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Einleitung
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In der Industrieautomation interagieren die Steuerungen mit dem Prozess bzw. der Fabrik über so genannte Ein- Ausgabekanäle (E/As) über welche Sensoren, Aktoren etc. angeschlossen sind. Es existieren sehr viele Schnittstellen, die die Mischung der Systeme sehr schwierig gestalten.
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So müssen beispielsweise die verschiedenen Pin-Belegungen verschiedener Anbieter für ein und dieselbe mechanische Ausführung von Steckern so kombiniert werden, dass sich keine kritischen Konflikte ergeben, die eine Nutzung unmöglich machen.
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Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen E/A Typen, wobei folgende 9 international normierte Typen für eine Anschlussleitung dominieren:
| F1: | digitale 24V | Eingänge (gemäß EN 61131-2) |
| F2: | digitale 24V | Ausgänge (gemäß EN 61131-2) |
| F3: | Analoge 0/4..20mA | Eingänge |
| F4: | Analoge 0..10V | Eingänge |
| F5: | Analoge 0/4..20mA | Ausgänge |
| F6: | Analoge 0..10V | Ausgänge |
| F7: | 3 Leiter Widerstandsmessung (z. B. für PT Temperatursensoren) |
| F8: | IO Link (beinhaltet per Norm einen kombinierten digitalen Eingang und |
| Ausgang) | |
| NF: | Keine Funktion | |
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Die Nummern sind folgenden als Konfiguration Fn mit n zwischen 1 und 8 referenziert. Dabei können auch differentielle Kombinationen mit zwei Anschlüssen auftreten. Bei den digitalen Ein- und Ausgängen sind Sonderfunktionen wie beispielsweise Filterkonstanten, PWM Ein- und Ausgänge verbreitet. Es gibt eine ganze Anzahl weiterer E/A Sondertypen. Die oben aufgeführten decken jedoch den größten Teil des Marktes ab. Viele Hersteller beschränken sich auf diese Typen. Sondertypen wären beispielsweise differenzielle analoge, Thermoelement, 4 Draht Widerstandsmessung, Inkrementalgeber e.t.c.
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E/A Kanäle können in die Steuerung integriert, an der Steuerung direkt, oder über einen Bus angeschlossen sein. Es gibt zwei dominante Formen:
- a) Innerhalb des Schaltschrankes „Reihenklemmen“ mit Kabelanschlüssen (Im Folgenden mit „Klemme“ bezeichnet.),
- b) außerhalb als IP67 feste Boxen mit M12/M8/M6 Rundsteckeranschlüssen (im Folgenden mit M-Buchse bezeichnet.).
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Jede solche Einheit enthält typischerweise
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16 E/As. Stand der Technik ist es das jeder Anschluss nur einen Typ beherrscht. Die einzigen im Stand der Technik bekannten Typkombinationen sind die Kombinationen der Merkmale
1 und
2 oder alternativ der Merkmale
3 und
4 oder alternativ der Merkmale
5 und
6.
Aus der
DE 10 2009 045 055 A1 ist ein Verfahren zum Konfigurieren einer Feldbusschnittstelle und zum Einstellen derselbigen anhand eines ermittelten Parameters bekannt. Die Grundidee des Verfahrens der
DE 10 2009 045 055 A1 ist die passive Vermessung des auf dem betreffenden Feldbus ohnehin vorhandenen Datenverkehrs, die darauffolgende Ermittlung eines Einstellparameters in Abhängigkeit von diesen Daten und die darauf folgende Konfiguration der Feldbusschnittstelle in Abhängigkeit von diesem Einstellparameter.
Aus der
EP 2 423 771 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer analogen Einbaugruppe in einer speicherprogrammierbaren Steuerung bekannt.
Aus der
DE 10 2009 029 042 A1 ist eine Steckverbindung bekannt, die durch mechanische Kodierung in Kontaktebenen eine von der mechanischen Konfiguration des jeweiligen Steckers abhängige Funktionalität zur Verfügung stellt. Ein ähnlicher Ansatz wird in der
DE 10 2011 051 154 A1 verfolgt, die ein busfähiges Anschluss- und Funktionsmodul und Anschlusssystem mit derartigen Modulen offenbart. Die in den letztgenannten beiden Schriften offenbarte mechanische Kodierung ist nachteilig, da sie eine bestimmte Steckerform jeweils vorgeben und somit außerhalb jeder mechanischen Norm liegen.
Aus der
US 5 087 912 A ist eine Wandlerausgangsmessschnittstellenvorrichtung zum Bereitstellen einer Schnittstelle zwischen mindestens einem mit Gleichstrom versorgten Wandler und einem Datenerfassungssystem bekannt. Vom Wandler erzeugte Datensignale werden entsprechend der technischen Lehre der
US 5 087 912 A über ein Mehrdrahtsenderkabel und ein Datenerfassungskabel an das Datenerfassungssystem übertragen. Die in der
US 5 087 912 A offenbarte Schnittstelle umfasst:
- (a) einen Mehrfachstecker zum Koppeln von Signalen zwischen dem Mehrdrahtkabel und der Schnittstellenvorrichtung;
- (b) Master-Pin-Verbindungsmittel zum Koppeln von Signalen zwischen der Schnittstellenvorrichtung und dem Datenerfassungssystem;
- (c) ein Leistungseingangsmodul zum Empfangen eines Eingangsleistungssignals von ungefähr 100 bis 240 V Wechselspannung und 50 bis 60 Hz;
- (d) eine Stromversorgungseinrichtung zum Umwandeln der Eingangsleistung in eine vordefinierte Gleichspannung, wobei die Gleichspannung von den Leistungsanforderungen des Wandlers abhängt; und
- (e) Mittel zum Koppeln der Gleichspannung an den Mehrfachsteckverbinder, wodurch Mittel zum Liefern von Gleichstrom an den Wandler bereitgestellt werden.
Eine technische Lösung, die die Kombination aller zuvor vorgestellten Merkmale F1-F8 ermöglicht, ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Hierdurch treten folgenden Probleme auf:
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- A) Es entsteht eine große Variantenanzahl der durch einen Nutzer vorzuhaltenden oder einen Hersteller in seinem Sortiment anzubietenden E/A Baugruppen. Beispielsweise 9 Typen x mit 2/4/8/16 Anschlüssen) x (Konfigurationen Klemme/M-Buchse). Hierdurch wird eine aufwendige Lagerhaltung z.B. für vor Ort vorgehaltene Ersatzteile mit einer entsprechenden Kapitalbindung und Fehlerrate bei der Installation erzwungen.
- B) Verschnitt: Da die Anzahl der von der Applikation benötigten E/As jedes Typs nicht mit der Diskretisierung der E/A Baugruppen übereinstimmen bleiben immer E/A-Kanäle ungenutzt. Dies gilt besonders im Feld, da die IP67-Boxen mit den E/A Anschlüssen oft weit auseinanderliegen.
- B) Unübersichtliche und längere Verkabelungen: Eine Verkabelung erfolgt nach den Typen der anzuschließenden E/As, nicht nach Funktion der angeschlossenen Geräte. Dies führt zu vermehrten Fehlern.
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Aufgabe der Erfindung
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Somit ergeben sich folgende Aufgaben:
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Es ist nun eine Konstruktion für eine integrierbare elektronische Schnittstelle zu finden, die sicherstellt, dass durch eine Software-Einstellung jede der vorgegebenen Konfigurationen F1-F8 der Einleitung ohne mechanischen Eingriff erreicht werden kann. Hierbei soll die Konfiguration sowohl für einen Verbau in einen Stecker oder ein Gerät einmalig werksseitig erfolgen könne als auch später im Feld. Dies soll für die Schnittstelle letztlich gleichgültig sein.
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Die Ein-Ausgabeschnittstelle muss hierbei so ausgelegt werden, dass eine mehrfache Verwendung von kritischen Bauteilen wie beispielsweise Referenzwiderständen für verschiedene Arbeitsmodi F1-F8 der Schaltung sichergestellt ist, um hier die entstehenden Kosten zu sparen.
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Hierbei ergeben sich folgende Anforderungen:
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Die zwei grundsätzlichen Verbausituationen werden berücksichtigt:
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Zum einen die Verbausituation „Klemme“ in einem Terminal. Bei dieser Verbausituation wird genau eine Leitung eines Kabels angeschlossen. Hierbei wird eine der Konfigurationen F1-F8 fest per Software vergeben, die dem angeschlossenen System entspricht. Die Hardware der Anschlussbox soll aber unabhängig von der Konfiguration gleich sein.
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Zum anderen die Verbau Situation „M-Buchse“. In diesem Fall ist der Steckverbinder entweder eine M12-Buchse oder eine M8-Buchse oder eine M6-Buchse für die entsprechenden Stecker. Diese Buchse ist Teil einer vernetzten Anschluss-Box. Die Buchsen weisen vier Anschlüsse Pin1, Pin2, Pin3, Pin4 auf. Davon sind für alle Varianten der Pin 1 auf 24V gelegt und der Pin 3 auf 0V (GND).
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Die Anforderungen können für diese Verbausituation „M-Buchse“ wie folgt dargestellt werden:
| Modus | Pin 1 | Pin 2 | Pin 3 | Pin 4 |
| IO-Link | 24V | Ein-Ausgang (optional) | 0V | C/Q (Daten) |
| Digital IO doppelt | 24V | Ein-Ausgang No. 2, DIAG | 0V | Ein- Ausgang No. 1, |
| Digital IO einfach | 24V | NC | 0V | Ein- Ausgang |
| Analog Ausgang DE | 24V | Eingang + | 0V | Eingang - |
| Analog Eingang SE doppelt | 24V | Eingang 2 | 0V | Eingang 1 |
| Analog Eingang SE einfach | 24V | Eingang | 0V | nicht angeschlossen |
| Analog Ausgang einfach | 24V | nicht verbunden | 0V | Ausgang |
| Konfigurationsmöglichkeiten | 24V | D In, R | 0V | C/Q, DIO, R, |
| der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Multiplex | | | | A I/O |
| UIIO | | | | |
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Die letzte Zeile der Tabelle gibt dabei die Anforderungen an die erfindungsgemäße Vorrichtung UIIO wieder. D In bedeutet dabei digital in, R bedeutet „resisitive input“ für Widerstandmessungen. Das bedeutet, dass dieser Pin umschaltbar zwischen digitalem Input und Widerstandsmessung sein muss.
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C/Q ist ein digitaler Daten Ein-/Ausgang entsprechend der IO-Link Spezifikation. DIO bedeutet ein digitaler Ein-/und Ausgang mit 24V Pegel gemäß EN 61131-2, R bedeutet „resisitive input“ für Widerstandmessungen, wobei es sich um den zum Pin 2 korrespondierenden Anschluss handelt. A I/O bedeutet analog Input/Output (0/4..20mA bzw. 0-10V). Das bedeutet, dass dieser Pin zwischen diesen Betriebsmodi umschaltbar sein muss.
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Durch SW Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen nun verschiedene Pin-Konfigurationen gewählt werden können.
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Diese Anforderungen werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und die folgenden Ansprüche gelöst.
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Betriebsmodi der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Obige Anforderungen können für die beiden Hauptanwendungsfälle (Klemme und M-Buchse) erweitert werden.
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M-Buchse
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Das Pinning für die M12, M8 und M6 Buchsen kann durch weitere Pinning-Konfigurationen erweitert werden:
| Pinning für M-Buchse | Mögliche Funktionen Pin2 | Mögliche Funktionen Pin4 |
| Pinning 0 (entspricht der Zeile UIIO der vorhergehenden Tabelle) | F1, F7 | F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8 |
| Pinning1 | F1, F3, F4, F7, | F1, F2, F5, F6, F7, F8 |
| Pinning 2 | F1, F7 | F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8 |
| | Zusätzlich F3, F4, F5, F6 differentiell zu Pin 3 | Zusätzlich F3, F4, F5, F6 differentiell zu Pin 2 |
| zusätzlich zu Pinning 0: differentieller Anschluss |
| Pinning3 | F1, F3, F4, F7, | F1, F2, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 1: differentieller Anschluss | Zusätzlich F3, F4, F5, F6 differentiell zu Pin 3 | Zusätzlich F3, F4, F5, F6 differentiell zu Pin 3 |
| identisch Pinning2 | identisch Pinning2 |
| Pinning 4 | F1, F3, F4, F7 | F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 0: 2ter analoger Anschluss an Pin 2 | | |
| Pinning5 | F1, F3, F4, F7, | F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 1: 2ter analoger Anschluss an Pin 2 | identisch Pinning 4 | identisch Pinning 4 |
| Pinning 6 | F1, F5, F6, F7 | F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 0: 2ter analoger Anschluss an Pin 2 | Zusätzlich F5, F6 zu Pinning 0 | |
| Pinning7 | F1, F3, F4, F5, F6, F7, | F1, F2, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 1: 2ter analoger Anschluss an Pin 2 | Zusätzlich F5, F6 zu Pinning 1 | |
| Pinning 8 | F1, F5, F6, F7 | F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 1: 2ter analoger Anschluss an Pin 1 & 2 | | |
| Pinning9 | F1, F3, F4, F5, F6, F7, | F1, F2, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 1: 2ter analoger Anschluss an Pin 1 & 2 | | |
| Pinning 10 | F1,F2, F7 | F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8 |
| 2nd digital add zusätzlich zu Pinning 0: 2ter digitaler Anschluss an Pin 4 | | |
| Pinning11 | F1, F2, F3, F4, F7, | F1, F2, F5, F6, F7, F8 |
| zusätzlich zu Pinning 1: 2ter digitaler Anschluss an Pin 4 | | |
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Die Tabelle oben gibt weitere Pinnings für eine M-Buchse an, die gegenüber der letzten Zeile von Tabelle 1 um weitere Funktionen erweitert sind und die ebenfalls durch die erfindungsgemäße Vorrichtung über die Anforderungen abgedeckt werden können. Andere Kombinationen von Funktionen sind natürlich denkbar und sicherlich auch in speziellen Anwendungsfällen nützlich.
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Ein- und derselbe physikalische mehrpolige Anschluss (z.B. M12/M8/M6 Stecker) ist konfigurierbar zwischen den Pinnings 0 bis 11, sowie ggf. weiterer sinnvoller Kombinationen der Funktionen F1 bis F8.
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Hierbei sind aber nicht alle Umschaltmöglichkeiten neu. Die folgende Liste gibt die nicht aus dem Stand der Technik bekannten Umschaltmöglichkeiten an:
- - von digitaler Pin-Funktion (F1 oder F2) zu analoger Pin-Funktion (F3 bis F6)
- - von analoger Ein- oder Ausgangs-Pin-Funktion zu analogem Aus- oder Eingangs-Pin-Funktion
- - Umschaltung zwischen den Konfigurationen F1 bis F6 untereinander
- - Umschaltung zwischen den Konfigurationen F1 bis F6 und F8 untereinander
- - Umschaltung zwischen analogen Ein und Ausgangs-Funktionen (F3 bis F6) und IO Link (F8)
- - Umschaltung der vorhergehenden Kombinationen mit der Konfiguration F7 Die Konfiguration kann über den Bus (durch das Steuerprogramm oder die Buskonfiguration) oder direkt an der Klemme/IO Box erfolgen.
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Terminal/ Busklemme
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Ein- und dieselbe physikalische Anschluss (E/A) für ein Kabel einer Busklemme ist konfigurierbar zwischen den Konfigurationen F1 bis F8 und Teilmengen der sich hieraus ergebenden Umschaltmöglichkeiten. Hierbei sind aber nicht alle Umschaltmöglichkeiten neu. Die folgende Liste gibt die nicht aus dem Stand der Technik bekannten Umschaltmöglichkeiten an:
- - von digitaler Pin-Funktion (F1 oder F2) zu analoger Pin-Funktion (F3 bis F6)
- - von analoger Ein- oder Ausgangs-Pin-Funktion zu analogem Aus- oder Eingangs-Pin-Funktion
- - Umschaltung zwischen den Konfigurationen F1 bis F6 untereinander
- - Umschaltung zwischen den Konfigurationen F1 bis F6 und F8 untereinander
- -- Umschaltung zwischen analogen Ein und Ausgangs-Funktionen (F3 bis F6) und IO Link (F8)
- - Umschaltung zwischen F1 bis F6 und F8 nach F7 wobei hierfür die Zuordnung eines weiteren Kabelanschlusses aufgrund der zwei notwendigen Messleitungen notwendig ist.
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Im Folgenden wird die Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht im Gegensatz zum Stand der Technik diese Konfigurationen umschaltbar zu erreichen:
- 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltung, die dieses leistet:
Die Schaltung verfügt über die einen ersten Anschluss (8) und einen zweiten Anschluss (9).
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Der erste Anschluss (8) wird mit Pin 4 gemäß obiger Tabelle bei Verwendung in einer M-Buchse verbunden. Der zweite Anschluss (9) wird mit Pin 2 gemäß obiger Tabelle in diesem Nutzungsfall (M-Buchse) verbunden. Pin 1 der M-Buchse wird mit 24V verbunden. Pin 3 wird mit 0V (GND) verbunden.
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Bei Verwendung in einer Klemme wird der erste Anschluss (8) mit dem Klemmenanschluss verbunden. Im Falle der Benutzung der Konfiguration F7 in einer Klemme ist eine zweite Leitung für die Messung notwendig. Diese zweite Klemme wird an den zweiten Anschluss (9) angeschlossen.
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Jeder dieser Anschlüsse, der erste Anschluss (8) und der zweite Anschluss (9), ist mit je einer ESD Schutzschaltung (43, 44) versehen.
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Zunächst wird die Realisierung der Funktionen F1, F2 und F8 diskutiert.
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Der erste Anschluss (8) ist zur Realisierung der Funktion F8 und der digitalen I/O Funktionen F1 und F2 mit einem ersten Block (1) verbunden, der über eine IO-Link-Schnittstelle kombiniert mit einem digitalen Ein- und Ausgang verfügt. Der Anschluss an den Systembus ist zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet. Die digitalen Ein- und Ausgänge sind kompatibel zum IO-Link-Ein-Ausgang. Daher ist diese Kombination ohne Schwierigkeiten für einen Fachmann möglich.
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Der zweite Anschluss (9) ist mit einem zweiten Block (2) verbunden und zwar über einen digitalen Eingang des zweiten Blocks (2). Die Anschlüsse des ersten Blocks (1) und des zweiten Blocks (2) werden bei nicht Benutzung über die Enable-Signale, das Enable-Signal (11) des zweiten Blocks (2) und das Enable-Signal (12) des ersten Blocks (1) in einen hochohmigen Zustand geschaltet. Mit diesen Blöcken (1, 2) werden die Konfigurationen F1, F2 und F8 realisiert. Hierfür wird der erste Block (1) bzw. der zweite Block (2) durch die nicht eingezeichnete Steuerlogik, die über den Systembus angesprochen werden kann, in den entsprechenden Modus geschaltet.
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Ist der erste Block (8) nicht in einer der Konfigurationen F1, F2 oder F8, so ist der Ausgang des ersten Blocks (1) auf die Leitung (8) hochohmig.
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Um die Funktion F8 korrekt zu realisieren sind in der Regel zwei Stromsenken und zwei Spannungskomparatoren mit typischerweise fest eingestellten Schwellwerten erforderlich, um die Anschlusseigenschaften gefordert durch die EN61131-2 in den Ausprägungen der Typen 1/2/3 zu realisieren.
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Die Konfiguration F6 (Analoge 0..10V Ausgänge) wird wie folgt realisiert:
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Der Block DAC (3) liefert eine Spannung, die proportional zur gewünschten Ausgangsspannung ist. Dieser Block DAC (3) ist über die Leitung (5) mit dem Verstärker (4) verbunden. Der Verstärker (4) verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der Leitung (5) und einer Referenzspannung (6), die einer als typischerweise programmierbaren Spannungsteiler dienenden konfigurierbaren Präzisionswiderstandskette (7) entnommen wird. Die Präzisionswiderstandskette ist in dieser Konfiguration F6 mit einem Pol mit einer Referenzspannung und mit dem anderen mit Masse verbunden. Über einen Multiplexer (15) wird dieser Anschluss hergestellt. Sowohl Widerstandskette (7) als auch der Multiplexer (15) werden durch je einen Enable-Eingang (61,63) durch die nichtgezeichnete Steuerlogik über den Bus hochohmig geschaltet, wenn diese nicht benutzt werden, so dass die internen Signale nicht gestört werden und das Signal (8) nicht belastet wird. Das Referenzspannungssignal (6) ist in diesem Modus auf den negativen Eingang des Verstärkers (4) geführt. Der Ausgang des Verstärkers (4) ist dabei mit dem Anschluss (8) verbunden. Damit der Verstärker bei Nichtbenutzung keine Störsignale auf den Anschluss (8) gibt, kann er über das Steuersignal (10) durch die nicht gezeichnete Steuerlogik, die über den Systembuskontrolliert wird, hochohmig geschaltet werden. Der Verstärker (4) wird durch eine regelbare - typischer weise durch digitale Programmierung über besagten nicht gezeichneten Steuerbus regelbare - Spannungsquelle (13) über eine Versorgungsleitung (14) mit elektrischer Energie versorgt. In der Konfiguration F6 wird diese regelbare Versorgung (13) so eingestellt, dass der Verstärker (4) die geforderten Spannungspegel - typischer Weise 10V - am Pin (8) auch im Falle der maximal zulässigen Belastung des Anschlusses (8) liefern kann.
Die Konfiguration F4 wird wie folgt realisiert:
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Hier kann die Präzisionswiderstandskette (7), die schon zur Realisierung der Konfiguration F6 benutzt wurde, erneut benutzt werden. Hierfür wird das über den Anschluss (8) gemessene Signal in die Widerstandskette (7) über den Multiplexer (15) geleitet, der zu diesem Zweck entsprechend umgestellt ist. Die Widerstandskette (7) teilt die Spannung herunter, sodass diese über eine Leitung (16) und über einen ADC-Eingangsmultiplexer (17) an den Eingang (18) eines Analog-Digital-Wandlers gelegt werden kann. Von dort kann der Wert an ein externes System über einen System-Bus übergeben werden.
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Die Konfiguration F5 wird in ihren zwei Varianten wie folgt realisiert:
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Der Digital-Analog-Wandler (3) erzeugt eine Referenzspannung an seinem Ausgang (5), die proportional zum gewünschten Ausgangsstrom ist. Diese Leitung (5) ist mit dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers (20) verbunden. Dieser ist eingebettet in eine konfigurierbare Strom-Ausgangstreiberschaltung. Diese besteht aus einem ersten Demultiplexer (21), der das Ausgangssignal auf das Gate (24) eines ersten Treibertransistors (22) legt. Dessen Source (26) ist über einen zweiten Demultiplexer (25) auf den negativen Eingang (28) des Verstärkers (20) zurückgekoppelt. Die Source (26) des Transistors (22) ist mit einem Referenzwiderstand (27) verbunden. Durch diese Konstruktion wird die Spannung auf dem DAC-Ausgang (5) am Knoten (26) im Wesentlichen bis auf den UGS-Spannungsabfall reproduziert. Somit ist die DAC-Ausgangsspannung der Spannung über dem Widerstand (27) proportional und nur mit einem kleinen Offset versehen. Der DAC ist somit in der Lage, den Strom durch den Transistor (22) einzustellen. Der somit erzeugte Strom in den Drain (29) des Transistors (22) wird über eine Leitung (29) einem schaltbaren Stromspiegel (30) zugeführt. Dieser hat beispielswiese diskrete Stellungen, nummeriert von 1 bis N, die das Verhältnis des Ausgangsstromes des Stromspiegels zum Referenzstrom aus dem Stromspiegel heraus über die Leitung (29) angeben. Der Ausgang der konfigurierbaren Stromspiegels (30) ist mit dem Anschluss (8) verbunden. Um Störungen auszuschließen sind sowohl der Stromspiegel (30) über den Enable-Anschluss (31) als auch der Verstärker (20) über den Enable-Anschluss (37) abschaltbar. Im Falle des konfigurierbaren Stromspiegels (30) bedeutet dies, dass dessen Ausgang hochohmig wird. Im Falle des Verstärkers (20) bedeutet dies, dass der Verstärker so geschaltet wird, dass die Transistoren (22) und (32) hochohmig sind. Aus dem gleichen Grund wird der Transistor (32) durch den Demultiplexer (21) hochohmig geschaltet, wenn der Transistor (22) aktiv ist und umgekehrt. Der konfigurierbare Stromspiegel (30) wird ebenfalls von der regelbaren Spannungsversorgung (13) über die Leitung (14) mit elektrischer Energie versorgt. Hierbei wird diese so eingestellt, dass jeder spezifikationsgerechte Strom von typischerweise 0mA bis 20mA sofort ohne Spannungseinbruch am Anschluss-Pin (8) bereit gestellt werden kann. Die Nutzung des externen Widerstands (27) garantiert einen sehr temperaturstabilen Referenzstrom. Die variable Spannungsversorgung (13) wird vorzugsweise als Schaltnetzteil ausgelegt. In diesem Mode kann die Vorrichtung die Last dadurch messen, dass über einen weniger exakten Spannungsteiler (35) ein Signal mit einer proportionalen Spannung (36) über den ADC-Multiplexer (17) an den Eingang (18) des ADC (19) geführt und dort ausgewertet wird.
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Die beiden Varianten (0mA bis 10mA und 4mA bis 10mA) können über die Programmierung des konfigurierbaren Stromspiegels (30) und des DAC (3) eingestellt werden.
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Die Konfiguration F3 (Analoger Stom-Eingang 0/4...20mA) wird wie folgt realisiert:
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Der Block (38) erzeugt eine Spannung, am Gate (39) des Schalttransistors (40), die sicherstellt, dass dieser Transistor (40) voll durchgeschaltet ist und somit nur einen minimalen Spannungsabfall zeigt. Der Transistor verbindet hierdurch den Eingang (8) mit dem Anschluss (41) des externen Widerstands (42). Hierdurch fließt der Eingangsstrom an (8) über den Widerstand (42) und erzeugt dort einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall, der durch den ADC (19) gemessen werden kann. Hierzu wird der Eingang (18) des ADCs (19) über den Eingangsmultiplexer (17) des ADCs mit dem Widerstandsanschluss (41) verbunden. Soll der Eingangsstrom auf diese Weise nicht erfasst werden, so Schaltet der Block (38) veranlasst durch ein Enable-Signal (45) den Transistor (40) durch Anlegen einer geeigneten Spannung sicher ab und somit hochohmig. Sofern der Eingangsstrom zu hoch wird, fängt der Transistor (40) oberhalb eines nicht mehr spezifikationsgemäßen Pegels an, den Strom zu limitieren. Hierdurch ergibt sich eine Kurzschlussfestigkeit. Dieser Zustand kann über den ADC (19) erfasst werden und zum Abschalten des Transistors (40) genutzt werden. Dies kann wieder durch eine nicht gezeichnete Steuerlogik oder per SW über den ebenso nicht gezeichneten Systembus geschehen.
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Die Konfiguration F7 „Resistive Measurement“ wird wie folgt realisiert:
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Zum besseren Verständnis wird neben 1 auch auf 2 verwiesen. 2 beschreibt den Anschluss des PT100 Temperatur-Fühlers (49) an die erfindungsgemäße Vorrichtung. Der eigentliche PT100 Temperaturfühler wird über die Zuleitungen mit den Zuleitungswiderständen (46, 47, 48) angeschlossen. Dabei definiert die erste Leitung (48) die Bezugsmasse des Temperaturfühlers (49). Diese erste Leitung (48) ist zusammen mit einer weiteren zweiten Leitung (47) an einen Kontakt des PT100 Elementes angeschlossen. Die zweite Leitung (47) ist mit dem anderen Ende, typischerweise über eine Steckverbindung, mit dem, Kontakt (8) verbunden. Der andere Anschluss des PT100 Thermofühlers (49) ist über die dritte Leitung (46) mit dem anderen Anschluss der erfindungsgemäßen Vorrichtung (9) verbunden. Natürlich können auf diese Weise auch andere Thermofühler und sonstigen resistiven Sensoren angeschlossen werden. Die Leitungswiderstände sind Folgen der unter Umständen sehr langen Kabel. Sie können bei kürzeren Kabellängen entsprechend niedrig ausfallen. Das Signal des somit angeschlossenen resistiven Sensors (49) wird nun wie folgt innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung verarbeitet:
Wie in der Konfiguration F5 wird der DAC (3) auf eine Referenzspannung an seinem Ausgang (5) eingestellt. Diese liegt wieder am Verstärker (20) an. Im Gegensatz zur Konfiguration F5 wird nun jedoch der Ausgang (23) des Verstärkers (20) über den Demultiplexer (21) nicht mit dem Gate (24) des Transistors (22) sondern mit dem Gate (33) des Transistors (32). Der andere Anschluss (24) wird, wie bereits erläutert, so geschaltet, dass der Transistor (22) sperrt. Der nun aktive Transistor (32) erhält seinen Betriebsstrom über die Referenzstromleitung (34) vom einstellbaren PT-Stromspiegel (50). Der Strom fließt über den Transistor (32), den Knoten (62) und wird über den internen Widerstand (51) nach Masse abgeleitet. Über den Widerstand (51) fällt dabei am Knoten (62) eine Spannung ab, die wie in der Konfiguration F5 vom Knoten (62) über den Demultiplexer (25) an den negativen Eingang (28) des Differenzverstärkers (20) geleitet wird. Im Gegensatz zur Konfiguration F5 ist der Demultiplexer (25) jedoch nun umgeschaltet, um eben diese Verbindung herzustellen.
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Der konfigurierbare Stromspiegel (50) kann Stromverhältnisse von 1: N der Referenzstromleitung (34) gegenüber der Messstromleitung (52) herstellen. Ist der Stromspiegel nicht in Benutzung, so wird er durch das Enable-Signal (53) in einen hochohmigen Zustand versetzt und liefert keinen Strom in die Messstromleitung (52).
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Die Senken für den Messstrom (52) können umgeschaltet werden:
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Je nach Stellung des Messstrommultiplexers (54) wird der Messstrom aus dem PT Stromspiegel (50) über den ersten externen Widerstand (27), den zweiten externen Widerstand (42), den Pin (8) oder den Pin (9) abgeleitet. Je nach der Konfiguration des Messstrommultiplexers (54) wir der Multiplexer (55) für die Durchführung der Spannungsmessung umgestellt: Ist die Messstromleitung (52) mit dem Widerstand (27) über den Messstrommultiplexer (54) und die Leitung (26) verbunden, so ist auch die Messleitung (56) mit der Leitung (26) über den Multiplexer (55) verbunden. Dies gilt analog für die anderen drei Fälle der Stellungen des Messstrommultiplexers (54) und den Multiplexer (55). Diese werden also synchron umgeschaltet.
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Der Ausgang (56) des Messstrommultiplexers (55) wird über einen Differenzverstärker (57), der über einen Spannungsteiler bestehend aus zwei Widerständen (58,59) rückgekoppelt ist, geführt. Das so verstärkte Ausgangssignal (60) des Verstärkers (57) ist mit dem ADC-Eingangsmultiplexer (17) verbunden, der das Signal (60) auf den Eingang (18) des ADC (19) legt. Somit sind die Spannungen der Knoten (8), (9), (26) und (41) für den ADC über den Multiplexer (55) und den Eingangsmultiplexer (17) des ADC (19) in dieser Konfiguration F7 messbar.
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Die Vermessung eines resistiven Sensors, insbesondere eines PT100-Elementes, erfolgt nun in folgenden Schritten.
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Zuerst wird der externe Widerstand (42) vermessen. Hierzu wird
- a) ein Kalibrationsstrom erzeugt und der Spannungsabfall über den Widerstand (42) vermessen. In der gleichen Weise kann
- b) der Widerstand (27) für die Kalibration vermessen werden.
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Durch die Vermessung der externen Widerstände (42) und (27) wie zuvor beschrieben, sind die Verstärkungsfehler erfassbar und können somit herauskorrigiert werden. Dies gilt natürlich nur, wenn diese Fehler zwischen den Messungen stabil sind und nicht driften.
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In einem dritten Schritt
- c) kann nun der gewünschte Messstrom an einen der beiden Widerstände (42) oder (27) angelegt werden. Die entsprechende Spannung, die über die Widerstände abfällt kann gemessen werden.
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Hieraus kann der Offset des gesamten Signalpfades bestimmt und somit eliminiert werden. In einem vierten Schritt
- d) wir der in c) gewählte Messstrom an den Pin (8) gelegt und die resultierenden Spannung am Knoten (8) über den ADC (19) in der beschriebenen Weise gemessen. In einem fünften Schritt
- e) wird die gleiche Messung am Pin (9) durchgeführt.
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Aus d) und e) kann auf die Zuleitungswiderstände und den Wert des PT100 Elementes (49) geschlossen werden. Auf das Ergebnis werden die aus den Schritten a) bis c) ermittelten Korrekturwerte angewandt.
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Schließlich sollte noch erwähnt werden, dass das gesamte System über einen Systembus gesteuert wird, der zur besseren Übersicht aber nicht eingezeichnet wurde.. An diesen sind typischerweise folgende Komponenten direkt oder indirekt über Steuerregister und Steuerlogik angeschlossen:
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Folgende Probleme werden durch die Erfindung gelöst:
- 1. Die verschiedenen Pin-Belegungen der gängigen Systeme werden in einem einzigen System integriert.
- 2. Dies geschieht insbesondere durch Mehrfachnutzung wichtiger Komponenten. Dies sind insbesondere die externen Präzisionswiderstände (42) und (27) und die interne Präzisionswiderstandskette (7). Dies spart Siliziumfläche bzw. Bauteile und damit Kosten.
- 3. Alle Ausgänge können in einen Fail-Safe Modus gebracht werden, bei dem keiner der beiden Pins (8) und (9) elektrische Energie nach außen liefert.
- 4. Die Lagerhaltung wird vereinfacht und die Anzahl der nicht nutzbaren Anschlüsse wird minimiert.
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Figurenliste
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- 1: Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 2: Anschluss eines PT100 Elementes an die erfindungsgemäße Vorrichtung
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Bezugszeichenliste
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Die folgende Liste dient nur der Klarheit und umfasst keine eigenständige Offenbarung oder Beanspruchung.
- 1
- erster Block;
- 2
- zweiter Block;
- 3
- DAC / Digital-Analog-Wandler;
- 4
- Verstärker;
- 5
- Leitung / Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (3);
- 6
- Referenzspannungssignal;
- 7
- als typischerweise programmierbarer Spannungsteiler dienende konfigurierbare Präzisionswiderstandskette;
- 8
- erster Anschluss und erste Leitung;
- 9
- zweiter Anschluss;
- 10
- Enable-Eingang / Steuersignal zum hochohmig Schalten des Verstärkers (4);
- 11
- Enable-Signal des zweiten Blocks (2);
- 12
- Enable-Signal des ersten Blocks (1);
- 13
- regelbare Spannungsquelle / regelbare Versorgung;
- 14
- Versorgungsleitung;
- 15
- Multiplexer;
- 16
- Leitung;
- 17
- ADC-Eingangsmultiplexer;
- 18
- Eingang des Analog-Digital-Wandlers (19);
- 19
- ADC / Analog-Digital-Wandler;
- 20
- Differenzverstärker;
- 21
- erster Demultiplexer;
- 22
- erster Treibertransistor;
- 23
- Ausgang des Verstärkers (20);
- 24
- Gate des ersten Treibertransistors (22);
- 25
- zweiter Demultiplexer;
- 26
- Source des ersten Treibertransistors (22) / Leitung;
- 27
- externer Präzisionswiderstand;
- 28
- negativer Eingang des Differenzverstärkers (20);
- 29
- Drain des ersten Treibertransistors (22) und Leitung;
- 30
- schaltbarer Stromspiegel / konfigurierbarer Stromspiegel;
- 31
- Enable-Anschluss des schaltbaren Stromspiegels (30);
- 32
- Transistor;
- 33
- Gate des Transistors (32);
- 34
- Referenzstromleitung;
- 35
- weniger exakter Spannungsteiler;
- 36
- Signal mit einer proportionalen Spannung (36);
- 37
- Enable-Anschluss des Verstärkers (20);
- 38
- Block zum Erzeugen einer Spannung, am Gate (39) des Schalttransistors (40);
- 39
- Gate des Schalttransistors (40);
- 40
- Schalttransistor;
- 41
- Anschluss (41) des externen Widerstands (42);
- 42
- zweiter externer Widerstand;
- 43
- ESD-Schutzschaltung des ersten Anschlusses (8)
- 44
- ESD-Schutzschaltung des zweiten Anschlusses (9);
- 45
- Enable-Signal des Blocks zum Erzeugen einer Spannung, am Gate (39) des Schalttransistors (40);
- 46
- Zuleitungswiderstand / dritte Leitung;
- 47
- Zuleitungswiderstand / zweite Leitung;
- 48
- Zuleitungswiderstand / erste Leitung;
- 49
- PT100 Temperaturfühler / resistiver Sensor;
- 50
- einstellbarer PT-Stromspiegel / konfigurierbarer Stromspiegel;
- 51
- interner Widerstand;
- 52
- Messstromleitung;
- 53
- Enable-Signal (53) des konfigurierbaren Stromspiegels (50);
- 54
- Messstrommultiplexer;
- 55
- Multiplexer für die Durchführung der Spannungsmessung;
- 56
- Ausgang (56) des Messstrommultiplexers (55);
- 57
- Differenzverstärker;
- 58
- Widerstand;
- 58,59
- Spannungsteiler;
- 59
- Widerstand;
- 60
- Ausgangssignal (60) des Verstärkers (57);
- 61
- Enable-Eingang des Verstärkers (7);
- 62
- Knoten;
- 63
- Enable-Eingang des Multiplexers (15);
- A I/O
- Analog Input/Output (0/4..20mA bzw. 0-10V);
- C/Q
- digitaler Daten Ein-/Ausgang;
- D
- „digital in“;
- DIO
- digitaler Ein-/und Ausgang mit 24V Pegel gemäß EN 61131-2;
- E/A
- Ein- Ausgabekanal;
- F1
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: digitaler 24V Eingang;
- F2
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: digitaler 24V Ausgang;
- F3
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: analoger 3 0/4..20mA Eingang;
- F4
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: analoger 0..10V Eingang;
- F5
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: analoger 0/4..20mA Ausgang;
- F6
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: analoger 0..10V Ausgang;
- F7
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: 3 Leiter Widerstandsmessung;
- F8
- international normierter Typ für eine Anschlussleitung: IO;
- PWM
- Puls-Weiten-Modulation;
- R
- „resisitive input“;
- SW
- Software
- ;UIIO
- erfindungsgemäße Vorrichtung;
