CN109462486B - 具有电压供应和通信接口的集成布置 - Google Patents

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Abstract

在用于至少一个电气可操作的IO‑链路设备(335‑350)的控制操作的电气通信电压供应的布置中，所述布置借助于由电压供应单元(300)提供的电气DC电压以及IO‑链路通信接口(305)，所述IO‑链路通信接口(305)被提供来用于所述至少一个IO‑链路设备(335‑350)的所述控制操作并且是用至少一个通道形成，规定用至少一个通道形成的所述IO‑链路通信接口(305)和所述电压供应单元(300)形成结构单元(310)，并且所述IO‑链路通信接口(305)包含提供网关功能的IO‑链路主机。

Description

具有电压供应和通信接口的集成布置
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求1的序言的具有电压供应以及以至少一个通道形成的通信接口的布置。
背景技术
所谓的“IO-链路”连接近年来已被使用于将工业终端设备连接到例如现场总线模块。这样的IO-链路以及用于操作这样的IO-链路的方法和控制手段从DE 10 2012 009 494A1已知。如那里所描述，现场总线模块承担IO-链路主机的角色。例如，传感器、致动器、显示设备、操作设备，包括机器上的驱动机，被视为终端设备，在下文中称为“IO-链路设备”。
在许多工业组装系统中，需要来用于布线和用于电气安装的开关柜的空间超过可利用的安装空间。这里，在用于信号传输到相应工业机器的系统部分的安装期间的用于工作时间和材料支出的成本通常超过附接传感器和致动器的获取成本。
为了解决这个问题，关心的制造商的联盟已指定用于具有以上提到的指示“IO-链路”的智能传感器/致动器接口的标准，所述“IO-链路”通过标准IEC61131-9标准化为国际开放标准。因此，所述IO-链路设备通过说明文件IODD，IO-链路设备描述加以描述。
这样的IO-链路提供用于传感器和致动器与机器的IO级之间的信号传输的串行点到点连接。原理上，IO-链路在特定IO-链路主机与作为从设备的附接IO-链路设备之间传递数据。附接IO-链路设备，即传感器、致动器或其组合设备的功率供应有利地用单独插塞连接器上的IO-链路发生。现场总线模块和PLC接口组件两者可作为IO-链路主机购得。
另外，这样的IO-链路与二进制标准传感器向后兼容并且使用一致无保护的三芯或五芯标准线。虽然现场总线级负责将单独机器或它们的部件链接到系统的控制，但是IO-链路将被指派给机器级或传感器致动器级。现场总线级包括大部分标准化现场总线，因为它们通常使用在机器构造和工厂构造中。
发明内容
本发明基于以下观念：在过去，以上提到的IO-链路通信系统最初主要使用于与传感器的通信，但是同时也日益增加地使用于控制致动器诸如例如电气驱动机、电动气动驱动机、阀终端、液压控制阀、电抓取器等。
为了也能够将所述通信系统使用在致动器领域中，在IO-链路规格中提供类型B的主机端口，所述主机端口具有它们自己的电位隔离电压或致动器的功率供应，所述电压或功率供应布置在单一插塞连接器上。然而，许多致动器例如用于格式调整的驱动机或抓取器需要在4A和更高的范围内的相对高的电气供应电流。对于用于操作四个以上提到的驱动机的例如四通道IO-链路主机，至少16A的总电流因此将必须可用，这在常规7/8英寸插塞的情况下是不可能的，因为这些是仅在9A的最大电流的情况下指定。因而，同时操作，具体地100％同时操作在以上提到的四个驱动机的情况下借助于单一IO-链路主机是不可能的。这个问题在具有甚至更多通道的IO-链路主机的情况下，例如在8端口主机的情况下甚至更显著。
以上提到的相对高的供应电流例如出现在使用于包装工业中以用于自动格式转换/改变的目的的驱动机或致动器中。这样的格式转换涉及例如具有批次大小的频繁改变或频繁产品改变的生产系统，所述批次大小的频繁改变或频繁产品改变使生产系统或机器到不同格式的快速转换成为必需。这样的转换通常与高能量消耗有联系，因为许多停止和指南必须被调整。另外，相对长的改装时间出现，并且长机器停机时间与这有联系。
本发明因此基于指定具有电压供应单元(AC/DC转换器)并且具有带有至少一个通道的IO-链路通信接口的布置的目的，所述IO-链路通信接口具有IO-链路主机，借助于所述布置，可避免现有技术的所述缺点，并且借且于所述布置，可使能致动器的控制，尤其用以上提到的IO-链路通信系统。这里，所述IO-链路主机提供网关功能，例如本身已知的现场总线系统到IO-链路通道(或“端口”)的网关。例如，本身已知的“PROFINET”(处理现场网络)总线系统，或市场中惯有的任何其他现场总线系统被视为现场总线系统。
为了解决所述目的，提议“通信电压供应”的集成布置，例如具有AC/DC转换器单元以及带有至少一个通道的IO-链路通信接口的电压供应单元，所述IO-链路通信接口具有由IO-链路主机提供的所述网关功能。这里，对应“网关”对应于所述IO-链路主机并且包含指派给IO-链路接口的至少一个IO-链路通信接口。
在根据本发明的布置中，可以规定用至少一个通道形成的通信接口具有至少一个IO-链路主机，所述至少一个IO-链路主机具有用于到至少一个致动器的连接的至少一个端口，其中所述IO-链路主机在现场总线系统与IO-链路通信系统之间提供网关。
在根据本发明的布置中，还可以规定电压供应单元具有配备功率电子学的AC/DC转换器，借助于所述AC/DC转换器，操作至少一个致动器。在致动器的特殊功率要求的情况下，功率电子学可以用例如SiC晶体管和/或用GaN晶体管形成。
现场总线系统和IO-链路通信系统可借助于无线通信连接连接，借此显著地改善在致动器的控制期间的空间灵活性。
在根据本发明的布置中，可别外提供，所述至少一个IO-链路主机包含分散控制功能和用于中心可编程逻辑控制器(PLC)的解除或者也用于较小机器或机器模块的独立控制的数据预处理设备。
此外，可以规定所述至少一个IO-链路主机具有所述至少一个致动器的标准化诊断功能，所述诊断功能已提供在所述“IO-链路”标准中，并且有利地仅通过所述集成布置致能，尤其还包括电压供应单元。此外，可以规定所述至少一个IO-链路主机具有用于所述至少一个致动器的参数化的标准化参数化功能，并且尤其还具有用于参数化的电压供应单元，所述电压供应单元仅通过集成布置使能。
这里，所提议的“通信电压供应”可包含高效AC/DC转换器，借助于所述高效AC/DC转换器，尽可能有效地为致动器供应DC电压。AC/DC转换器可配备现代功率半导体，尤其高效和/或高度紧凑的功率电子学，例如装有SiC晶体管或GaN晶体管。集成在所提议的电压供应中的通信接口优选地另外包含类型B的至少一个IO-链路端口，例如4通道或8通道端口BIO-链路主机。
AC/DC转换器和通信接口的集成或公用布置可有利地实现在适合于工业使用的单一壳体中。尤其由于所述高效AC/DC转换器，适合于工业使用的壳体可被形成为被动冷却壳体，所述被动冷却壳体满足根据关于灰尘和水的不渗透性的IP67保护的技术要求。
由于所述集成构造，具体地形成为所述IO-链路设备的若干智能致动器可例如经由IO-链路附接，并且可在没有所述问题，具体地关于IO-链路主机上的总电流限制的情况下电气地操作或供应。
可通过本发明有效地避免占用额外空间的介于电压供应单元与IO-链路主机之间的学术上复杂的不经济的电缆敷设。因而，在布置在开关柜中的对于IP20保护足够的根据现有技术的功率供应单元中，必须在相对宽的距离上引导大电流。与根据本发明的方法相比，开关柜到驱动机或致动器的常规电缆敷设由于复杂的电缆敷设、所述电流限制、能量损失和空间要求(例如用于安装所需要的开关柜体积)而为不利的。
另外，本发明由于所述集成布置而使技术或功能诊断能够在附接致动器上并且在电压供应上以一致方式进行。这里，例如，可一致地诊断监视的致动器以及电压供应中两者的高压和低压或高温和低温。用于例如电压供应的“负载级”、“应力级”或“寿命”的诊断值可被一致地确定并且可用。
本发明另外使能附接致动器或IO-链路设备以及电压供应或转换器单元能够通过IO-链路以一致方式并且以标准化方式参数化并且为它们提供设定参数。
因为根据本发明需要仅一个壳体，而不是两个壳体，且因而消除两个设备壳体之间的电气连接，所以也显著地降低机械组装时间和电气组装时间。除了所述较低开关柜体积之外，还存在对于开关柜的空调的较低要求，借此对应的能量节省出现。
附图说明
在附图中描绘并且在以下描述中更详细地描述本发明的示范性实施方案。
这里示出：
图1电压供应单元到IO-链路通信接口的连接，所述连接是根据现有技术建立。
图2根据本发明建立的IO-链路通信接口，所述IO-链路通信接口由于电流限制而具有变通方法。
图3根据本发明形成为结构单元，作为电压供应单元(AC/DC转换器)和IO-链路通信接口的布置的“通信电压供应”。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的布置各自电路系统布置，所述布置各自电路系统布置包含电压供应110、115、IO-链路主机100，所述IO-链路主机具有四个类型B的端口130-145，以及附接到所述端口的四个IO-链路设备150-165，例如IO-链路允许驱动机。在示范性实施方案中，电压供应包含开关柜105，所述开关柜提供AC电压源110，具有例如230V或110V。对应的AC电压被指派给形成为电压供应单元的布置在开关柜外侧的“IP67”开关电源115，AC电压借助于所述“IP67”开关电源以本身已知的方式转换成例如24v的较低DC电压。AC电压到DC电压的转换借助于提供在开关电源115中的AC/DC转换器以已知方式发生。
开关电源115经由电线120连接到AC电压源110。开关电源115经由电线125连接到IO-链路主机100，所述转换后DC电压经由所述电线传输到IO-链路主机100。IO-链路主机100另外经由控制线126连接到本身已知的现场总线系统的现场总线接口127，所述现场总线接口以数据技术或通信技术方式布置在开关柜105中。
这里，IO-链路设备150-165与IO-链路主机100的通信借助于所谓的IO-链路通信协议以本身已知的方式发生。
然而，在图1中所示的电路布置的情况下，不可能同时操作若干或甚至所有四个驱动机，因为对于四倍的4A的这种情况所需要的电流原则上出于已提出的原因(9A的7/8英寸插塞最大电流)而不可实现。另外，这种布置需要用于开关电源115和IO-链路主机100的两个壳体的相对高的安装努力。此外，图1中所示的介于开关电源115与IO-链路主机100之间的电缆敷设是相对复杂的并因而是昂贵的，并且整个布置占用相对大量的空间并且分别是相对空间填充的。
图2示出根据现有技术的可能变通方法，在所述可能变通方法的情况下，经由IO-链路主机的电流供应是不再可能的，因为电气总电流超过所述插塞规格。
在变通方法中，图1中所示的开关电流供应115布置215在开关柜205中。相应地，在图1中描绘为100的IO-链路主机200布置在开关柜205中。仅IO-主机的电压供应225保持未改变。在变通方法中，从IO-链路端口230-245延伸到电源电压输送线226-229的数据线的链路借助于夹持器280-283发生。
也示出的通信线290-293因而表示具有额外致动器供应的完整IO-链路连接，所述额外致动器供应经由电压供应线226-229提供。附图标号250-265表示IO-链路设备，所述IO-链路设备可以是传感器、致动器或具有这些功能中两者的设备。
首先，在图2中所示的布置中，必须通过通信线290-293桥接的大多为大的空间距离是不利的。另外，IO-链路的最大线长度技术上限于近似20m。此外，用于创建所述链路280-283的技术安装努力以及增加的开关柜体积和任择地用于对于这所需要的开关柜空调的增加的支出是显著不利的。
在图3中，示出了修改后布置各自电路布置的示范性实施方案。描绘了通过电压供应单元300与IO-链路通信接口305的组合形成的所述“通信电压供应”。在示范性实施方案中，电压供应单元300包含用于本实例中的四个致动器335-350的电气供应和控制操作的AC/DC转换器302。在示范性实施方案中，通信接口305和电压供应单元300被形成为结构单元并且适应在单一壳体310中。在所描绘的实施方案中，壳体310被形成为满足IP67保护要求的被动冷却壳体。
在本实例中形成为IO-链路通信系统的通信接口305包含目前具有四个端口315-330的门电路。四个端口315-330各自连接到图3中所示的致动器或IO-链路设备335-350中的一个。在本示范性实施方案中，致动器335-350是驱动机，所述驱动机包括配备智能驱动电子学的电动机。
“通信电压供应”的电压供应单元300具有配备功率电子学的AC/DC转换器，其中本示范性实施方案中的功率电子学已通过使用常规硅基晶体管形成，所述常规硅基晶体管具有至多近似91％的相对高的转换效率，以便使能根据本发明的集成布置。因而可能将电压供应单元300以及IO-链路通信系统305适应在相对小的壳体310中，尤其在仅被动冷却的情况下。
应注意，在就用于电压供应的操作致动器而言的相对高功率要求的条件下，功率电子学302也可以使用本身已知的SiC或GaN晶体管技术来实现，以便通过增加的效率使能被动冷却的所需要的使用。
与在图1中类似地，适应在壳体310中的布置电气地连接到开关柜355并连接到现场总线(系统)或对应现场总线接口360，并且连接到布置在那里的AC电压源365，所述AC电压源继而供应230/110V。这里，所述AC/DC转换器302也经由电气供应线375电气地连接到AC电压源365。供应线375上所需要的相对低的电流是有利的，所述相对低的电流仍可在没有常规或标准插塞连接器的问题的情况下，甚至在具有八个致动器的布置的情况下处置。通信接口305借助于数据或控制线370以数据技术或通信技术方式连接到现场总线360。
在本示范性实施方案中，以四个通道形成的通信接口305包含IO-链路主机，所述IO-链路主机具有用于到致动器335-350的连接的四个端口315-330，其中IO-链路主机在现场总线系统360与IO-链路通信系统305、315-350之间提供网关。现场总线系统360和IO-链路通信305可经由无线通信连接以数据技术方式彼此连接，借此用IO-链路通信系统305的空间布置显著地增加灵活性。借助于数据线或控制线370的物理现场总线连接由此变成无线通信连接。
IO-链路主机可包含用于为操作致动器或IO-链路设备提供分散控制功能的可编程逻辑控制器(PLC)。IO-链路设备335-350可以是传感器、致动器或甚至具有组合传感器和致动器功能的设备。由于其PLC功能，IO-链路主机因而可以完全自足方式承担机器的控制，所述机器的传感器和致动器通过IO-链路设备335-350表示。在与中心机器控制的控制信息的同时交换的情况下的机器模块的分散控制也是可能的。
另外，IO-链路主机可包含用于以通过IO-链路标准化的一致方式执行至少一个致动器，和具体地，电压供应单元300的诊断的诊断功能。IO-链路主机还可以包含用于至少一个致动器和任择地另外电压供应单元300的参数化的参数化功能。

Claims (10)

1.一种用于至少一个电气可操作的IO-链路设备(335-350)的控制操作的通信电压供应的电路，其中由电压供应单元(300)将电气DC电压提供给所述至少一个IO-链路设备(335-350)，以及其中提供IO-链路通信接口来用于所述至少一个IO-链路设备(335-350)的所述控制操作并且所述IO-链路通信接口是用至少一个通道形成的，其特征在于用至少一个通道形成的所述IO-链路通信接口(305)和所述电压供应单元(300)被形成为结构单元，并且所述IO-链路通信接口(305)包含IO-链路主机，所述IO-链路主机提供网关功能。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于用至少一个通道形成的所述通信接口(305)具有至少一个IO-链路主机，所述至少一个IO-链路主机具有用于到所述至少一个IO-链路设备(335-350)的连接的至少一个端口(315-330)，其中所述IO-链路主机在现场总线系统(360)与IO-链路通信系统(305、315-350)之间提供网关。
3.如权利要求1或2所述的电路，其特征在于所述电压供应单元(300)具有配备功率电子学的AC/DC转换器。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于所述功率电子学是用SiC晶体管和/或用GaN晶体管形成。
5.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述现场总线系统(360)和所述IO-链路通信系统(305、315-350)是借助于无线通信连接连接。
6.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述至少一个IO-链路主机包含用于检测所述至少一个IO-链路设备(335-350)的传感器信号和/或所述至少一个IO-链路设备(335-350)的分散控制的可编程逻辑控制器(PLC)。
7.如权利要求2的电路，其特征在于所述至少一个IO-链路主机包含用于执行所述至少一个IO-链路设备(335-350)和/或所述电压供应单元(300)的诊断的诊断功能。
8.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述至少一个IO-链路主机包含用于所述至少一个IO-链路设备(335-350)和/或所述电压供应单元(300)的参数化的参数化功能。
9.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述电压供应单元(300)和用至少一个通道形成的所述通信接口(305)适应在单一壳体(310)中。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于所述壳体(310)是形成为满足IP67保护类的要求的被动冷却壳体。
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