信道内可以在相同的频率范围内进行发送和接收。在此情况下，无线电信道的跳频表可被设计成使得：在每个无线电信道中使用一个不在其他无线电信道中同时使用的频率。特别是，可以据此选择要使用的无线电频率，使得无线电信道的无线电连接不会相互干扰。
21.本发明还包括一种用于将无线电用户无线接入自动化系统的无线电装置，其中该无线电装置具有同步元件、无线电模块和用于总线系统的端口。无线电模块适于建立到无线电用户的无线连接，并且具有同步输入端。无线电连接具有无线电信道，其中该无线电信道包括一个频率范围。同步元件被设置为根据通过用于总线系统的端口从时钟主机接收到的信号，向无线电模块的同步输入端输出同步信号。无线电模块被设置为根据同步信号切换无线电信道的频率范围内的频率，其中根据跳频表进行该频率切换。
22.在所述无线电装置的一种实施方式中，无线电信道的频率范围内的频率切换可以在预定的时间间隔后发生，特别是在一百微秒与十毫秒之间的时间间隔内发生。借此可提供一种对干扰做出快速反应的无线电装置。如果无线电信道在预定的时间间隔内受到干扰，至少不会有太多数据包受到影响，因为无线电信道的频率会迅速切换。
23.在所述无线电装置的一种实施方式中，同步元件包含同步时钟。根据同步时钟的时钟时间输出同步信号，其中根据从时钟主机接收到的信号设置同步时钟的时钟时间。在所述无线电装置的一种实施方式中，在预定时间输出同步信号。其中可如下设置：预定时间保存在无线电装置的控制程序中。在一种实施方式中，无线电装置被设置为借助于通过总线系统而实现的数据传输来接收关于预定时间的信息。这两种实施方式使得被分配给自动化系统的时钟主机能有效控制同步元件。
24.在所述无线电装置的一种实施方式中，无线电模块用来接入最多八个无线电用户。
25.本发明还包括一种将至少一个无线电用户无线接入自动化系统的方法。首先，借助无线电模块建立到无线电用户的无线电连接。随后，从总线系统的时钟主机接收信号。然后根据时钟主机所输出的信号，向无线电模块的同步输入端输出同步信号。接着，根据同步
信号切换无线电信道的频率范围内的频率，其中根据跳频表进行该频率切换。
附图说明
26.下面将借助实施例并参考附图对本发明进行详细说明。其中
27.图1为自动化系统的示意图；
28.图2为将无线电用户无线接入自动化系统的方法的方法流程示意图；
29.图3为另一自动化系统的示意图；
30.图4为无线电装置的示意图；
31.图5为跳频表的示意图；以及
32.图6为另一自动化系统的示意图。
具体实施方式
33.图1以一种根据本发明的可能的实施方式示出自动化系统1，该自动化系统具有主控制单元2、时钟主机3、包括一个第一无线电装置11和一个第二无线电装置12的两个无线电装置10、分别包括三个第一无线电用户51和三个第二无线电用户52的六个无线电用户50。借助主控制单元2提供总线系统4，其中时钟主机3、第一无线电装置11和第二无线电装置12是总线系统4的用户。自动化系统1内部的通信通过总线系统4进行。第一无线电装置11用于将三个第一无线电用户51接入自动化系统1。例如可如下设置：第一无线电用户51包括传感器和/或执行器，其中需要将传感器的传感器数据读入总线系统4或将指令从总线系统4传输至执行器，这可以借助第一无线电装置11完成。第一无线电装置11具有：同步元件30，该同步元件由于其布置在第一无线电装置11中而被称为第一同步元件31；无线电模块40，该无线电模块由于其布置在第一无线电装置11中而被称为第一无线电模块41；以及端口20，该端口由于其布置在第一无线电装置11中而被称为用于总线系统4的第一端口21。第一无线电模块41可建立无线电连接60，在图示情况下是到第一无线电用户51的第一无线电连接61，其中第一无线电连接61在图1的视图中被表示为虚线。通过第一无线电连接61可以在第一无线电用户51与总线系统4之间交换数据，其中借助第一无线电装置11实现该数据交换。第一无线电连接61具有形成为第一无线电信道k1的无线电信道k。其中，第一无线电信道k1包括一个频率范围，可以在该频率范围中选择一个频率。第一无线电模块41具有作为同步输入端70的第一同步输入端71。第一同步元件31被设置为根据通过用于总线系统4的第一端口21从时钟主机3接收到的信号，向第一无线电模块41的第一同步输入端71输出同步信号s，特别是第一同步信号s1。第一无线电模块41被设置为根据第一同步信号s1切换第一无线电信道k1的频率范围内的频率，其中根据跳频表h，特别是根据第一跳频表h1进行该频率切换。可以在第一跳频表h1中指定接下来应切换到哪个频率。
34.第一无线电用户51的数量不限于三个，也可以设置更多或更少的第一无线电用户51，例如最多八个第一无线电用户51。如果第一无线电连接61符合io-link-wireless标准，则最多可以有八个平行的第一无线电连接61。
35.图1中还示出一个可选的第二无线电装置12和三个可选的第二无线电用户52。第二无线电装置12用于将三个第二无线电用户52接入自动化系统1。例如可如下设置：第二无线电用户52包括传感器和/或执行器，其中需要将传感器的传感器数据读入总线系统4或将
指令从总线系统4传输至执行器，这可以借助第二无线电装置12完成。第二无线电装置12具有：同步元件30，该同步元件由于其布置在第二无线电装置12中而被称为第二同步元件32；无线电模块40，该无线电模块由于其布置在第二无线电装置12中而被称为第二无线电模块42；以及端口20，该端口由于其布置在第二无线电装置12中而被称为用于总线系统4的第二端口22。第二无线电模块42也可以建立无线电连接60，在图示情况下，则建立到第二无线电用户52的第二无线电连接62，其中第二无线电连接62在图1的视图中同样表示为虚线。通过第二无线电连接62可以在第二无线电用户52与总线系统4之间交换数据，其中借助第二无线电装置12实现这一数据交换。第二无线电连接62具有形成为第二无线电信道k2的无线电信道k。其中，第二无线电信道k2包括一个频率范围，可以在该频率范围中选择一个频率。第二无线电模块42具有作为同步输入端70的第二同步输入端72。第二同步元件32被设置为根据通过用于总线系统4的第二端口22从时钟主机3接收到的信号，向第二无线电模块42的第二同步输入端72输出同步信号s，特别是第二同步信号s2。第二无线电模块42被设置为根据第二同步信号s2切换第二无线电信道k2的频率范围内的频率，其中根据跳频表h，特别是根据第二跳频表h2进行该频率切换。可以在第二跳频表h2中指定接下来应切换到哪个频率。
36.第二无线电用户52的数量不限于三个，也可以设置更多或更少的第二无线电用户，例如最多八个第二无线电用户52。如果第二无线电连接62符合io-link-wireless标准，则最多可以有八个平行的第二无线电连接62。
37.图1中还示出一个可选的其他总线用户18，该其他总线用户同样可以是传感器和/或执行器，并且直接(即未经无线电连接60)接入总线系统4。
38.在一种实施例中，第一无线电信道k1和第二无线电信道k2同时进行频率切换。这使得第一无线电信道k1和第二无线电信道k2不会相互干扰。为此可以相应地选择第一跳频表h1和第二跳频表h2。
39.图2示出将无线电用户50无线接入自动化系统1的方法的方法流程100。其中，首先在建立步骤101中借助无线电模块40建立到无线电用户50的无线电连接60。然后，在接收步骤102中从总线系统4的时钟主机3接收信号。接着，在输出步骤103中将同步信号s输出至无线电模块40的同步输入端70，其中根据时钟主机3所输出的信号来输出同步信号s。而后在切换步骤104中，根据同步信号s切换无线电信道k的频率范围的频率，其中根据跳频表h进行该频率切换。
40.无线电用户50可对应于图1的第一无线电用户51和/或第二无线电用户52。无线电连接60可对应于图1的第一无线电连接61和/或第二无线电连接62。无线电模块40可对应于图1的第一无线电模块41和/或第二无线电模块42。总线系统4可对应于图1的总线系统4。同步信号s可对应于图1的第一同步信号s1和/或第二同步信号s2。同步输入端70可对应于图1的第一同步输入端71和/或第二同步输入端72。无线电信道k可对应于图1的第一无线电信道k1和/或第二无线电信道k2。跳频表h可对应于图1的第一跳频表h1和/或第二跳频表h2。
41.可如下设置：无线电用户50在实施该方法之前在初始化阶段中接收跳频表h，而后在无线电信道k上等待来自于无线电装置10的第一次传输。随后，无线电用户50同样可根据跳频表h切换无线电信道k的频率。
42.图3示出自动化系统1，其与图1的自动化系统1相对应，前提是下文中未描述任何差异。图1的其他总线用户18不包含在图3的自动化系统1中。时钟主机3集成在主控制单元2
中。这也可以类似图1的情况，而作为替代方案，图3的自动化系统1中的主控制单元2和时钟主机3也可以按照与图1类似的方式实施为彼此分开。只分别存在一个第一无线电用户51和一个第二无线电用户52。
43.自动化系统1还包括第三无线电装置13和第三无线电用户53。第三无线电装置13的设计与结合图1所描述的第一无线电装置11或第二无线电装置12基本相似。第三无线电用户53的设计与结合图1所描述的第一无线电用户51或第二无线电用户52基本相似。第三无线电装置13用于将第三无线电用户53接入自动化系统1。例如可如下设置：第三无线电用户53包括传感器和/或执行器，其中需要将传感器的传感器数据读入总线系统4或将指令从总线系统4传输至执行器，这可以借助第三无线电装置13完成。第三无线电装置13具有第三同步元件33、第三无线电模块43和用于总线系统4的第三端口23。第三无线电模块43可以建立到第三无线电用户53的第三无线电连接63，其中第三无线电连接63在图3的视图中表示为虚线。通过第三无线电连接63可以在第三无线电用户53与总线系统4之间交换数据，其中借助第三无线电装置13实现这一数据交换。第三无线电连接63具有第三无线电信道k3。其中，第三无线电信道k3包括一个频率范围，可以在该频率范围中选择一个频率。第三无线电模块43具有第三同步输入端73。第三同步元件33被设置为根据通过用于总线系统4的第三端口23从时钟主机3接收到的信号，向第三无线电模块43的第三同步输入端73输出第三同步信号s3。第三无线电模块43被设置为根据第三同步信号s3切换第三无线电信道k3的频率范围内的频率，其中根据第三跳频表h3进行该频率切换。
44.也可以设置一个以上的第三无线电用户53，例如最多八个第三无线电用户53。如果第三无线电连接63符合io-link-wireless标准，则最多可以有八个平行的第三无线电连接63。
45.在图3所示的实施例中，第二无线电装置12布置在第一无线电装置11的无线电作用范围19(即第一无线电作用范围191)以内和第三无线电装置13的无线电作用范围19(即第三无线电作用范围193)以内。第一无线电装置11布置在第三无线电装置13的第三无线电作用范围193以外。在此情况下，具有第三跳频表h3的第三无线电信道k3可以与具有第一跳频表h1的第一无线电信道k1相同。这就可以为第一无线电装置11和第三无线电装置13使用同一个第一无线电信道k1和同一个第一跳频表h1，因为通过将第一无线电装置11布置在第三无线电装置13的第三无线电作用范围193以外，第一无线电装置11和第三无线电装置13就不会相互干扰。可以如下设置：在区域59中既未设置第一无线电用户51，又未设置第三无线电用户53，其中区域59布置在第一无线电装置11的第一无线电作用范围191以内和第三无线电装置13的第三无线电作用范围193以内。如此一来，第二无线电装置12可以布置在区域59中，并且可以用来在区域59中接入第二无线电用户52。这特别是在以下情况下是有意义的：具有第三跳频表h3的第三无线电信道k3与具有第一跳频表h1的第一无线电信道k1相同。
46.图4示出用于将无线电用户50无线接入自动化系统1的无线电装置10，其中无线电装置10具有用于总线系统4的端口20、同步元件30和无线电模块40，其中无线电模块40适于建立到无线电用户50的无线连接60，其中无线电模块40具有同步输入端70，其中同步元件30被设置为根据通过用于总线系统4的端口20从时钟主机3接收到的信号，向无线电模块40的同步输入端70输出同步信号s，其中无线电模块40被设置为根据同步信号s切换无线电信
道k的频率，其中根据跳频表h进行无线电信道k的频率切换。无线电装置10具有天线17。无线电装置10在此可对应于已图示过的第一无线电装置11、第二无线电装置12或第三无线电装置13，其中这些无线电装置也可以配备天线17。
47.在一种实施例中，同步元件30包括同步时钟80。根据同步时钟80的时钟时间输出同步信号s，其中根据时钟主机3所输出的信号设置同步时钟80的时钟时间。这可以在预定时间进行，其中预定时间可以是时钟主机3所输出的信号的一部分。作为替代方案，预定时间可以保存在无线电装置10的控制程序中。同样，图1至图3所示的第一无线电装置11、第二无线电装置12和/或第三无线电装置13也可以包含相应的同步时钟80。
48.图5示出可被用来切换无线电信道k的频率的跳频表h。跳频表包括用于第一无线电信道k1的第一跳频表h1、用于第二无线电信道k2的第二跳频表h2和用于第三无线电信道k3的第三跳频表h3。第一跳频表h1、第二跳频表h2和第三跳频表h3可按照已结合图1至图3说明过的方式进行使用。如果第一无线电装置11和第三无线电装置13如图3所示被布置成使得两者能使用同一个无线电信道k，则具有第三跳频表h3的第三无线电信道k3可以与具有第一跳频表h1的第一无线电信道k1相一致。在io-link-wireless方法中，最多可为五个无线电信道k使用五个不同的跳频表h。
49.在一种实施例中，其中一个无线电信道k的频率切换发生在预定的时间间隔t之后，特别是发生在一百微秒与十毫秒之间的时间间隔t内。特别是，该切换可以每1.664毫秒发生一次。无线电信道k的频率的切换可以包含对发送和接收频率的选择。一方面，可以规定切换频率的时间点由时钟主机3输出的信号决定，或者借助于输出同步信号s这一指令，或者使得时钟主机3所输出的信号包含预定的时间间隔t，另外还根据该信号使无线电用户10的同步时钟80同步。此外，固定的预定时间间隔t或时间点可以保存在无线电装置10的控制程序中。
50.图6示出自动化系统1，其与图3的自动化系统1相对应，前提是下文中未描述任何差异。为清楚起见，图中未示出第一无线电装置11、第二无线电装置12和第三无线电装置13的端口20、同步元件30、无线电模块40和同步输入端70，它们可以按图3所示进行设计。
51.第一无线电装置11布置在第二无线电装置12的第二无线电作用范围192以外或第三无线电装置13的第三无线电作用范围193以外。第二无线电装置12布置在第一无线电装置11的第一无线电作用范围191以外或第三无线电装置13的第三无线电作用范围193以外。第三无线电装置13布置在第一无线电装置11的第一无线电作用范围191以外或第二无线电装置12的第二无线电作用范围192以外。然而，区域59位于两个相邻无线电装置10的无线电作用范围19以内，其中一个区域59位于第一无线电装置11的第一无线电作用范围191以内和第二无线电装置12的第二无线电作用范围192以内，而一个区域59则位于第二无线电装置12的第二无线电作用范围192以内和第三无线电装置13的第三无线电作用范围193以内。因此，第二无线电装置12的第二跳频表h2在任何情况下都必须不同于第一无线电装置11和第三无线电装置13的跳频表h，其中第一无线电装置11和第三无线电装置13可以使用相同的跳频表h(例如第一跳频表h1)，或者同样可以使用不同的跳频表h。
52.附图标记说明
53.1 自动化系统
54.2 主控制单元
55.3 时钟主机
56.4 总线系统
57.10 无线电装置
58.11 第一无线电装置
59.12 第二无线电装置
60.13 第三无线电装置
61.17 天线
62.18 其他总线用户
63.19 无线电作用范围
64.20 端口
65.21 第一端口
66.22 第二端口
67.23 第三端口
68.30 同步元件
69.31 第一同步元件
70.32 第二同步元件
71.33 第三同步元件
72.40 无线电模块
73.41 第一无线电模块
74.42 第二无线电模块
75.43 第三无线电模块
76.50 无线电用户
77.51 第一无线电用户
78.52 第二无线电用户
79.53 第三无线电用户
80.59 区域
81.60 无线电连接
82.61 第一无线电连接
83.62 第二无线电连接
84.63 第三无线电连接
85.70 同步输入端
86.71 第一同步输入端
87.72 第二同步输入端
88.73 第三同步输入端
89.80 同步时钟
90.100 方法流程
91.101 建立步骤
92.102 接收步骤
93.103 输出步骤
94.104 切换步骤
95.191 第一无线电作用范围
96.192 第二无线电作用范围
97.193 第三无线电作用范围
98.h 跳频表
99.h1 第一跳频表
100.h2 第二跳频表
101.h3 第三跳频表
102.k 无线电信道
103.k1 第一无线电信道
104.k2 第二无线电信道
105.k3 第三无线电信道
106.t 时间间隔
107.s 同步信号
108.s1 第一同步信号
109.s2 第二同步信号
110.s3 第三同步信号