CN101283184B - 由可顺序排列的单个模块组成的电动气动模块系统 - Google Patents

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Abstract

一个模块系统包括一个始端模块(12)，该始端模块具有至少一个用于外部总线上的外部总线信号的接头(14)、至少一个气动供给接头(18)、一个电供给接头(20)，并且分别在同一侧上引出：一个用于内部串联总线的串联总线接口(22)、一个电供给接口(24)、一个多极接口(26)和一个气动供给接口。该模块系统还包括至少一个功能模块(42)，所述功能模块具有一个内部串联总线导线(44)、电源导线(46)、电多极导线(48)和气动供给管道(50)，它们分别从一侧到导引另一侧并且连接到始端模块的各一个相应的接口上。该功能模块有选择地分支出至少一个多极导线并且通过在其上输送的信号执行气动的或电气的功能，或执行不仅气动的而且电气的功能。

Description

由可顺序排列的单个模块组成的电动气动模块系统
技术领域
本发明涉及一种由可并排顺序排列的单个模块组成的模块系统。
背景技术
在自动化系统中使用电动气动的模块系统。加工单个模块是适宜的，以便可以构造为使用者量身定制的系统。目前必须将纯电子功能的模块与气动功能模块组装到一起，用于保证给气动模块供给控制流体。因此在系统扩展时可能必须拆卸气动模块，用于首先连接电气模块，或者反之。
不仅在电气模块而且在电动电气模块上分别施加电压。此外使模块连接在控制总线、例如场总线上。在使用如同在自动化技术中常见的控制系统时每个独立模块需要一个地址并且每个模块必须可以使信号在控制总线上解码。在具有粉尘和/或水的恶劣工业环境中由于大量管道接头必须安装在一个控制箱里面，因为否则必须密封每个插接连接器并且管道绝缘必须满足特殊的要求。这在结构上是费事的并因此是昂贵的。
由于上述的限制对于这样的模块系统存在需求，其中可以使电子模块和气动模块以任意的排列顺序相互排列。
此外对于这样的模块系统存在需求，其中使相互排列的单个模块这样被包封，并且最少的外部管道连接就够用，使得无需安装在控制箱里面。
此外对于这样的模块系统存在需求，其也允许使用无源模块，即不能解码控制总线的串联数据的模块，并且仍然可以包括大量模块。
发明内容
本发明提出一个模块系统，它具有一个始端模块，该始端模块具有至少一个用于外部总线上的外部总线信号的接头、至少一个气动供给接头、一个电供给接头，并且分别在同一侧上引出：一个用于内部串联总线的串联总线接口、一个电供给接口、一个多极接口和一个气动供给接口。该模块系统还包括至少一个功能模块，其具有一个内部串联总线导线、电源导线、电多极导线和气动供给管道，它们分别从一侧到导引另一侧并且连接到始端模块的各一个相应的接口上。在此所述始端模块将串联总线信号转换成多极信号并且将这个多极信号输出到多极接口上。该功能模块有选择地分支出其中至少一个多极导线并且通过在所述至少一个多极导线上输送的信号执行气动的或电气的或不仅气动的而且电气的功能。
由此从始端模块将所有必需的管线即串联总线、电供给导线、电多极导线和气动供给管线没有中间管线地直接传递到功能模块上并且穿过功能模块导引。由此所有的敷设导线、即不仅电的数据及供给导线而且气动的供给管道在功能模块中穿过，无需模块与外部管线的附加连接。这一点尤其对于提高保护形式是有意义的，因为每个封装的插接连接器意味着附加的工作和成本费用。此外通过不仅传导电导线而且传导气动管线能够以任意的排列顺序排列电子及气动模块。
在一个优选的实施例中所述多极导线不仅包括输入导线而且包括输出导线并且述所述始端模块包括装置，通过该装置使多极接口的多极信号转换成串联总线信号。通过始端模块中的不仅串联/并联而且并联/串联的转换器，可以使功能模块构成为纯无源的没有信号转换的模块，并且仍然将应答信号给到中央控制器。所述模块系统对外只具有一个外部串联接口。
在另一优选的实施例中所述始端模块具有一个从串联总线接口分支出来的总线延伸接头。在该总线延伸接头上连接第一扩展模块，它在其一侧上具有用于功能模块的接口，由这些接口构成至少一个与始端模块多极接口类似的多极接口。通过第一扩展模块可以建立间断的模块系统单元，它同样连接在外部总线上。最好使第一扩展模块具有另一总线延伸接头，在其上可以连接第二扩展模块。
在另一实施例中所述模块系统还具有至少一个扩展中间模块，所述扩展中间模块可以嵌入两个功能模块之间。该扩展中间模块使内部串联总线从一侧导引到对置一侧。该模块在其其中一侧上具有一个用于安置在其上的功能模块的多极接口。该模块包括用于将内部总线上串联总线信号转换成多极信号的装置。因为每个功能模块分支出至少一个多极导线，排列的功能模块数量受到初始馈入的多极导线数量的限制。通过扩展中间模块得到这种可能性，使用于其它(无源)功能模块的控制信号首先从始端模块串联地导引到扩展中间模块，然后在扩展中间模块中将串联数据转换成并联数据。由此消除对排列的无源模块的少数量的限制，由于有限数量的并联导线产生这种限制。
在这个实施例的一个改进方案中，所述扩展中间模块也将多极接口的多极信号转换成串联总线信号。在另一实施例中所述扩展中间模块具有一个独立的电供给接头，由此在模块系统内部可以实现分段式的紧急断开功能或者可以定义基于电源的自身的分段回路。所述扩展中间模块也可以具有一个用于外部总线上的外部总线信号的接头。由此实现到可能的外部模块的接口。
在另一实施例中在模块系统中具有一个总线功能模块，它可以接合在两个功能模块之间或者一个功能模块与一个终端模块之间并且具有一个总线接口。所述总线功能模块具有至少一个转换器单元并且这个转换器单元包括至少一个模/数转换器和/或至少一个数/模转换器。由此能够实现模拟电压/电流值的输出或接收。例如可以设想压力测量模块，它能够检测模块压力空气通道中的模拟压力。
在模块系统的改进方案中一个具有气动功能的功能模块具有至少一个独立的应答接头。通过将应答输入整合到气动模块内，不再能够混淆所显示的应答信号。此外得到明显节省空间的结构形式的优点并且得到更高的保护形式。
优选使至少一个模块具有一个维护功能，其中所述维护功能可以通过诊断/编程接口实现。通过组合诊断接口实现这种可能性，使诊断和故障通知以明码文本输出到例如笔记本电脑上。此外通过这个接口实现执行软件更新的可能性，无需如目前常见的那样更换电结构部件。
最好使所述模块以高级保护形式IP65/IP67封装。在模块的侧面上设置相互嵌接的插接连接器，所述插接连接器具有密封环和上下嵌接的凸缘。所述模块系统或模块系统的功能模块的密封性最好通过局部浇注建立。在此最好使接头在内侧通过密封的物质浇注。最好在相邻模块之间以形状锁合的配合安装覆盖卡箍。在此只有当模块止锁时，才安装覆盖卡箍。由此保证，以IP65/IP67保护形式建立模块系统，无需安装在控制箱里面。
所述模块系统最好包括一个气动扩展功能模块，在其中将电的多极输入导线转换成电的多极输出导线。由此可以使不使用的多极输入导线作为多极输出导线。通过这些多极输出导线可以成本有利地实现可控的、气动的功能。
附图说明
本发明的其它优点通过借助于附图的优选实施例描述给出。附图中：
图1以示意图示出一个模块系统，具有一个始端模块、六个功能模块和一个终端模块；
图1a示出图1的始端模块的细节放大图；
图2示出具有两个扩展模块的模块系统；
图3以立体图示出按照本发明的模块系统，具有一个始端模块、四个功能模块和一个终端模块。
具体实施方式
图1简示出一个模块系统10，例如由八个并排排列的单个模块组成，其中在图1中在左边示出一个始端模块12。该始端模块12具有一个用于引入的外部总线的接头14和一个用于引出的外部总线的接头16。在此引出的外部总线是可选择的，它也可以通过一个终端电阻替换。此外该始端模块12具有一个气动的供给接头18和一个电的供给接头20。在图1a中示出始端模块12在图1中位于右侧的接口，图1a示出模块12的放大图。该模块导引出：一个具有同样标明的地址线接口的串联总线接口22、一个电供给接口24、一个多极接口26以及一个气动供给接口28。多极接口分成数字输入26a和数字输出26b。该始端模块包括处理器30，在其中除了将串联总线信号转换成并联多极信号以外也可以组合非集中的智能。由此可以实现一个自由编程的小控制器。为此使始端模块12也具有附加的总线接口32，通过它使用者可以在始端模块上对简单的控制过程编程，由此使主控制器减轻压力。在其它描述中给出总线接口32的其它可能的应用。通过双箭头34表示在总线接口32与控制器30之间的数据传输。此外所述始端模块12包括一个总线界面36，它具有地址寄存器38。该总线界面36根据使用情况设计用于通常的场总线协议。例如Profilbus、CANopen、DeviceNET或以太网也可以作为总线协议。所述始端模块12具有一个总线延伸接头40作为其它接口，结合图2详细描述它。
在图1中一个无源的功能模块42a邻接始端模块12，接着是功能模块42b、42c和42d和另一功能模块42e。所述功能模块42a至42d分别从一侧到对置的一侧导引内部的串联总线导线44、电源导线46、电多极导线48(分成多极输入导线48a和多极输出导线48b)和气动供给管道50。简示的气动供给管道50包括许多通道，由此传送输入空气、排出空气、控制辅助空气和预控制排出空气。
在每个功能模块42a至42d中在各功能模块42内部不仅分支出一部分多极输入导线48a而且分支出一部分多极输出导线48b。通过提供数字多极输入及输出导线48a、48b也可以将流体的专用模块如真空喷射器模块、压力调节和过滤模块组合到模块系统10里面。类似地当然也可以组合专用的电或电动气动模块。作为示例在这里列举压力显示模块、压力感应模块、压力开关和传感器模块。
在模块42b和42d中还实现气动供给管道50的分支。因此功能模块42b和42d是气动的功能模块，而功能模块42a和42c是电子功能模块。当然也可以使模块42a和42c是具有从气动供给管道分支的气动功能模块。功能模块42e配有独立的气动供给接头58。由此能够在模块系统中组合阀门，它们需要其它的流体供给，不同于在贯穿所有模块的气动供给管道上提供的流体供给。分支的多极输出导线按照模块形式导引信号，以便执行气动的或电的或不仅电的而且气动的功能。通过多极输入导线流动相应的应答信号，如传感器信号或控制功能的信号。所述多极输入导线例如可以作为独立的应答接头。由此可以直接在功能模块42中显示应答信号并由此直接附属。除了在模块本身中显示以外也可以使应答信号通过多极导线或在有源的中间模块中转换成以后通过串联的总线导线传递到控制装置。
在功能模块42d与其它功能模块42e之间嵌入一个扩展中间模块52。内部串联总线导线44以及气动供给管道50在扩展中间模块52中穿过。扩展中间模块52在其在图1中的右侧具有多极接口，用于安置在其上的功能模块42e。扩展中间模块52具有将内部总线的串联总线信号转换成多极信号的装置。由此可以使其它功能模块42接连排列，因为扩展中间模块提供新的多极输入导线和多极输出导线供使用。由此取消对初始由始端模块12提供的多极导线的限制。在新的多极导线上要输送的信号从始端模块12通过内部串联总线导线44穿过功能模块42a至42d。在图1中所示的实施例中，所述扩展中间模块52具有一个附加的供给接头54。也能够使电源导线46穿过扩展中间模块52导引，但是独立的电供给接头54具有优点，即由此能够使模块系统分成段，它们可以分开地断开和接通，例如在紧急断开时。在故障情况下只需使一个段的模块而不是整个模块系统与电源分开。
所述扩展中间模块52还具有一个总线接口56，通过它可以将外部的总线信号从外部总线馈入到扩展中间模块52内。这个总线接口可以是例如诊断/编程接口。通过这个诊断编程接口可以实现用于所连接的功能模块的维护功能。为了诊断，在这个接口上能够将明码文本输出到例如笔记本电脑上。所述总线接口也能够方便地实现软件更新下载。当然也能够通过来自始端模块12的内部总线44实现维护功能以及诊断和下载软件更新，它同样具有附加的总线接口32，它具有与诊断/编程接口56相同的功能。在工业环境中可以有利地也在扩展中间模块52上提供一个诊断/编程接口供使用。所述总线接口32和56也可以用于连接在不同生产者的外部总线上。
在另一未示出的模块系统结构中可以在两个功能模块之间嵌入一个总线功能模块，它与所示的扩展中间模块52不同只具有一个用于连接在外部总线上的总线接口，并且不将串联数据转换成并联数据。这种总线功能模块可以包括一个模/数转换器和一个数/模转换器。由此可以处理模拟的测量值，并且在转换后以数字值输送到内部串联总线44上。扩展中间模块52通过将串联总线信号转换成并联多极信号提供新的多极输入及输出导线供使用，除了扩展中间模块以外也可以设想中间模块，它将不利用的多极输入导线转换成多极输出导线。
在图1中在扩展中间模块52上连接功能模块42e，该功能模块基本与功能模块42a-42d一样地构成。功能模块42e附加地配有独立的气动供给接头58。由此能够在模块系统中组合阀门，它们需要其它的流体供给，不同于在贯穿所有模块的气动供给管道上提供的流体供给。
在图1中所示的模块系统10包括一个终端模块60作为终端。该终端模块60包括一个用于串联总线导线44的终端电阻61并且以适合的方式封闭气动供给管道50。
图2示出按照本发明的模块系统的另一可能结构。在一个始端模块12上对应于图1中的描述连接功能模块42f至42k，在功能模块42k上连接终端模块62。在功能模块42i与42j之间具有一个扩展中间模块64，它具有一个独立的供给电压输入66。在扩展中间模块64中将串联数据转换成并联数据。它们在一个多极接口上输出到相邻的功能模块42j。所述始端模块12具有一个供给接头20以及用于引入和引出的外部总线的接头14和16。此外设置一个气动供给接头18。在始端模块12中仍然将外部总线的串联信号转换成并联的多极信号，以及将串联信号传递到内部串联总线上。一个内部总线导线44和气动供给管道50从始端模块12穿过所有相互排列的模块。多极导线48和电源导线46穿过功能模块一直导引到功能模块42i，该功能模块邻接扩展中间模块64。在扩展中间模块64上将来自内部串联总线44的串联信号转换成并联信号，它们在一个多极接口上输送给邻接的功能模块42j，这些多极导线再次穿过模块42j和42k导引。所述扩展中间模块64具有一个独立的电源66，由此从那里开始电源线穿过接下来的功能模块42j和42k。地址线68平行于内部总线导引。
所述始端模块12具有总线延伸接头40，该总线延伸接头由串联总线接口分支出来并且已经在图1a中示出。在这个总线延伸接头40上连接第一扩展模块72，它也具有一个总线延伸接头74，在其上连接第二扩展模块76。第二扩展模块76也具有一个总线延伸接头，由此可以连接其它的扩展模块。所述扩展模块分别具有一个独立的供给接头82和84。内部总线的串联总线信号在扩展模块72和76中转换成并联信号并且分别输出到多极接口。在扩展模块72和76上以公知的方式排列功能模块42l-42s。在所示系统结构中功能模块42l-42s是纯多极功能模块，即串联的内部总线不穿过模块，但是气动供给管道50可能穿过。当然内部总线也可以在扩展模块72和76中分支，由此可以设想具有贯穿的串联内部总线44的功能模块的一个接头，如其在图2中直接连接在始端模块12上的那样。通过使始端模块12提供一个总线延伸接头40，从而无需外部的场总线节点。由此容易且成本有利地实现系统扩展。因为总线导线位于始端模块12与扩展模块72之间或在扩展模块72与扩展模块76之间，这个系统分组不必相邻，它可以是间断的单元。
图3以立体图示出组装前的一个模块系统，它由一个始端模块12、四个功能模块42a至42d和一个终端模块60组成。可以看出多极接口26和气动供给接口28。在侧面上的插连连接器配有密封环和相互嵌接的连接凸缘。所述接头在内侧通过密封物质浇注。附加地通过局部浇注保证模块的密封性。在终端模块60上可以看到一个空隙85，它出现在所有的模块中。由此可以使模块装配在一个支承轨道上。在模块组装并且使其相互止锁后，将覆盖卡箍86以形状锁合的配合安装在各相邻的模块之间。只有在事先止锁模块时才可以进行这种安装。模块之间的止锁通过各三个止锁销实现，它们分别可移动地安装在模块侧壁内。为了止锁将止锁销插到相邻模块侧壁的贯通孔内并且通过旋转止锁。只有在插入状态、即只有在止锁后才可以定位覆盖卡箍86。
通过稳定的外壳和模块相互之间的止锁实现一个非常刚性的模块系统，由此在插接时不产生接触问题并且没有大作用力作用于触针上，印制电路板在外壳中悬浮地支承。由此使插头总是对中并且补偿误差。通过将内侧浇注的接地销通过弹簧钢部件顶压在位于电路板上的接地导线上，仍然保证在悬浮支承的印制电路板与刚性地固定在外壳上的接地销之间的可靠接地。

Claims (24)

1.一个由可并排顺序排列的单个模块组成的模块系统，包括：
一个始端模块(12)，该始端模块具有至少一个用于外部总线上的外部总线信号的接头(14)、至少一个气动供给接头(18)、一个电供给接头(20)，并且分别在同一侧上引出：一个用于内部串联总线的串联总线接口(22)、一个电供给接口(24)、一个多极接口(26)和一个气动供给接口(28)；
以及至少一个功能模块(42)，所述功能模块具有一个内部串联总线导线(44)、电源导线(46)、电多极导线(48)和气动供给管道(50)，它们分别从一侧导引到另一侧并且连接到始端模块的各一个相应的接口上；
其中：
所述始端模块(12)将串联总线信号转换成多极信号并且将该多极信号输出到多极接口(26)上；
该功能模块(42)有选择地分支出其中至少一个多极导线并且通过在所述至少一个多极导线上输送的信号执行气动的或电气的功能，或执行不仅气动的而且电气的功能。
2.如权利要求1所述的模块系统，其特征在于，所述始端模块将多极接口的多极信号转换成串联总线信号。
3.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，所述多极导线不仅包括输入导线而且包括输出导线。
4.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，所述始端模块具有一个从串联总线接口分支出来的总线延伸接头，在该总线延伸接头上连接一第一扩展模块，该第一扩展模块在其一侧上具有用于功能模块的接口，由这些接口构成至少一个与始端模块的多极接口相同的多极接口。
5.如权利要求4所述的模块系统，其特征在于，所述第一扩展模块具有一个总线延伸接头，在该总线延伸接头上可以连接一个第二扩展模块。
6.如权利要求1所述的模块系统，还具有至少一个扩展中间模块，所述扩展中间模块能够嵌入两个功能模块之间，将内部串联总线从一侧导引到对置一侧，在其其中一侧上具有一个用于安置在其上的功能模块的多极接口并且将内部总线上的串联总线信号转换成多极信号。
7.如权利要求6所述的模块系统，其特征在于，所述扩展中间模块将多极信号输出到多极接口上或者转换成串联总线信号。
8.如权利要求5或6所述的模块系统，其特征在于，所述扩展中间模块具有一个独立的电供给接头。
9.如权利要求5或6所述的模块系统，其特征在于，所述扩展中间模块具有一个用于外部总线上的外部总线信号的接头。
10.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，设置一个总线功能模块，该总线功能模块可以嵌入两个功能模块之间或一个功能模块与一个终端模块之间并且具有一个总线接口。
11.如权利要求10所述的模块系统，其特征在于，所述总线功能模块具有至少一个转换器单元。
12.如权利要求11所述的模块系统，其特征在于，所述至少一个转换器单元包括至少一个模/数转换器和/或至少一个数/模转换器。
13.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，具有气动功能的功能模块具有至少一个独立的应答接头。
14.如权利要求1或2所述的模块系统，还具有一个气动的扩展功能模块，在该扩展功能模块中将电多极输入导线转换电多极输出导线。
15.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，其中至少一个模块具有一个维护功能。
16.如权利要求15所述的模块系统，其特征在于，所述维护功能可以通过诊断/编程接口实现。
17.如权利要求15所述的模块系统，其特征在于，所述维护功能可以通过内部总线接口实现。
18.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，所述模块构成有高级保护形式IP65/IP67的封装件。
19.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，一个具有气动功能的功能模块具有自身的气动的供给接头。
20.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，在模块的侧面上设置相互嵌接的插接连接器，所述插接连接器具有密封环和上下嵌接的凸缘。
21.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，所述模块系统或模块系统的功能模块的密封性通过局部浇注建立。
22.如权利要求1或2所述的模块系统，其具有接头，所述接头在内侧通过密封的物质浇注。
23.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，经由一个电路板的接地导线实现功能模块的接地，该接地导线通过弹簧钢元件与功能模块的在内侧浇注的外部接头连接。
24.如权利要求1或2所述的模块系统，其特征在于，只有当模块止锁时，才将覆盖卡箍以形状锁合的配合安装在相邻模块之间。
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