DE102009033691B3

DE102009033691B3 - Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einem seriellen Datenbus und Arbeitsmodulen, wie Aktormodulen und/oder E/A-Modulen

Info

Publication number: DE102009033691B3
Application number: DE102009033691A
Authority: DE
Inventors: Uwe GRÄFF
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-07-18
Also published as: US20120110227A1; WO2011006558A1; US8713226B2; CN102474435A; CN102474435B; EP2441215A1; EP2441215B1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einem seriellen Datenbus (13) und Arbeitsmodulen (23, 24) vorgeschlagen, wobei der Datenbus (13) an einen Busknoten (11) in einem Busmodul (10) angeschlossen ist. Das Busmodul (10) besitzt wenigstens zwei serielle Kommunikationsanschlüsse (19, 20), die mit Ports (17, 18) eines mit dem Busknoten (11) verbundenen oder in ihm integrierten Hub (12) verbunden sind. Die Kommunikationsanschlüsse (19, 20) sind zum Anschluss der Arbeitsmodule (23, 24) und zur Spannungsversorgung derselben ausgebildet, wobei wenigstens eines der Arbeitsmodule (23, 24) als Aktor- und/oder E/A-Modul ausgebildet ist. Dieses besitzt einen Seriell-Parallel-Wandler (25) zum parallelen Anschluss von Aktoren (28) und/oder E/A-Schnittstellen (26), die das jeweilige Arbeitsmodul (23, 24) aufweist oder die mit ihm verbunden sind.

Description

Eine derartige Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Ansteuerung von Ventilbatterien mittels eines Datenbusses.
Aus der DE 42 30 414 C2 ist eine elektro-pneumatische Steuereinrichtung bekannt, bei der über einen Datenbus mehrere jeweils mit Arbeitsmodulen versehene Ventile angesteuert werden können. Alle Arbeitsmodule sind dabei parallel an den Datenbus angeschlossen und wandeln die seriellen Daten des Datenbusses in Steuersignale, insbesondere parallele Steuersignale für die jeweiligen Ventile um. Insbesondere bei einer größeren Anzahl von Ventilen bzw. Ventilbatterien ist eine derartige Anordnung wenig variabel, vor allem auch dann, wenn weitere Arbeitsmodule mit anderen Funktionen vom gleichen Datenbus aus gesteuert werden sollen oder mit diesem kommunizieren sollen.
Aus der US 2005/0288799 A1 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten bekannt, bei der eine Vielzahl von Sensoren ihre Daten über einen Datenbus beispielsweise an einen Mikrocomputer übertragen können. Als Kommunikationsprotokoll für das Bussystem können beispielsweise das HART-Protokoll, das FOUNDATION-Feldbusprotokoll und das Profibus-PA-Protokoll genutzt werden. Dabei kann über den Datenbus auch eine Energieversorgung der angeschlossenen Sensoren vorgesehen werden. Ergänzend zu den Sensoren können auch Aktoren an den Datenbus angeschlossenen werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine derartige Datenübertragungsvorrichtung variabler zu gestalten, so dass über einen einzelnen Datenbus eine Steuerung und Kommunikation mit unterschiedlichen Arbeitsmodulen auf einfache kostengünstige Weise möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen insbesondere darin, dass sich im Vergleich zu dem bekannten Stand der Technik die einzelnen Schnittstellen bzw. Kommunikationsanschlüsse optimiert auf die notwendige Kommunikations- und Spannungsversorgungsleistung der Arbeitsmodule anpassen lassen, z. B. Baudrate und dergleichen. Daraus resultiert eine kostengünstige Auslegung der Verbindungselemente, beispielsweise Steckverbinder, für die Kommunikationsanschlüsse und der internen Elektronik für die serielle Kommunikation. Darüber hinaus ist eine variable und kompakte Anordnung der Arbeitsmodule möglich.
Die seriellen Verbindungen zwischen dem Hub und den Arbeitsmodulen sind bevorzugt als Punkt-Zu-Punkt-Verbindungen ausgebildet, insbesondere als IO-Link-Verbindungen, wobei der Hub insbesondere als IO-Link-Master und der jeweilige Seriell-Parallel-Wandler in den Arbeitsmodulen als IO-Link-Slawe ausgebildet ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.
Die Kommunikationsanschlüsse sind zweckmäßigerweise als Steckverbindungen zum Anstecken der Arbeitsmodule an das Busmodul ausgebildet, wobei die Kommunikationsanschlüsse vorzugsweise in einem linearen Raster angeordnet sind. Hierdurch können die Arbeitsmodule, insbesondere auch unterschiedliche Arbeitsmodule, in nahezu beliebiger Weise angesteckt werden.
Wenigstens eines der als Aktor- und/oder E/A-Module ausgebildeten Arbeitsmodule besitzt in vorteilhafter Weise Anschlussmittel zum Anschließen und/oder Anstecken einer wenigstens einen Aktor aufweisenden Aktoranordnung, die vor zugsweise als Ventilbatterie ausgebildet ist. Hierdurch kann die Vorrichtung in einfacher und variabler Weise durch Zusammenstecken von Busmodul, Arbeitsmodulen und Aktoranordnungen aufgebaut bzw. zusammen gestellt werden.
In vorteilhafter Weise besitzt auch wenigstens eines der als Aktor- und/oder E/A-Module ausgebildeten Arbeitsmodule wenigstens eine E/A-Schnittstelle, die vorzugsweise als Steckkontaktanordnung ausgebildet ist. An solchen Schnittstellen können dann externe Bauteile und Baugruppen angeschlossen werden, wie Sensoren, Schalter oder externe Aktoren. Solche E/A-Schnittstellen sind zweckmäßigerweise als parallele Schnittstellen ausgebildet.
Wenigstens eines der Arbeitsmodule kann bevorzugt auch als Funktionsmodul ausgebildet sein, insbesondere als Sensormodul.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung, bei der an ein Busmodul zwei Aktor- und E/A-Module angesteckt bzw. angeschlossen sind, als Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 die in 1 dargestellte Vorrichtung als reale Ausführung in einer perspektivischen Darstellung,
3 die in 2 dargestellte Vorrichtung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem an ein Busmodul ein Aktor- und E/A-Modul sowie ein Funktionsmodul angesteckt bzw. angeschlossen ist, in einer perspektivischen Darstellung und
5 das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel enthält ein Busmodul 10 einen Busknoten 11 (Busstation), der mit einem Hub 12 verbunden ist oder zusammen mit diesem eine integrierte Anordnung bildet. An das Busmodul 10 ist ein Datenbus 13, beispielsweise ein Feldbus, angeschlossen, der über eine Busschnittstelle 14 mit einem entsprechenden externen Datenbus verbindbar ist, so dass das Busmodul 10 mit einer externen Zentrale oder Steuereinrichtung verbunden werden kann. Weiterhin sind Spannungsversorgungsleitungen 15 an das Busmodul 10 angeschlossen, die über einen Spannungsanschluss 16 mittels eines nicht dargestellten externen Kabels mit Spannung versorgt werden können.
Zwei Ports 17, 18 des Hub 12 sind mit zwei Kommunikationsanschlüssen 19, 20 an einer Außenseite des Busmoduls 10 verbunden, wobei es sich um serielle Ports 17, 18 handelt. Die Zahl der Ports 17, 18 und die entsprechende Zahl von Kommunikationsanschlüssen 19, 20 kann selbstverständlich auch größer sein und variieren.
An den Kommunikationsanschlüssen 19, 20 sind über Steckverbinder 21, 22 zwei Arbeitsmodule 23, 24 angeschlossen bzw. angesteckt, die als Aktor- und E/A-Module ausgebildet sind. Jedes Arbeitsmodul enthält einen Seriell-Parallel-Wandler 25, der die über die Kommunikationsanschlüsse 19, 20 geleiteten seriellen Signale in parallele Signale umwandelt. Die seriellen Verbindungen zwischen dem Hub 12 und den Seriell-Parallel-Wandlern 25 sind als Punkt-Zu-Punk-Verbindungen ausgebildet, beispielsweise als IO-Link-Verbindungen. Im letzteren Fall ist der Hub 12 als IO-Link-Master und sind die Seriell-Parallel-Wandler 25 als IO-Link-Slaves ausgebildet. Prinzipiell sind auch andere Punkt-Zu-Punkt-Verbindungen möglich oder auch andere serielle Verbindungsarten.
An Stelle der Steckverbinder 21, 22 können auch entsprechende Stecker fest an den Arbeitsmodulen 23, 24 angeordnet sein, die in die als Buchsen ausgebildeten Kommunikationsanschlüssen 19, 20 einsteckbar sind oder diese Kommunikationsanschlüsse 19, 20 sind als Stecker ausgebildet, um in entsprechende Buchsen der Arbeitsmodule 23, 24 eingesteckt zu werden.
Die Arbeitsmodule 23, 24 weisen an der Oberseite gemäß den 2 und 3 als Steckkontaktanordnungen ausgebildete E/A-Schnittstellen 26 auf, die jeweils mit parallelen Ports der Seriell-Parallel-Wandler verbunden sind. Weiterhin besitzen die Arbeitsmodule 23, 24 an den Unterseiten Steckverbindungsanschlüsse 27 zur elektrischen Verbindung mit Ventilbatterien 28, die jeweils im Ausführungsbeispiel acht aneinander gereihte Plattenventile aufweisen. Zum sicheren mechanischen Aufstecken der Arbeitsmodule 23, 24 auf die Ventilbatterien 28 sind noch entsprechende mechanische Steckverbindungselemente 30 vorgesehen. Dabei sind auch andere mechanische Befestigungsmöglichkeiten realisierbar, z. B. Schraubverbindungen, Rastverbindungen oder dergleichen. Die Plattenventile sind jeweils elektrisch über die Steckverbindungsanschlüsse 27 mit entsprechenden parallelen Ports der Seriell-Parallel-Wandler verbunden.
Der Datenbus 13 kann somit über den Busknoten 11, den Hub 12 und die Seriell-Parallel-Wandler mit den E/A-Schnittstellen 26 und den Plattenventilen kommunizieren bzw. diese steuern.
Die Zahl der an das Busmodul 10 angeschlossenen Arbeitsmodule 23, 24 kann auch größer sein, wenn eine entsprechend größere Anzahl von Kommunikationsanschlüssen 19, 20 vorgesehen ist. Dabei können anstelle von kombinierten Aktor- und E/A-Modulen als Arbeitsmodule 23, 24 auch reine Aktormodule und/oder reine E/A-Module treten. Anstelle von Ventilbatterien 28 bzw. Plattenventilen oder anderen Ventilen können auch andere Aktoren oder unterschiedliche Aktoren an die Arbeitsmodule 23, 24 angeschlossen werden. Über die Schnittstellen 26 können externe Aktoren gesteuert, Sensorsignale über entsprechende Sensorleitungen empfangen oder sonstige Kommunikationsvorgänge abgewickelt werden.
Über Verbindungsleitungen zwischen dem Hub 12 einerseits und den Seriell-Parallel-Wandlern 25 andererseits werden auch die erforderlichen Versorgungs- und Betriebsspannungen zugeführt, zum einen zum Betrieb der angeschlossenen Aktoren und zum anderen zur Spannungsversorgung externer Einrichtungen über die Schnittstellen 26, sofern dies erforderlich ist.
Zum mechanischen Aufbau bzw. Zusammenbau der gesamten Anordnung ist ein plattenartiges Montageelement 31 vorgesehen, auf das das Busmodul 10 aufsetzbar und befestigbar ist. Dabei kann das Busmodul 10 in Abweichung des Ausführungsbeispiels auch zusammen mit dem Montageelement 31 ein integriertes Montageelement bilden, das gleichzeitig das Busmodul bildet. An der Flachseite des Montageelements 31 sind die beiden Ventilbatterien 28 montiert bzw. befestigbar, wobei die Endbereiche der aneinander gereihten Ventilbatterien 28 durch Abschlusselemente 32, 33 abgedeckt sind. Diese Abschlusselemente 32, 33 können ebenfalls am Montageelement 31 befestigt, beispielsweise angeschraubt sein. Auf den Ventilbatterien 28 sind die beiden Arbeitsmodule 23, 24 aufgesetzt und elektrisch über die Steckverbindungsanschlüsse 27 mit den Plattenventilen 29 bzw. Ventilen der Ventilbatterien 28 verbunden, wobei mechanische Steckverbindungselemente 30 zur besseren mechanischen Verbindung vorhanden sind. Auch die beiden aneinander gereihten Arbeitsmodule 23, 24 sind wiederum an beiden Enden mit Abschlusselementen 34, 35 versehen, die auf den Abschlusselementen 32, 33 der Ventilbatterien 28 aufgesetzt und befestigbar sind. Bei dieser Anordnung ist auch das Busmodul 10 über die Kommunikationsanschlüsse 19, 20 und Steckverbindungen 21, 22 elektrisch mit den beiden Arbeitsmodulen 23, 24 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel ist das Busmodul 10 kürzer als das Montageelement 31 ausgebildet, so dass eine Längenanpassung durch ein Verlängerungselement 36 erfolgt. Das die Länge des Busmoduls 10 vergrößernde Verlängerungselement 36 kann selbstverständlich auch einstückig mit dem Busmodul 10 ausgebildet sein.
Die Befestigung der beschriebenen Bauteile und Baugruppen untereinander kann selbstverständlich variabel erfolgen. Die aneinander gereihten Arbeitsmodule 23, 24 können sich in ihrer Funktion auch unterscheiden, wobei die Zahl der aneinander gereihten Arbeitsmodule 23, 24 von der Zahl der Kommunikationsanschlüsse 19, 20 abhängt. Die Breite der Arbeitsmodule 23, 24 kann ebenfalls variieren, wobei lediglich darauf zu achten ist, dass das Raster der Kommunikationsanschlüsse 19, 20 berücksichtigt wird.
Die elektrischen Verbindungen der Arbeitsmodule 23, 24 mit dem Busmodul 10 werden beim Zusammenstecken der jeweiligen Schmalseiten hergestellt. Die Art dieser Steckverbindungen kann jedoch auch variieren, beispielsweise können sich die Arbeitsmodule 23, 24 und das Busmodul 10 stufenartig überlappen, so dass sich die Steckrichtung um 90° ändert.
Bei dem in den 4 und 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Arbeitsmodul 23 und eine Ventilbatterie 28 vorgesehen. Ein verkürztes plattenartiges Montageelement 37 ist in seiner Länge an die des Busmoduls 10 angepasst. In Reihe zum Arbeitsmodul 23 ist ein Funktionsmodul 38 angeordnet, das beispielsweise als Sensormodul zur Erfassung des Drucks, der Temperatur und der gleichen und/oder als Aktormodul ausgebildet sein kann. In der Ausbildung als Aktormodul kann es z. B. als Ventil ausgebildet sein bzw. wenigstens ein solches enthalten, wie ein Proportionalventil, ein Softstartventil oder dergleichen. Dieses Funktionsmodul 38 ist über den Steckverbinder 22 mit dem Kommunikationsanschluss 20 elektrisch verbunden. Über eine als Steckverbindungsanschluss ausgebildete Schnittstelle 39 am Funktionsmodul 38 ist eine Kommunikation mit externen Einrichtungen möglich, beispielsweise mit Aktoren und/oder Sensoren.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zahl der Arbeitsmodule 23 und Funktionsmodule 38 beliebig und auch ihre Reihenfolge kann entsprechend der Anordnung der Kommunikationsanschlüsse 19, 20 nahezu beliebig gewählt werden.

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen einem seriellen Datenbus (13) und Arbeitsmodulen (23, 24, 38), wobei der Datenbus (13) an einen Busknoten (11) in einem Busmodul (10) angeschlossen ist, das wenigstens zwei serielle Kommunikationsanschlüsse (19, 20) aufweist, die mit Ports (17, 18) eines mit dem Busknoten ((11) verbundenen oder in ihm integrierten Hub (12) verbunden sind, wobei die Kommunikationsanschlüsse (19, 20) zum Anschluss der Arbeitsmodule (23, 24, 38) und zur Spannungsversorgung derselben ausgebildet sind, und wobei wenigstens eines der Arbeitsmodule (23, 24) als Aktor- und/oder E/A-Modul ausgebildet ist, das einen Seriell-Parallel-Wandler (25) zum parallelen Anschluss von Aktoren (28) und/oder einen Seriell-Parallel-Wandler (25) zum parallelen Anschluss von E/A-Schnittstellen (26) enthält, die das jeweilige Arbeitsmodul (23, 24) aufweist oder die mit ihm verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die seriellen Bindungen zwischen dem Hub (12) und den Arbeitsmodulen (23, 24, 38) als Punkt-Zu-Punkt-Verbindungen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkt-Zu-Punkt-Verbindungen als IO-Link-Verbindungen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub (12) als IO-Link-Master ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Seriell-Parallel-Wandler (25) in den Arbeitsmodulen (23, 24) als IO-Link-Slawe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsanschlüsse (19, 20) als Steckverbindungen zum Anstecken der Arbeitsmodule (23, 24, 38) an das Busmodul (10) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsanschlüsse (19, 20) in einem linearen Raster angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der als Arbeits- und/oder E/A-Module ausgebildeten Arbeitsmodule (23, 24) Anschlussmittel (27) zum Anschluss und/oder Anstecken einer wenigstens einen Aktor (29) aufweisenden Aktoranordnung (28) besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die Aktoranordnung (28) eine Ventilbatterie ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der als Aktor- und/oder E/A-Module ausgebildeten Arbeitsmodule (23, 24) wenigstens eine E/A-Schnittstelle (26) besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine E/A-Schnittstelle (26) als Steckkontaktanordnung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine E/A-Schnittstelle (26) als parallele Schnittstelle ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Arbeitsmodule (38) als Funktionsmodul ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine als Funktionsmodul ausgebildete Arbeitsmodul (38) ein Sensor- und/oder Aktormodul ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine als Funktionsmodul ausgebildete Arbeitsmodul (38) eine Schnittstelle (39) zur Verbindung mit externen Einrichtungen besitzt.