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Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) benötigen je nach Anwendung unterschiedliche Schnittstellen zum Austausch von Mess- und Steuersignalen mit der Außenwelt. Derzeit werden diese Schnittstellen in verschiedenen Modulen (Anzahl und Art), wie z. B. digitale Ein- bzw. Ausgangsmodule, analoge Ein- bzw. Ausgangsmodule etc. bereit gestellt.
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Die hohe Anzahl an Modultypen erfordert bei Unternehmen hohe herstellungs- und logistische Herausforderungen und ist mit hohen Kosten verbunden.
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Module basierend auf dem Stand der Technik sind in diskreter Schaltungstechnik realisiert und können nachträglich nicht umkonfiguriert werden, d. h. dass z. B. ein digitaler Ausgang als digitaler Eingang verwendet werden kann.
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Bei speicherprogrammierbaren Steuerungen ist es bekannt, für jeden Funktionsblock eine eigene Karte zu entwickeln. Unter diesem Begriff wird verstanden, dass diskrete Bauteile auf einer Leiterplatte angeordnet werden, um die Leiterplatte dann als Funktionsblock zu erstellen, der eine bestimmte Funktion ausfüllt. Eine solche Funktion kann z. B. die Nachbildung eines analogen Eingangs sein, die Nachbildung eines analogen Ausgangs oder die Nachbildung von digitalen Ein- und Ausgängen.
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Ebenso kann ein solcher Funktionsblock, der auf einer getrennten und getrennt zu entwickelnden Karte aufgebaut ist, aus einer Vielzahl von anderen Funktionsblöcken bestehen, wie z. B. Zähler und dergleichen mehr.
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Nachteil bei den bisher bekannten Funktionsblöcken, die in Form von diskreten Leiterplatten bei speicherprogrammierbaren Steuerungen entwickelt wurden, ist der hohe Raumbedarf, die hohen Entwicklungskosten, weil für jede Funktion eine eigene Leiterplatte entwickelt werden muss und im Übrigen die Anfälligkeit im Betrieb, weil die diskreten Leiterplatten durch entsprechende kontaktgebende Elemente miteinander verbunden werden müssen und mit einem gemeinsamen Steuerbus verbunden sind.
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Es bedarf also einer Vielzahl von Steckerleisten und Anschlussbuchsen, um jeweils die beim Stand der Technik bekannte Leiterplatte mit anderen Leiterplatten zu verbinden.
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Dadurch entsteht eine unerwünscht hohe Typenvielfalt am Lager, eine große Lagerhaltung und ein großer Ersatzteilbedarf, weil die einzelnen Funktionsblöcke, die auf diskreten Leiterplatten aufgebaut sind, auch getrennt ausgetauscht werden müssen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ein- und Ausgangsmodul für eine speicherprogrammierbare Steuerung so weiterzubilden, dass sie wesentlich flexibler eingesetzt werden kann, d. h. dass sie entsprechend der ihr zugeordneten Aufgabe frei konfigurierbar oder parametrierbar ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass auf einem Modul (Baugruppe) eine beliebige Anzahl von multifunktionalen Bausteinen angeordnet sind, wobei jeder multifunktionelle Baustein frei durch ein zugeordnetes Steuermodul konfigurierbar ist, um so den jeweiligen bekannten Funktionsblock nunmehr als multifunktionalen Baustein auszubilden.
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Hier liegt das Wesen der Erfindung, die vorsieht, dass die vorher im Stand der Technik bekannten einfachen und nur einem einzigen Zweck dienenden Funktionsblöcke nunmehr eine Vielzahl von Funktionen ausführen können und demzufolge als multifunktionaler Baustein ausgebildet sind.
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Damit besteht der wesentliche Vorteil, dass nun nicht nur ein diskreter Anwendungszweck für den Funktionsblock vorgesehen ist, sondern dass der Funktionsblock entsprechend seiner Konfigurierbarkeit unterschiedliche Funktionen ausführen kann und alles auf engstem Raum zusammengefasst ist.
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Durch die Verwendung eines sogenannten ASIC (Application Specific Integrated Circuit) erhält man eine höhere Flexibilität in einem SPS Modul, da unterschiedliche Schnittstellen in den Modulen wahlweise zur Verfügung stehen und auch entsprechend konfiguriert werden können.
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Mit diesem ASIC basierten Modul können unter anderem SPS spezifische Module mit analogen Eingängen, analogen Ausgängen, Eingänge für Temperatursensoren, digitalen Eingängen und analogen Ausgängen flexibel realisiert werden.
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In einem Modul sind 2 ASIC Bausteine im Einsatz, da dadurch ein gutes Preis- /Leistungsverhältnis erreicht wird.
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Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich nun der wesentliche Vorteil, dass nun auf einzelne nur einem einzigen Funktionszweck dienende Leiterplatten verzichtet werden kann und dass auf einem Modul (Baugruppe) eine Mehrzahl von erfindungsgemäß funktional ausgebildeten Bausteinen angeordnet werden kann, wobei jeder multifunktionelle Baustein entsprechend seiner Konfiguration, z. B. einen analogen Eingang, einen analogen Ausgang oder einen digitalen Ein-/Ausgang ausbilden kann. Darüber hinaus sind noch andere Funktionen möglich, wie z. B. die Funktion eines Zählers, die Funktion eines Temperatureingangs und dergleichen mehr.
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Wichtig bei der Erfindung ist also, dass man nun dem erfindungsgemäßen funktionalen Baustein mehrere Funktionen zuordnet und diese Funktionen nun entsprechend einer von außen zuführbaren Konfiguration einstellbar sind und auch wieder veränderbar sind.
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Damit ist eine große Flexibilität gegeben, denn auf einem einzigen Modul können nun eine Vielzahl von getrennt konfigurierbaren multifunktionellen Bausteinen aufgebaut werden, die entsprechend ihrer Konfiguration einem unterschiedlichen Funktionszweck dienen. Dies war beim Stand der Technik nicht der Fall. Aus diesem Grund hat die Erfindung den Vorteil, dass die erfindungsgemäß aufgebaute Baugruppe nun sehr flexibel ist und dass heißt, es braucht nur in der Lagerhaltung eine einzige Baugruppe vorgehalten zu werden, weil bei einem entsprechenden Austauschbedarf nur diese einzelne Baugruppe ausgetauscht wird. Ein Austausch unterschiedlicher Baugruppen, die getrennt voneinander angeordnet und über Steckverbinder miteinander verbunden sind, ist nicht mehr erforderlich.
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Dadurch wird die Lagerhaltung minimiert, der Ersatzteilbedarf wird verringert und die Zuverlässigkeit wird wesentlich erhöht. Außerdem wird der Entwicklungsaufwand drastisch reduziert, weil sozusagen „alles – in einem” ausgeführt wird, d. h. der erfindungsgemäße multifunktionelle Baustein kann entsprechend seiner Konfiguration für unterschiedlichste Funktionen herangezogen werden.
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Erfindungsgemäß sind die multifunktionellen Bausteine als SMD-Bauelemente ausgebildet und sind in einer beliebigen Konfiguration und Anordnung auf einer Baugruppe angeordnet. Eine solche Baugruppe ist dann Bestandteil einer speicherprogrammierbaren Steuerung, und bei diesen speicherprogrammierbaren Steuerungen ist charakteristisch, dass eine Anzahl von Baugruppen nebeneinander liegend eine Steuerungsgarnitur bilden, wobei an der einen Seite der Steuerungsgarnitur eine Vielzahl von Anschlussklemmen vorhanden sind, über welche die Sensoren- und Aktorensignale zugeführt werden, während auf der Ausgangsseite dieser Steuerungsgarnitur ein Ausgang für einen zentralen Bus besteht, der alle digitalen Signale zusammenführt und gesteuert einer CPU zuführt.
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Damit wird der Platzbedarf bei derartigen Steuergarnituren wesentlich minimiert, weil nur noch ein einziger multifunktionaler Baustein vorhanden sein muss, wo vorher in der Steuerungsgarnitur z. B. 3 nebeneinander liegende Funktionsblöcke vorhanden sein mussten.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: der Modulaufbau einer speicherprogrammierbaren Steuerung mit der Angabe von drei verschiedenen Funktionsblöcken
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2: ein Ersatz der bekannten Schaltung nach 1 mit der Anordnung von zwei multifunktionellen Bausteinen
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3: die Ansteuerung eines multifunktionellen Bausteines durch eine CPU
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4: ein Ersatzschaltbild für einen internen Funktionsblock
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5: die Verschaltung von zwei internen Funktionsblöcken mit weiteren Bauteilen
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6: das Blockschaltbild der Anordnung nach 4
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7: ein Blockschaltbild für einen Funktionsblock zur Nachbildung eines analogen Einganges
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8: ein Blockschaltbild für die Nachbildung eines analogen Ausganges
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9: ein Blockschaltbild für die Nachbildung eines digitalen Eingangs/Ausgangs
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In 1 ist allgemein der Stand der Technik dargestellt, und zwar ein Modulaufbau, der im Prinzip aus einem Modul oder einer Baugruppe 1 besteht, auf der mittels diskreten Bauteilen drei Funktionsblöcke angeordnet sind. Der Funktionsblock 2 bildet z. B. einen analogen Eingang nach, der Funktionsblock 3 einen analogen Ausgang und der Funktionsblock 4 einen digitalen Ein- oder Ausgang.
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Dementsprechend sind den Funktionsblöcken die Leitungen 2a, 3a und 4a zugeordnet.
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Auf der anderen Seite münden diese Funktionsblöcke 2–4 in digitale Ein- und Ausgänge 5, die einer nicht näher dargestellten CPU zugeführt werden und dort weiterverarbeitet werden.
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Die Darstellung in 1 zeigt den Nachteil des Standes der Technik, denn dort ist erkennbar, dass auf dem Modul die Funktionsblöcke 2–4 mit diskreten Bauteilen aufgebaut sind und auf dem Modul die Funktion dieser Funktionsblöcke 2–4 genau festgelegt ist und nicht veränderbar ist.
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Hier setzt die Erfindung ein, die nun vorsieht, auf einem Modul 1 eine Anzahl von Funktionsblöcken 2–4 vorzusehen und deren Funktion nur frei konfigurierbar zu gestalten, um eine wesentlich bessere Flexibilität zu erreichen.
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Dies zeigt die 2. In 2 ist dargestellt, dass das Modul 1 nach 1 nun ersetzt ist erfindungsgemäß durch jeweils einen multifunktionellen Baustein 6 oder 7, d. h. also die Anordnung nach 1 wird in 2 bereits schon verdoppelt dargestellt, indem zwei unterschiedlich arbeitende multifunktionelle Bausteine 6, 7 vorhanden sind.
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Wichtig ist, dass in jedem multifunktionellen Baustein 6 oder 7 die Funktionen nach den vorigen Funktionsblöcken 2–4 frei konfigurierbar angeordnet sind, wie nachfolgend näher erläutert wird.
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Wichtig hierbei ist nämlich, dass über einen externen Systembus 11 ein auf dem Modul 1 angeordnetes Steuermodul 12 angesteuert wird, und dieses Steuermodul erhält von dem Systembus 11 digitale Steuersignale, die dem Steuermodul mitteilen, welche Programmierbefehle er dem jeweiligen multifunktionellen Baustein 6 oder 7 zuführen soll, um die Funktion dieses multifunktionellen Bausteins festzulegen.
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Zu diesem Zweck ist das Steuermodul 12 als Busanschaltung ausgebildet, dem eine Steuerlogik zugeordnet ist. Aus diesem Grund steuert dieses Steuermodul 12 einen internen Bus 10 an, und dieser interne Bus steuert wiederum über bidirektionale Daten und Steuerleitungen den jeweiligen multifunktionellen Baustein 6 oder 7 an. Dementsprechend nach der gewählten Funktion des multifunktionellen Bausteins werden auch die bidirektionalen Ein- und Ausgänge 8, 9 angesteuert.
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Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Darstellung nach dem Stand der Technik (1), denn nunmehr können entsprechende konfigurierbare Funktionen der multifunktionellen Bausteine 6 oder 7 auch die Ein- und Ausgänge 8, 9 bidirektional ausgebildet werden, was beim Stand der Technik nicht der Fall war.
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In 3 ist die vorher erwähnte Ansteuerung des Steuermoduls 12 näher dargestellt. Es ist erkennbar, dass über eine extern angeordnete CPU 13 und den externen Systembus 11 die Daten und Steuerbefehle an das Steuermodul 12 weitergegeben werden, welches eingangsseitig in dem jeweiligen Modul vorhanden ist, in dem ein oder mehrere multifunktionelle Bausteine 6, 7 vorhanden sind.
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Es wird noch darauf hingewiesen, dass das Ausführungsbeispiel nach 2 nur zwei unterschiedlich arbeitende, jedoch im Prinzip gleich aufgebaute multifunktionelle Bausteine 6, 7 zeigt. Hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt. Es kann auf einem solchen Modul auch nur ein einziger multifunktioneller Baustein 6 angeordnet sein, oder es können eine Vielzahl derartiger multifunktioneller Bausteine angeordnet werden, die alle von einem Steuermodul 12 in der vorher beschriebenen Weise konfiguriert werden.
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Die 4 zeigt das Blockschaltbild eines internen Funktionsblockes 29 (siehe hierzu 5), aus dem erkennbar ist, dass in einem solchen multifunktionellen Baustein 6, 7 (und zwar in jedem der Bausteine) eine Vielzahl von konfigurierbaren Funktionseinheiten oder Funktionsblöcken angeordnet sind.
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Im Ersatzschaltbild ist erkennbar, dass von dem externen Systembus 11 ausgehend ein Steuermodul 12 angesteuert wird, welche hier als ansteuerbarer Schalter dargestellt ist, um darzustellen, dass entsprechend der Schalterstellung dieses im Ersatzschaltbild dargestellten Schalters entweder nun ein Funktionsblock 4 als digitaler Ein- und Ausgang konfiguriert werden kann oder ersatzweise entsprechend der Stellung dieses Schalters ein analoger Ausgang (Funktionsblock 3) oder entsprechend der weiteren Stellung dieses Schalters ein analoger Eingang oder gemäß dem Bezugszeichen 14 auch ein Zähler 14 eingeschaltet werden kann. Dies bedeutet, dass eine beliebige Anzahl von internen Funktionsblöcken durch ein Steuermodul, welches hier im Ersatzschaltbild als Schalter dargestellt ist, konfiguriert werden kann.
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Der Vergleich der 4 zur 1 zeigt den wesentlichen Vorteil der Erfindung, denn nun ist erkennbar, dass es nicht mehr der Aufbau diskreter Bauelemente bedarf, sondern alles ist in dem jeweiligen multifunktionellen Baustein 6, 7 angeordnet.
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Die 5 zeigt das Blockschaltbild des Ersatzschaltbildes nach 4, wo erkennbar ist, dass ein solcher interner Funktionsblock 29, 30 zweifach in einem solchen multifunktionellen Baustein 6, 7 vorhanden ist und dass jeder interne Funktionsblock 29, 30 getrennt konfigurierbar ist. Die Konfiguration erfolgt hierbei unter dem Einfluss eines Taktsignals 15, das einen hochgenauen Takt an die internen Funktionsblöcke 29, 30 vorgibt und auch ein Spannungsreferenzsignal 16 vorgegeben ist, welches für eine hochgenaue Spannungsversorgung sorgt.
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Die 6 zeigt nun, dass in einem solchen internen Funktionsblock 29 oder 30 die vorher dargestellten Funktionen nach 7, 8 und 9 nachgebildet werden und dass demzufolge über das Taktsignal 15 dem internen Bus 10 und das Referenzsignal 16 eine Vielzahl von einzelnen Funktionen konfigurierbar sind.
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Die 7 zeigt den internen Aufbau der Nachbildung eines analogen Einganges, der im Wesentlichen aus zwei parallelen miteinander verstellbaren Umschaltern 17 besteht, welche eine Stromquelle 18 gegenüber einem Bezugspotential 19 umschalten. Der analoge Eingang kann mehrere Betriebsarten aufweisen und beispielsweise in der eingezeichneten Stellung des Umschalters 17 wird die Stromquelle 18 nach außen über den bidirektionalen Ein- und Ausgang 8, 9 geschaltet, um einen nicht dargestellten Geber mit einem Referenzstrom zu versorgen.
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Umgekehrt werden die vom Geber abgegebenen Signale über die bidirektionalen Ein- und Ausgänge 8, 9 einem Tiefpass 20 zugeführt, wo sie entsprechend einer Tiefpasskurve gefiltert werden und danach einem Verstärker oder Abschwächer 21 zugeführt.
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Danach wird das Ausgangssignal des Verstärkers oder Abschwächers 21 einem A/D-Wandler 22 zugeführt, der hieraus ein digitales Signal erstellt, welches über einen digitalen Filter 23 einer Kalibrierung 24 zugeführt wird. Das so hergestellte Signal wird auf den internen Bus 10 aufgegeben, und zwar unter der Einwirkung der Steuersignale auf dem unten gezeigten internen Bus 10.
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An den A/D-Wandler wird im Übrigen noch das hochgenaue Referenzsignal 16 angelegt.
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In 8 ist die digitale Nachbildung eines analogen Ausganges in Form eines Blockschaltbildes dargestellt.
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Ausgehend von dem internen Bus 10, wo digitale Werte am Eingang eines Digital-Analog-Wandlers 25 anliegen, werden unter dem Einfluss einer Referenzspannung 16 diese Werte in analoge Werte umgewandelt, über den Verstärker oder Abschwächer 21 verstärkt oder abgeschwächt und sodann einem Tiefpass 20 zugeführt, wo sie dann entsprechend der Schaltstellung des konfigurierbaren Umschalters 17 einem bidirektionalen Ein- und Ausgang 8, 9 zugeführt werden. Auf diese Weise wird aus digitalen Eingangssignalen ein analoger Ausgang nachgebildet.
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Die 9 zeigt die Nachbildung eines digitalen Eingangs oder Ausgangs entsprechend dem dort gezeigten Blockschaltbild.
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Von dem bidirektionalen Ein- und Ausgang 8, 9 ausgehend, wird das Signal einerseits einem Schmitt-Trigger zugeführt und dort entsprechend einem digitalen Filter 23 weitergeführt, welches einen Anzeigeausgang 28, z. B. für eine LED, ansteuert.
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Parallel hierzu wird entsprechend der Schaltstellung eines konfigurierbaren Umschalters 17 unter Einwirkung der Daten auf dem internen Bus 10 der digitale Ausgang angesteuert.
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Es wird noch dargestellt, dass eine Versorgungsspannung 27 vorhanden ist.
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Der obere Zweig der Schaltung nach 9 ist der digitale Eingang, während der untere Schaltungszweig über den Umschalter 17 den digitalen Ausgang darstellt.
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Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist dem gemäß, dass nun frei konfigurierbare multifunktionelle Bausteine 6, 7 vorhanden sind, die eine Vielzahl von Funktionen ausfüllen können und die Funktion erst dann gewählt wird, wenn die entsprechenden Daten über ein Steuermodul 12 und einen externen Systembus 11 zugeführt werden.
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Beim Start einer derartigen speicherprogrammierbaren Steuerung wird demzufolge zunächst über den externen Systembus 11 den Modulen ihre notwendige und gewünschte Konfiguration bekannt gegeben. Damit ergeben sich wesentliche Einsparungen bei der Programmierung derartiger speicherprogrammierbaren Steuerungen und im hardwaremäßigen Aufbau.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Modul (Baugruppe)
- 2
- Funktionsblock 2a Eingang analog
- 3
- Funktionsblock 3a Ausgang analog
- 4
- Funktionsblock 4a Ein/Ausgang digital
- 5
- digitale Ein- und Ausgänge
- 6
- multifunktionaler Baustein
- 7
- multifunktionaler Baustein
- 8
- bidirektionale Ein- und Ausgänge
- 9
- bidirektionale Ein- und Ausgänge
- 10
- interner Bus
- 11
- Systembus (extern)
- 12
- Steuermodul
- 13
- CPU
- 14
- Zähler
- 15
- Taktsignal
- 16
- Referenzsignal (Spannung)
- 17
- Umschalter
- 18
- Stromquelle
- 19
- Bezugspotential
- 20
- Tiefpass
- 21
- Verstärker (oder Abschwächer)
- 22
- A/D-Wandler
- 23
- digitaler Filter
- 24
- Kalibrierung
- 25
- Digital-Analog-Wandler
- 26
- Schmitt-Trigger
- 27
- Versorgungsspannung
- 28
- Anzeige-Ausgang
- 29
- interner Funktionsblock
- 30
- interner Funktionsblock
