DE10148470A1

DE10148470A1 - Vorrichtung und Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Komponenten eines Automatisierungssystems

Info

Publication number: DE10148470A1
Application number: DE10148470A
Authority: DE
Inventors: Willi Bauer; Werner Hach; Matthias Metzler; Harald Metz; Martin Michler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Komponenten eines Automatisierungssystems, mit einem modularen Baugruppenträger zur Aufnahme mehrerer Baugruppen und einem Datenbus, bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst mehrere Bussegmente, wobei jedes Bussegment ein sternförmiges Buskopplungselement aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Automatisierungssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung die elektrische und mechanische Verbindung von einzelnen Komponenten solcher Automatisierungssysteme.

Modulare Automatisierungssysteme sind bekannt. Bei diesen Systemen sind einzelne Komponenten mechanisch und elektrisch über einen Baugruppenträger zu einem Gesamtsystem zusammengefügt. Diese Systeme basieren auf einem Bus nach dem Master/Slave-Prinzip. Eine Baugruppe (Teilnehmer) ist aktiv (Master) und alle anderen sind passiv (Slaves). Die Slaves entscheiden dabei aufgrund von Decodiermechanismen, ob sie mit dem Master kommunizieren oder nicht. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE 195 04 136 A1 bekannt.

Die DE 197 48 530 C1 beschreibt ein modulares Automatisierungsgerät und eine Baugruppe eines solchen Automatisierungsgerätes. Das Gerät besteht aus Basisbaugruppen, die auf einer Hutschiene aufreihbar sind und mit Elektronikbaugruppen (E/A- Modulen) bestückt werden. In diese E/A-Module sind Datenbusleitungen, Stromversorgungsleitungen und auch die Leistungsstromversorgung integriert, die automatisch beim Aneinanderreihen der einzelnen Module durchkontaktiert bzw. durchgeschleift werden. Es handelt sich hier um einen feinmodularen Aufbau (erweiterbar in 1er Schritten).

Die DE 198 07 710 A1 beschreibt ebenfalls ein modulares Automatisierungsgerät und eine Baugruppe für ein solches Gerät. Die Außenkontakte der Anschlussmodule sind hierbei mit einem durch so genannte Basismodule hindurchgeschleiften Bus verbunden.

Ein Nachteil der bekannten Systeme besteht darin, dass sie nur über eine feste, nicht erweiterbare Anzahl von Einbauplätzen verfügen, so dass nur eine begrenzte Anzahl von Systemkomponenten zur Verfügung steht. Erweiterungen sind nur mit sehr aufwendigen Koppelkomponenten möglich.

Des Weiteren gestatten die bekannten Systeme keine gleichzeitige Kommunikation mehrerer Baugruppen bzw. Teilnehmer untereinander.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Komponenten eines Automatisierungssystems bereitzustellen, die es gestattet, eine beliebige Anzahl von Systemkomponenten miteinander zu verbinden.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung bereitzustellen, die eine gleichzeitige Kommunikation mehrerer Systemkomponenten untereinander gestattet.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das Verfahren nach Anspruch 13.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen modularen Baugruppenträger nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Bussegments der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3A, 3B schematisch den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Bussegments;
Fig. 4 schematisch eine Trägerplatte mit mehreren erfindungsgemäßen Bussegmenten;
Fig. 5 schematisch ein erfindungsgemäßes Bussegment mit einer aufgesteckten Baugruppe und
Fig. 6 schematisch einen möglichen Aufbau eines größeren Automatisierungssystems mit Hilfe der erfindungsgemäßen Bussegmente.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, verfügen modulare Baugruppenträger 2 nach dem Stand der Technik über eine feste, nicht erweiterbare Anzahl von Einbauplätzen 4 und damit auch nur über eine begrenzte Anzahl von Systemkomponenten (Baugruppen) 6.
Die Erfindung überwindet diese Nachteile durch die Verwendung eines neuen, sternförmigen Bussystems, bei dem jeweils eine Leitung für eine einzelne Baugruppe (Teilnehmer) vorgesehen ist. Die mechanische Verbindung erfolgt dabei durch Bussegmente, die so ausgebildet sind, dass sie in beliebiger Anzahl aneinander anreihbar sind. Jedes Bussegment besteht somit aus einem sternförmigen Buskopplungselement.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bussegments 6. Auf einer Rückwandplatine (Backplane) 10 eines Baugruppenträgers (nicht gezeigt) ist eine Schaltvorrichtung 12 vorgesehen, an die jeweils mehrere Baugruppen (Teilnehmer) 14a, 14b, 14c mittels je einer Eingangs- und Ausgangsleitung 16 angeschlossen sind. Es ist selbstverständlich, dass die Baugruppen bzw. Systemkomponenten auch über mehrere Leitungen (im Sinne von Signalen) an die Schaltvorrichtung 12 angeschlossen sein können. Auch kann die Verbindung zwischen Schaltvorrichtung und Baugruppen über eine oder mehrere bidirektionale Leitungen erfolgen. Die Schaltvorrichtung 12 besteht aus einem aktiven Bauelement (im Folgenden Switch genannt) zur Verbindung der Baugruppen (Teilnehmer) und der einzelnen Bussegmente untereinander. Über Verbindungen/Anschlüsse 18, 18a ist die Anbindung weiterer Bussegmente 8 in beiden Richtungen möglich, so dass hier eine einfache Erweiterung durch weitere Bussegmente in beliebiger Anzahl erfolgen kann. Zwischen zwei Baugruppen (Teilnehmern), beispielsweise 14a und 14c, wird eine logische Punkt-zu-Punkt- Verbindung aufgebaut. Es können somit mehrere Verbindungen gleichzeitig, auch über Bussegmente hinaus und über diese hinweg, aufgebaut werden. Somit ist eine parallele Kommunikation von Baugruppen (Teilnehmern) möglich. Die Bussegmente 8 zeichnen sich durch einen nicht hierarchischen Aufbau aus, d. h., sie haben einen flachen logischen (nicht mechanischen) Aufbau mit untereinander gleichberechtigten Baugruppen (Teilnehmern). Die einzelnen Bussegmente 8 sind in jeder Richtung beliebig kaskadierbar, d. h., es können in jeder Richtung beliebig viele Bussegmente aneinander gesetzt werden, wodurch ein beliebig großes Bussystem aufgebaut werden kann.
Auf der Rückwandplatine 10 können optional weiterhin ein Diagnose-Bus 20 sowie eine Spannungsversorgung 22 zum Anschluss von Stromversorgungsmodulen an die Baugruppen (Teilnehmer) vorgesehen sein.
Fig. 3A zeigt in einer Frontansicht den mechanischen Aufbau eines einzelnen, erfindungsgemäßen Bussegments 8. Das Bussegment trägt beispielhaft vier Verbindungen 24 für den Anschluss von Baugruppen (Teilnehmern). Auf der Rückseite des Bussegments 8 (vgl. Fig. 3B) befindet sich ein Steckelement 26 zur Verbindung der einzelnen Bussegmente 8 untereinander. Das Steckelement 26 wirkt mit einem entsprechenden Gegenelement 28 zusammen, das auf der gegenüberliegenden Seite des Bussegments 8 angeordnet ist. Auf diese Weise gelingt es, beliebig viele Bussegmente miteinander zu verbinden. Ebenfalls auf der Unterseite des Bussegments 8 ist die Schaltvorrichtung 12 vorgesehen, die als aktives Bauelement die elektrische Verbindung der Baugruppen und der Bussegmente 8 untereinander ermöglicht.
In Fig. 4 ist schematisch ein modularer Baugruppenträger in Form einer Trägerplatte 30 mit mehreren erfindungsgemäßen Bussegmenten 8 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein erstes Bussegment 8a mit vier Verbindungen 24 bereits auf der Trägerplatte 30 montiert, während ein zweites Bussegment 8b als an das erste Segment anreihbar dargestellt ist und drei Verbindungen 24 aufweist. Selbstverständlich ist die Anzahl der Verbindungen 24 auf den einzelnen Bussegmenten 8 nicht beschränkt. Das Bussegment 8b wird an das erste Bussegment 8a angereiht, wobei das Steckelement 26 des ersten Bussegments 8a mit dem dazugehörigen Gegenelement (nicht gezeigt) des zweiten Bussegments 8b zusammenwirkt und die Verbindung beider Bussegmente 8a, 8b herstellt.
Fig. 5 zeigt die Trägerplatte 30 aus Fig. 4 mit dem ersten, fest installierten Bussegment 8a und dem zweiten, angereihten Bussegment 8b, wobei eine der Verbindungen 24 des ersten Bussegments 8a beispielhaft mit einer Baugruppe 32 bestückt ist.
Fig. 6 schließlich zeigt den möglichen Aufbau eines größeren Systems aus erfindungsgemäßen Bussegmenten, wobei fünf Bussegmente 8, die jeweils drei Baugruppen (Teilnehmer) 32 tragen, in der oben geschilderten Weise miteinander verbunden sind. Weiterhin sind drei Stromversorgungsmodule 34 gezeigt, die weitere Steckplätze belegen, so dass das gezeigte System insgesamt 18 Steckplätze aufweist. Es ist für den Fachmann klar, dass die Stromversorgungsmodule 34 auch andere als die gezeigten Steckplätze besetzen können, beispielsweise zwischen den einzelnen Bussegmenten 8.
Auf diese Art und Weise können beliebig viele erfindungsgemäße Bussegmente miteinander verbunden werden, so dass mittels der Erfindung Baugruppenträger in einer mechanischen und elektrischen Einheit beliebiger Größe (d. h. mechanisch und elektrisch nicht begrenzt) ohne weiteren aufwendigen Koppelaufwand aufgebaut werden können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Erweiterung nur ein geringer, meist vernachlässigbarer Peformanceverlust auftritt. Zusätzlich kann durch die Erfindung ein an die jeweilige Anwendung optimal angepasster Aufbau erzielt werden. So lassen sich beispielsweise auch ringförmige Aufbauten realisieren, wobei der Ring ggf. über eine oder mehrere Kabelverbindungen geschlossen werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Komponenten eines Automatisierungssystems, mit einem modularen Baugruppenträger zur Aufnahme mehrerer Baugruppen (14a, 14b, 14c; 32) und Verbindungen (18, 18a) zu benachbarten Baugruppenträgern, gekennzeichnet durch mehrere Bussegmente (8a, 8b), wobei jedes Bussegment (8a, 8b) ein sternförmiges Buskopplungselement (12) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Baugruppe je eine Eingangs- und Ausgangsleitung (16) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Baugruppe mehrere Eingangs- und Ausgangsleitungen (16) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Eingangs- und Ausgangsleitungen (16) bidirektional verwendete Leitungen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente einen flachen logischen Aufbau mit gleichberechtigten Baugruppen aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente in jeder Richtung beliebig kaskadierbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Buskopplungselement (12) ein aktives Bauelement zur Verbindung der Baugruppen und der einzelnen Segmente (8a, 8b) untereinander aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Bauelement ein Switch ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Buskopplungselement (12) zusätzlich einen Diagnose-Bus (20) sowie eine Spannungsversorgung (22) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Bussegmente gebildete Bussystem ringförmig aufgebaut ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring über eine oder mehrere Kabelverbindungen schließbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (8a, 8b) mindestens eine Verbindung (24) für den Anschluss von Baugruppen aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gleichzeitiges Kommunizieren mehrerer Baugruppen möglich ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Baugruppen eine logische Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufbaubar ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (8a, 8b) ein Steckelement (26) aufweist, das mit einem entsprechenden Gegenelement (28) eines benachbarten Segments (8a, 8b) zur Verbindung der beiden Segmente (8a, 8b) zusammenwirkt.

16. Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von Komponenten eines Automatisierungssystems, mit einem modularen Baugruppenträger zur Aufnahme mehrerer Baugruppen und Verbindungen/Anschlüsse zu benachbarten Baugruppenträgern, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Segmente zur Aufnahme jeweils mehrerer Baugruppen miteinander verbunden werden, wobei jedes Segment ein sternförmiges Buskopplungselement aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Baugruppen eine logische Punkt-zu- Punkt-Verbindung aufgebaut wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch das Zusammenwirken von auf den zu verbindenden Segmenten angeordneten Steckelementen bewerkstelligt wird.

19. Verwendung eines sternförmigen Buskopplungselements zum Aufbau eines modularen Baugruppenträgers.