Die Erfindung betrifft 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 Auswerte- bzw. Steuereinheit 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.

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 4.

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. Wesentlich ist nun, dass mittels eines Controllers 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.

Die Änderung der Zugehörigkeit der Einzelelektroden zu den wenigstens zwei

Sammelelektroden erfolgt in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in einem Multiplexer, mit dem die Einzelelektroden verschaltet sind und der vom Controller gesteuert wird. Alternativ dazu kann die Änderung der Zugehörigkeit der

Einzelelektroden zu den wenigstens zwei Sammelelektroden auch in einer Logikeinheit erfolgen, mit der die Einzelelektroden verbunden sind und die von dem Controller gesteuert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 a/1 b jeweils einen Querschnitt eines mehradrigen Kabels, das von einem

Werkzeug zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen umgriffen wird,

Figur 2 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen und

Figur 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zum berührungslosen Abgriff von Kommunikationssignalen.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Figur 1 a und Figur 1 b ist jeweils der Querschnitt eines mehradrigen Kabels 1 abgebildet. Gezeigt ist eine typische Industrieanwendung als vieradrige Steuerleitung mit Verseilung. Typischerweise hat das Kabel einen Durchmesser von ca. 5 mm und ist aus PUR oder PVC ummantelt. 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 der einen Kommunikationseinheit um einen Sensor oder Aktor handelt und bei der anderen Kommunikationseinheit um eine digitale Auswertebzw. Steuereinheit, bspw. eine SPS. Entscheidend ist hierbei, dass zwischen diesen beiden Einheiten eine unidirektionale oder bidirektionale Kommunikation im Halbduplex- Verfahren erfolgt, d.h. beide Einheiten können nicht gleichzeitig miteinander

Informationen austauschen, 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.

Insbesondere ist die Erfindung für den Abgriff von IO-Link-Kommunikationssignalen vorgesehen. IO-Link ist ein feldbusunabhängiges Kommunikationssystem zur

Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren an ein Automatisierungssystem mit Datenübertragungsraten bis zu 230 kBaud und ist nach der Norm IEC61 131 -9 international standardisiert.

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 Figuren 1 a und 1 b 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 Figuren 1 a und 1 b 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 Fig. 1 a sind die (Einzel-)Elektroden E1 -E4 zur ersten Sammelelektrode 10a und die (Einzel-)Elektroden E5-E8 zur zweiten Sammelelektrode verbunden, während in Fig. 1 b die (Einzel-)Elektroden E1 -E3 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 Sannnnelelektroden 10a, 10b sind auch deswegen gestrichelt gezeichnet, weil sie nicht statisch sind, sondern die Zugehörigkeit der Einzelelektroden E1 -E8 zu den beiden Sannnnelelektroden 10a, 10b variiert werden kann, was durch die

Darstellungen in den Figuren 1 a und 1 b zum Ausdruck kommen soll. Mittels eines Multiplexers 21 - siehe Fig. 2 - oder einer Logikeinheit 25 - siehe Fig. 3 - 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 den folgenden Fig. 2 und 3 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. Die Kapazität zwischen den beiden Sammelelektroden 10a, 10b beträgt dabei etwa 5 pF.

In Figur 2 ist durch ein Blockschaltbild die elektronische Auswerteschaltung 20 eines ersten Ausführungsbeispiels 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 Schalterstellungen fest, welche der Einzelelektroden E1 -E6 zur ersten

Sammelelektrode 10a oder zur zweiten Sammelelektrode 10b verschaltet werden.

Gesteuert wird der Multiplexer 21 über einen Controller 26, der 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 - die Grenzfrequenz liegt typischerweise bei 500 kHz -, und anschließend einem Verstärker 23 zugeführt. Der Verstärker 23 ist vorteilhaft als Differenzverstärker 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- oder CPLD-Baustein, soweit

rekonstruiert, dass am Ausgang das ursprüngliche Spannungssignal auf der

Signalleitung 2 vorliegt.

Dieses Spannungssignal wird dem Controller 26 zugeführt, in dem die jeweiligen Stromsignale der einzelnen Zusammensetzungen der beiden Sammelelektroden 10a, 10b gespeichert und ausgewertet werden. Abhängig von der Auswertung erfolgt dann die bereits erwähnte Steuerung des Multiplexers 21 durch den Controller 26. Am 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 Datenbus herstellen lässt, um die abgegriffenen und rekonstruierten Kommunikationssignale über einen Bus an eine Diagnoseeinheit weiterleiten zu können.

In Figur 3 ist durch ein Blockschaltbild die elektronische Auswerteschaltung 20 eines zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt, durch die das Abgreifen und Auswerten des Kommunikationssignals alternativ zur Ausführungsform gemäß Fig. 2 realisiert ist. Im Unterschied zur Ausführung gemäß Fig. 2 erfolgt die Zuordnung der Einzelelektroden E1 -E6 zu den wenigstens zwei Sammelelektroden 10a, 10b nicht bereits zu Anfang der Signalverarbeitung, sondern erst in einem späteren Verfahrensschritt.

Die Stromsignale der Einzelelektroden E1 -E6 werden wieder zunächst jeweils einem Tiefpass 22, mit dem sich u.a. höherfrequente Störsignale rausfiltern lassen, und anschließend jeweils einem Verstärker 23 zugeführt. Die verstärkten Signale werden nun einem AD-Wandler 24 und anschließend digitalisiert einer programmierbaren Logikeinheit 25 zugeführt, z.B. einem FPGA- oder CPLD-Baustein, in der die Signale miteinander verknüpft werden. Die Verknüpfung wird durch einen nachgeschalteten Controller 26 gesteuert und erfolgt durch Additions- und/oder Substraktionslogik.

Dadurch wird die Zuordnung der Einzelelektroden E1 -E6 zu den Sammelelektroden bestimmt, so dass die Logikeinheit 25 hier die Funktion des Multiplexers 21 aus Fig. 2 übernimmt. Die Sammelelektroden sind in diesem Ausführungsbeispiel körperlich nicht sichtbar, da deren Zusammensetzung vollständig innerhalb der Logikeinheit 25 erfolgt, so dass in Fig. 3 hierfür keine Bezugszeichen angegeben sind.

In der Logikeinheit 25 wird das aus der Verknüpfung resultierende, digitalisierte Signal soweit rekonstruiert, dass an dessen Ausgang das ursprüngliche Spannungssignal auf der Signalleitung 2 vorliegt.

Dieses Spannungssignal wird dem Controller 26 zugeführt, in dem die jeweiligen Stromsignale der einzelnen Zusammensetzungen der beiden Sammelelektroden 10a, 10b gespeichert und ausgewertet werden. Abhängig von der Auswertung erfolgt dann die bereits erwähnte Steuerung der Logikeinheit 25 durch den Controller 26 hinsichtlich der Verknüpfung. Am 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 Datenbus herstellen lässt, um die abgegriffenen und rekonstruierten

Kommunikationssignale über einen Bus an eine Diagnoseeinheit weiterleiten zu können.

Diese Ausführungsform ist gegenüber der Ausführung mit Multiplexer gemäß Fig. 2 schaltungstechnisch aufwendiger, dafür aber flexibler. So können bei der Zuordnung der Einzelelektroden zu den Sammelelektroden 10a, 10b auch einzelne Elektroden ausgeklammert werden, so dass mit Blick auf Fig. 1 a bzw. Fig. 1 b für die

Zusammenstellung der Sammelelektroden 10a, 10b bspw. nur die Elektroden E1 -E3 und E6-E8 verwendet werden und nicht auch die Elektroden E4 und E5. Dies ist vorteilhaft, wenn es Elektroden gibt, die aufgrund ihrer Lage zur aktiven Leitung keinen Signalbeitrag leisten. Des Weiteren kann die Logikeinheit 25 die Verknüpfungen der Elektrodensignale abhängig von der Programmierung sowohl seriell als auch parallel auswerten, während der Multiplexer 21 aus Fig. 2 die Verschaltungen nur seriell ausführen kann.