DE102009030257A1 - Störungsresistenter Repeater für AS Interface Netze - Google Patents

Abstract

In extrem gestörter Umgebung oder bei asymmetrischem Kabel können Störungen bei der Übermittlung von AS-Interface Daten auftreten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gerät anzugeben, mit dessen Hilfe auch in derartigen Fällen ein fehlerfreies oder so fehlerarmes Signal zu erhalten ist, dass ein störungsfreier Betrieb des AS-Interface Netzwerkes möglich ist. Der erfindungsgemäße Repeater überbrückt kritische Wegstrecken mit einem Teilnetz, das gegenüber Standard-AS-Interface Netzen erheblich höhere Stromamplituden verwendet. Der erfindungsgemäße Repeater kann in jedem AS-Interface oder Saftety-at-Work-Netz eingesetzt werden.

Description

• Stand der Technik
• AS-Interface ist ein eingeführtes und genormtes1

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IEC 62026-2: Part 2: Actuator Sensor Interface (AS-i), Part 2: Actuator Sensor Interface (AS-i); 2000; oder: Kriesel, W. R., Madelung, O. W. (Hrsg.): AS-Interface Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation; 213 S., 2. deutsche Auflage, Carl Hanser Verlag 1999, ISBN 3-446-21064-4; oder aktualisiert: AS-International Association: Complete Specification Version 3.0 Rev.2 (2008) und Annex A and B to the Complete AS-Interface Specification; Version 3.0, Revision 2 (2008)

Bussystem für Anwendungen mit einfachen Sensoren und Aktuatoren. Jedes AS-Interface System besteht aus einem Master, einer Anzahl von Slaves – den Sensoren und Aktuatoren –, einem Netzgerät und einer Verdrahtung dieser Komponenten in Reihen-, Baum- oder Sternstruktur. In speziellen Fällen werden noch Zusatzgeräte zur Impedanzanpassung verwendet. Für große Netze werden Repeater eingesetzt, die jedes Telegramm des Masters oder eines Slaves empfangen, auffrischen und an den Empfänger weitergeben (1).
• Ein Charakteristikum des Systems ist seine hohe Fehlersicherheit, die vor allem durch zwei Eigenschaften erreicht wird: Erstens wird das System erdfrei und im Rahmen des Möglichen hochsymmetrisch aufgebaut. Dadurch werden elektromagnetische Einstreuungen auf ein Minimum herabgedrückt. Zweitens untersucht jeder Empfänger jedes empfangene Telegramm auf mögliche Abweichungen von der für AS-Interface vorgeschriebenen Struktur. Wird dabei eine Abweichung festgestellt, so wird das betreffende Telgramm wiederholt. Ist das Telegramm auch nach mehrmaliger Wiederholung nicht korrekt, so wird es verworfen und eine Fehlermeldung im Master erzeugt. Stellt ein Empfänger eines Repeaters ein fehlerhaftes Telegramm fest, so wird das gesendete Telegramm unkenntlich gemacht.
• Das AS-Interface Signal auf der Leitung ist ein analoges Signal in Form von sin²-förmigen Stromimpulsen, die die Information übertragen. Sie sind einer Gleichspannung von 30 V überlagert. Die Stromimpulse mit einer Amplitude von 60 mA werden von einer Datenentkopplung in Spannungsimpulse umgewandelt und haben dann im Idealfall auf der Leitung eine Spannungsamplitude von ±3 V.
• Trotz der hohen Wirksamkeit der beschriebenen Maßnahmen, gibt es Fälle, in denen nach dem Stand der Technik Störungen insbesondere dann unvermeidlich sind, wenn elektromagnetisch eingekoppelte Störungen nach Frequenz und Amplitude dem Nutzsignal ähnlich sind. Das kann beispielsweise dann auftreten, wenn das Kabel eines Frequenzumrichters nahe am AS-Interface Kabel liegt und dieses Kabel nicht hochsymmetrisch ausgeführt ist. Ein typischer Fall ist hier die Übertragung der AS-Interface Daten über eine lange Schleifbahn oder die Durchleitung der AS-Interface Leitung durch ein Gebiet mit sehr hohen elektromagnetischen Wechselfeldern.
• Für solche Fälle fehlt bisher eine sichere, praktikable und kostengünstige Lösung auf der Basis von AS-Interface.
• Erfindung
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gerät anzugeben, mit dessen Hilfe auch in den beschriebenen Fällen ein fehlerfreies oder so fehlerarmes Signal zu erhalten ist, dass ein störungsfreier Betrieb des AS-Interface Netzwerkes möglich ist.
• Dazu wird erfindungsgemäß ein störungsresistenter Repeater eingesetzt, der wie jeder Repeater imstande ist, zwei galvanisch getrennte Teilnetze A und B so zu verbinden, dass die aus dem einen Teilnetz A einlaufenden AS-Interface Telegramme mit geringer Verzögerung analysiert, in das zweite Teilnetz B weitergegeben werden und umgekehrt (1). Während aber bei einem gewöhnlichen Repeater der Inhalt der Telegramme und der Sendestroms mit einer Soll-Amplitude von 60 mA dem AS-Interface Standard entsprechen, gilt dies bei dem erfindungsgemäßen Repeater nur für ein Teilnetz, z. B. das Teilnetz A. Für das Teilnetz B weicht der erfindungsgemäße Repeater dagegen vom AS-Interface Standard insoweit ab, als er mit einer deutlich höheren Amplitude arbeitet (2). Sender S_B und Empfänger E_B der Seite „B” unterscheiden sich darin von Sender S_A und Empfänger E_A der Seite „A”. Die Form und der Inhalt der Telegramme bleiben dabei unverändert. Dies gilt sowohl für die gesendeten als auch für die Analyse der einlaufenden Telegramme. Der erfindungsgemäße Repeater ist also für Analyse, Auffrischung, Pegelumsetzung und Weitergabe der von beiden Seiten einlaufenden Telegramme verantwortlich, sendet und empfängt aber auf seiner Seite „B” Signale mit erhöhter Amplitude (Anspruch 1).
• In einem AS-Interface Netz werden nun stets zwei oder mehr erfindungsgemäße störungsresistente Repeater so eingesetzt, dass ihre „B”-Seiten zu einander weisen, ihre „A”-Seiten dagegen dem Master bzw. den Slaves zugewandt sind. Dann ist das zwischen ihnen liegende Teilnetz B (im folgenden Zwischennetz genannt) der Bereich mit den nicht-normgemäßen höheren Amplituden. Deckt das Zwischennetz den elektromagnetisch stark belasteten Bereich ab, so ist hier der Pegelabstand zwischen Nutzsignal und eventuell eingestreutem Signal höher, sodass mögliche Fehler minimiert werden und die oben gestellte Aufgabe gelöst wird. In den Bereichen außerhalb des Zwischennetzes bleibt dagegen die Datenübertragung konform mit der Spezifikation von AS-Interface, sodass dort normgerechte AS-Interface Komponenten verwendet werden können.
• Der erfindungsgemäße, störungsresistente Repeater weist eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften und Erweiterungsmöglichkeiten auf:
  Während andere denkbare Lösungen des Problems mit der Umsetzung auf andere Bussysteme im Zwischennetz arbeiten oder statt Bustechnik auf konventionelle Einzelverdrahtung zurückgreifen müssen, bleibt die erfindungsgemäße Lösung – mit Ausnahme der höheren Amplitude im Zwischennetz – völlig konform mit dem AS-Interface Standard. Daher muss auf die ohnehin hohe Störsicherheit von AS-Interface und die sichere Detektion eventueller Fehler weder im Zwischennetz noch im gesamten Netz verzichtet werden.
• Bezüglich ihres Zeitverhaltens können sich die einzelnen Repeater exakt an den AS-Interface Standard anlehnen, d. h. es tritt zwischen Eingangs- und Ausgangssignal nur eine Verzögerung von ca. 5 μs (bei konventionellen Repeatern) bzw. von ca. 2 μs (bei schnellen Repeatern2

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) auf (Anspruch 3).
• Der Bereich zwischen den beiden Repeatern – das Zwischennetz – kann mit einem handelsüblichen 24 V-Netzgerät plus Datenentkopplung betrieben werden: Im Standard AS-Interface System ist die Signalamplitude auf ±3 V festgelegt, um einerseits die in den Slaves verwendeten ICs, die eine maximal zulässige Spannung von ca. 40 V aufweisen, nicht zu gefährden, anderseits die angeschlossenen Slaves mit einer Spannung von 30 V versorgen zu können. Da sich in dem Bereich zwischen den erfindungsgemäßen Repeatern keine Standard-AS-Interface Slaves befinden, können die Repeater hier mit niedrigerer Spannung, z. B. mit einem Standard-Netzgerät mit 24 V (aber auch mit höherer oder niedrigerer Spannung) und einer separaten Datenentkopplung betrieben werden (Anspruch 4).
• Die obere Grenze für die Amplitude ist damit nur von den übrigen Komponenten abhängig, nicht mehr von den normgerechten Slaves. Dies erlaubt einen großen Bereich der Amplitude des verwendeten Sendestroms. Ein flexibler Repeater kann daher mit einem einstellbaren Sendestrom zwischen 60 und etwa 500 mA arbeiten (Anspruch 2).
• Zur Abdeckung eines größeren Bereiches, in dem die Slaves verteilt sind, können master- und slave-seitig mehrere Repeater verwendet werden, sodass auch entfernter liegende Slaves angebunden werden können.
• Der erfindungsgemäße Repeater kann mit einer Vorrichtung zur Impedanzanpassung versehen werden3

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. Das ist gerade in dem gefährdeten Zwischennetz von Bedeutung, um möglichst gute und hohe Signale zu erhalten (Anspruch 5). Der erfindungsgemäße Repeater kann außerdem die Datenentkopplungen für den Betrieb der an ihn angeschlossenen Netz enthalten (Anspruch 6).
• Es ist möglich, auf das master-seitige Teilnetz zu verzichten, wenn das Analogteil des Masters so ausgebildet wird, dass es mit der höheren Signalamplitude des Repeaters sendet und empfängt (Anspruch 7).
• Für Sonderfälle ist es möglich, Slaves mit speziellen Eingangs- und Ausgangsstufen oder nach Vorschalten einer Pegelverringerung, die Signal und Störung in gleicher Weise reduziert, auch direkt im Zwischennetz zwischen der erfindungsgemäßen Repeatern zu verwenden (Anspruch 8).
• Für Prozesse mit besonders hohen Sicherheitsanforderungen gemäß den internationalen Normen für sicherheitsgerichtete Geräte4

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z. B. EN 954-1: Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen, Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze; 1997

existiert eine Sicherheitsvariante von AS-Interface unter dem Namen „Safety at Work”5

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AS-International Association (Hrsg.): AS-Interface Safety-at-Work, (2004) und Complete Specification, wie zitiert.

, in der der Datenverkehr mit sicherheitsgerichteten Slaves im AS-Interface Netz durch Telegramme mit derselben Struktur abgewickelt wird. Um die Daten dieser Sensoren oder Aktuatoren innerhalb des genormten AS-Interface Netzes sicherheitsgerichtet im Sinne der Normen übertragen zu können, werden sie jedoch durch spezielle Codefolgen abgesichert, die durch einen „Sicherheitsmonitor” überwacht werden. Ein AS-Interface Netz, das wenigstens einen Sicherheitsmonitor mit dieser Funktion enthält, wird dann als „Safety-at-Work Netz” bezeichnet. Es kann aus Standard- und sicherheitsgerichteten Slaves aufgebaut sein. Der erfindungsgemäße Repeater kann auch für diese Netze eingesetzt werden, da er systemimmanent arbeitet, d. h. er weist, bis auf die Signalamplitude im Zwischennetz, alle Eigenschaften des Standardsystems auf. Der Übergang auf ein anderes sicherheitsgerichtetes Bussystem oder eine konventionelle Verdrahtung ohne Bus ist damit nicht erforderlich.
• Die 1 zeigt einen Repeater nach Stand der Technik, 2 einen erfindungsgemäßen störungsresistenten Repeater. In beiden Fällen enthält der Repeater zwei Signalwege mit je einem Empfänger E und einem Sender S, die die Signale der Seiten „A” nach „B” und umgekehrt transferieren. Bei Repeatern nach dem Stand der Technik sind Sender und Empfänger in beiden Kanälen identisch. Bei dem erfindungsgemäßen Repeater sind nur Sender SA und Empfänger E_A auf Seite „A” auf die normgerechte Amplitude ausgelegt. Dagegen sind hier Sender S_B und Empfänger E_B auf Seite „B” auf die höhere Amplitude des Sendestroms ausgelegt. Nicht dargestellt sind in der Zeichnung Stromversorgung, galvanische Trennung, Impedanzanpassung, die Entscheidungsschaltung für die Signalrichtung und die Fehlerdetektion im Repeater. Sie sind Stand der Technik und können in bekannter Weise realisiert werden.
• Vorteile und wirtschaftlicher Wert der Erfindung
• Der erfindungsgemäße Repeater kann in jedem AS-Interface oder Safety-at-Work Netz eingesetzt werden. Er ist dann von Vorteil, wenn das Netz durch einen Bereich führt, der so starke elektromagnetische Störungen aufweist, dass es in der Standardvariante des Bussystems zu Störungen kommt. Der Übergang auf ein anderes Bussystem oder eine konventionelle Verkabelung – die bisher realisierten Lösungen des Problems – entfallen.

Claims (8)

1. Repeater für AS-Interface Netze zur Auffrischung von AS-Interface Telegrammen, die zwischen Master und Slaves ausgetauscht werden, mit zwei Seiten „A” und „B” und jeweils zwei Kanälen mit Empfänger und Sender für den bidirektionalen Betrieb vom Master zu den Slaves und zurück dadurch gekennzeichnet, dass er an seiner einen Seite „A” normgerechte AS-Interface Signale in einem ersten Teilnetz A empfängt und sendet, an seiner anderen Seite ”B” dagegen in einem zweiten Teilnetz B Signale mit derselben Struktur und demselben Informationsgehalt wie AS-Interface Signale sendet und empfängt, jedoch mit einer gegenüber der Norm wesentlich erhöhten Amplitude.
2. Repeater nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Signale auf der Seite des Teilnetzes B zwischen 60 mA und 500 mA einstellbar ist.
3. Repeater nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, er als schneller Repeater ausgeführt wird.
4. Repeater nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass er bei Versorgungsspannungen ab etwa 15 V funktionsfähig ist.
5. Repeater nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung zur Anpassung an die Impedanzen der beiden angeschlossenen Teilnetze besitzt.
6. Repeater nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Datenentkopplung für eines der Teilnetze A und B oder für beide integriert ist.
7. Repeater nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass er so in einen AS-Interface Master integriert ist, dass das Teilnetz A entfällt.
8. AS-Interface Slave dadurch gekennzeichnet, dass er seine Eingangsstufe so ausgebildet ist, dass er mit einem Repeater nach einem der vorangehenden Ansprüche kommunizieren kann.

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