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Die Erfindung betrifft ein Slave-Modul für einen symmetrischen erdfreien Feldbus der Automatisierungstechnik zur Verbindung mit einer externen analogen erdfreien E/A-Einheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Beispiel für ein symmetrisches erdfreies Feldbussystem der Automatisierungstechnik ist der ASi-Bus. AS-Interface (ASi) ist ein seit längerem bekannter internationaler Industriestandard für die Automatisierungstechnik zur Verbindung von Slaves und Mastern, der sowohl in der europäischen Norm EN50295 wie auch in der IEC 62026-2 genormt ist.
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Die ASi-Slaves können kompakt mit einem integrierten Sensor oder Aktor ausgebildet sein. Alternativ gibt es Slaves, sogenannte ASi-Slave-Module, an die externe analoge erdfreie Sensoren oder Aktoren, kurz als E/A-Einheiten bezeichnet, anschließbar sind.
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Aus der
DE10357332 ist ein ASi-Slave für einen ASi-Bus bekannt. Dieser ASi-Slave weist als wesentliche Baugruppen einen ASi-IC, eine Meldeleuchte und einen Tastschalter auf. Alle Baugruppen sind zusammen in einem Gehäuse angeordnet. Die Meldeleuchte stellt ein Beispiel für eine digitale Ausgabe-Einheit, der Handtaster ein Beispiel für eine digitale Eingabe-Einheit dar.
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Der ASi-IC weist als zentralen Block eine Logik-Einheit, mit mehreren E/A-seitigen digitalen Eingänge DI bzw. Ausgängen DO und busseitig einem Receiver-Block und einem Transmitter-Block, auf. Die beiden oben erwähnten digitalen E/A-Einheiten sind relativ einfach aufgebaut, deshalb benötigt dieser ASi-Slave keine separate Signalverarbeitungseinheit.
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Über einen Stromversorgungspfad, der nach dem Busanschluss für den 2-Leiter-Bus aber vor dem ASi-Busschaltkreis abzweigt, werden alle internen Baugruppen einschließlich der E/A-Einheiten mit Strom versorgt.
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Der 2-Leiter Bus dient sowohl der Kommunikation wie auch die Stromversorgung des ASi-Slaves. Nach dem Bus-Anschluss am Slave-Eingang findet die Trennung zwischen Kommunikation und Stromversorgung auf zwei getrennte Pfade statt. Ein Signalpfad führt über den ASi-Busschaltkreis zu den E/A-Einheiten, ein Stromversorgungspfad zu den einzelnen internen Baugruppen.
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Das ASi-Bussystem wird als erdfreies symmetrisches Bussystem betrieben, das um eine ausreichende gute Störsicherheit zu gewährleisten, eine möglichst symmetrischen Aufbau erfordert. Die Kommunikation bei dem ASi-Bussystem erfolgt mittels von den Sendern generierten Strompulsen, die an einem speziellen Netzteil mit einem Datenentkopplungsnetzwerk aus Induktivitäten 50 µH und Widerständen 39 Ω in Spannungsimpulse umgewandelt werden, die von den Empfängern ausgewertet werden.
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Bei dem oben erwähnten ASi-Slave ist das Bezugspotential für die Kommunikation wie auch für die Stromversorgung das Potenzial der ASi-Leitung. In der ASi+ Leitung des Stromversorgungspfads ist als HF-Entkopplung eine Impedanz vorgesehen, die als Induktivität (Drossel) oder alternativ als Gyrator ausgeführt ist. Diese Impedanz sorgt für eine HF-Entkopplung in zwei Richtungen einmal für die Bussignale vom ASi-Bus her und für Störsignale zum ASi-Bus hin. So werden Störimpulse die Slave-seitig entstehen können und die die Kommunikation auf dem ASi-Bus beeinflussen könnten, abgeblockt. Außerdem wird das ASi-Kommunikationssignal dadurch nicht unnötig gedämpft.
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Die HF-Entkopplung (Impedanz) ist hier nicht symmetrisch sondern nur im +Leiter des Stromversorgungspfads vorgesehen.
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Heutzutage sind verschiedene ASi-IC erhältlich u. a. von der Fa. ZMD.
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Aus der
DE19648783 ist bekannt, welche Maßnahmen bei einem ASi-Slave zu treffen sind, um auch bei Streukapazitäten und parasitären Kapazitäten, wie z. B. Erdkapazitäten bzw. Gehäusekapazitäten einen symmetrischen Aufbau zu gewährleisten.
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Durch diese Maßnahmen mittels Einbau von Symmetriesierungskapazitäten ist gewährleistet, dass auch hochfrequente Störimpulse die von externen Geräten wie Mobiltelefonen oder Schaltnetzteilen oder internen Schaltvorgängen stammen können, keine negativen Einflüsse auf die ASi-Kommunikation haben. Diese Symmetrisierungskapazitäten sind ganz speziell auf Schaltung bzw. das Schaltungslayout und die interne Verdrahtung im Gehäuse des ASi-Slaves abgestimmt. Die ASi-Spezifikationen fordern im Frequenzbereich zwischen 50–300 kHz dass folgende Impedanzen eingehalten werden R > 13,5 kΩ, C < 50 pF und L < 13,5 mH.
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Die erwähnten ASi-Slaves sind alle mit einem geschlossenen Gehäuse ausgeführt. Sie sind nicht für den Anschluss externen komplexeren analogen E/A-Einheiten geeignet.
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ASI-Slave-Module mit einem Anschluss für externe E/A-Einheiten erfordern aufwendigere Abschirmmaßnahmen, da weder die Länge des Anschlusskabels noch die Kabelführung noch der Typ der externen Einheit im Voraus bekannt sind.
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Ein Beispiel für einen solchen ASi-Slave Modul ist das Produkt ASi E/A-Modul AC2916 der Fa. ifm electronic mit 4 analogen 4–20 mA bzw. 0–10 V Eingängen. Ein solches ASi-Slave-Modul wird auch allgemein als ASi-Analogmodul mit 4 Kanälen bezeichnet.
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Bei typischen ASi-Slave-Modulen, an die externe E/A-Einheiten anschließbar sind, ist im Signalpfad, der zur Signalübertragung zwischen den einzelnen Baugruppen im Modul dient und im Stromversorgungspfad der u. a. zur Versorgung der externen Einheit dient, eine HF-Barriere vorgesehen. Diese HF-Barriere besteht aus einem Drosselpaar im Stromversorgungspfad und einem Optokopplerpaar zur galvanischen Isolierung des Signalpfads zwischen zwei Hauptbaugruppen, wobei jede Hauptbaugruppe einen Mikrocontroller aufweist.
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Diese HF-Barriere erfordert Bauraum und die erforderlichen Bauelemente sind nicht sehr kostengünstig.
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Nachteilig ist außerdem, wenn Messstellen relativ weit voneinander entfernt sind, z. B. mehr als 10m, müssen mehrere externe analogen Einheiten über weite Strecken mit einem einzigen Slave-Modul verkabelt werden oder der Einsatz mehrerer ASi-Slave-Module ist erforderlich, wobei von den möglichen Anschlüssen jeweils nur einer genutzt wird. Beide Varianten sind relativ aufwendig und nicht preisgünstig.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein ASI-Slave-Modul zur Verbindung mit einer externen analogen erdfreien E/A-Einheit anzugeben, das weniger interne Baugruppen benötig, das keine aufwendigen HF-Abschirmmaßnahmen aufweist, das einfach und kostengünstig herstellbar ist und mit dem sich kleinere Gehäusebauformen realisieren lassen, wobei außerdem noch die Spezifikation eingehalten werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein analoges ASi-Slave-Modul gemäß Anspruch 1.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die HF-Barriere unmittelbar vor den Anschlusskontakten für die externen analogen erdfreien E/A-Einheiten, also nur im analogen Teil des Signalpfades, anzuordnen, auf eine galvanische Trennung mittels Optokopplern zu verzichten und nur einen Mikrocontroller zu verwenden.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Blockschaltbild eines herkömmlichen ASi-Slaves mit einem Anschluss zum Verbinden mit mehreren analogen externen E/A-Einheiten.
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2 Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen ASi-Slaves mit einem Aktorausgang zur Verbindung mit einem externen analogen Aktor
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3 Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen ASi-Slaves mit einem Sensoreingang zur Verbindung mit einem externen analogen Sensor und systemischem AS-i-Netzteil.
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4 Maßstabszeichnung eines herkömmlichen ASi-E/A-Moduls
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5 Maßstabszeichnung eines erfindungsgemäßen ASi-Slaves
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In 1 ist ein herkömmliches ASi-Slave-Modul 10 als Blockdiagramm dargestellt. Das ASi-Slave-Modul 10 ist mit dem 2-Leiter ASi-Bus 30 über zwei Buskontakte K+ und K– verbunden. Der 2-Leiter-ASi-Bus 30 weist zwei Busleitungen eine ASi+ und eine ASi– Leitung auf. Das ASi-Slave-Modul 10 besteht aus einem Busschaltkreis 3, einem ersten Mikrocontroller 4, einer HF-Barriere 20 sowie einem zweiten Mikrocontroller 7 und einem Frontend 8, die zusammen die internen Baugruppen bilden.
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Das Frontend 8 dient zur elektrischen und mechanischen Anpassung und schafft damit einen „sicheren“ Grenzübergang zwischen dem Innenbereich und dem Außenbereich. Es kann z. B. auch Dioden zur Pegelbegrenzung beinhalten. Das Frontend 8 ist über vier am Gehäuse des ASi-Slave-Moduls 10 angeordnete Anschlüsse 50a, 50b, 50c und 50d mit externen analogen E/A-Einheiten verbindbar.
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Die Informationsübertragung innerhalb des ASi-Slave-Moduls erfolgt über einen Signalpfad 16, der vom Busschaltkreis 3 bis zum Frontend 8 führt. Die einzelnen Baugruppen 7 und 8 sowie der eine Teil der HF-Barriere 20 und die externen analogen erdfreien E/A-Einheiten werden über einen symmetrischen Stromversorgungspfad 6b versorgt.
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Ein asymmetrischer Stromversorgungspfad 6a, der vom Busschaltkreis 3 gespeist wird, versorgt den ersten Mikrocontroller 4 und einen Teil der HF-Barriere 20.
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Zwischen den beiden Mikrocontrollern 4 und 7 sind im digitalen Teil des Signalpfades 16 als galvanische Trennung und als Filterelemente pro Kanal zwei Optokopplern O10, O20 vorgesehen.
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Im symmetrischen Stromversorgungspfad 6b sind als Filterelemente zwei Drosseln D10, D20 und ein Kondensator C10 vorgesehen. Über die Anschlüsse 50a, 50b, 50c, 50d werden die externen analogen E/A-Einheiten ebenfalls mit Energie versorgt. Die Filterelemente O10, O20, D10, D20, C10 bilden zusammen eine HF-Barriere 20, die relativ aufwendig aufgebaut. Insbesondere die Drosseln D10, D20 erfordern ein relativ hohes Bauvolumen.
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Das ASi-Slave-Modul 10 mit den zwei Mikrocontrollern 4 und 7 und den Filterelemente O10, O20, D10 und D20 ist entsprechend teuer.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen ASi-Slave 200 zum Verbinden mit einem Aktor über einem Aktorausgang. Dieser ASi-Slave 200 ist relativ einfach aufgebaut. Er weist einen identischen Bus-Schaltkreis 3 auf, der mit einem Mikrocontroller 7a verbunden ist. Dem Mikrocontroller 7a ist direkt ein Frontend 8a nachgeschaltet, das zur Verbindung mit einer externen Aktor 9b dient. Der Anschluss besteht aus zwei Anschlusskontakten 250a, 250b.
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Der Mikrocontroller 7b trennt den Signalpfad 16 in einen digitalen Signalpfadteil 16a und einem analogen Signalpfadteil 16b. Versorgt werden die internen Baugruppen 3, 7b, 8b direkt vom Busschaltkreis 3 aus. Für die Versorgung des Aktors 9b dient der symmetrische Stromversorgungspfad 6b. Unmittelbar vor dem Anschluss 50 ist eine HF-Barriere 20 vorgesehen, die aus zwei Drosseln D1, D2 und einem Kondensator C1 besteht. Der Aktor 9b weist keine galvanische Verbindung zur Funktionserde bzw. anderen Potentialen auf.
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Die beiden Drosseln D1, D2 bilden zwei „große“ und gleiche Impedanzen symmetrisch nach ASi+ und ASi–, der Kondensator C1 in der Mitte eine kleine Impedanz eines dreiteiligen, symmetrischen Spannungsteilers.
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In dieser Zeichnung sind noch zwei parasitären Kapazitäten Cxa und Cxb zwischen den Anschlussleitung und Erde eingezeichnet. Diese hängen von der Verlegung des Anschlusskabels ab und sind deshalb variabel. Eingezeichnet ist auch ein Störimpuls I der auf beiden Leitungen gleich wirkt.
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Die Störung wirkt auf die beiden Adern des Kabels fast gleich und der verbleibende Restunterschied wird durch den Kondensator C1 ausgeglichen.
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In Bezug auf den ASi-Bus 30 handelt es sich also um eine asymmetrische Störung, die sich auf den idealerweise symmetrischen Bus 30 nicht negativ auswirkt. Jede asymmetrische Störung wird aber beim Auftreffen auf eine kleine, aber reale Unsymmetrie z.B. im ASi-Netzteil oder bei anderen Busteilnehmern oder aufgrund der Kabelverlegung oder durch unterschiedliche Bedingungen in den +/– Pfaden, einen symmetischen Störanteil aufbauen, der dann die Kommunikation über den ASi-Bus 30 beeinflussen kann.
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In 3 ist eine Stromversorgungseinheit 11 eingezeichnet, wie sie für ASi-Netze typisch ist. Aus der schematischen Darstellung ist zu entnehmen, dass die Versorgungseinheit 11 sehr symmetrisch aufgebaut ist. Der symmetrische Aufbau eines ASi-Netzwerkes ist für die ASi-Kommunikation von besonderer Bedeutung, da ASi keine Abschirmung vorsieht. Jede Asymmetrie führt dazu, dass asymmetrische Störeinkopplungen nicht mehr ausreichend unterdrückt werden.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes ASi-Slave-Modul 300, das mit einem analogen Sensor 9a verbunden ist. Der analoge Sensor 9a ist über einen Anschluss bestehend aus den vier Anschlusspunkten 350a bis 350d an das ASi-Slave-Modul 300 angeschlossen. Das ASi-Slave-Modul 300 ist ähnlich zum ASi-Slave-Modul 200 aufgebaut. Auch hier befindet sich unmittelbar vor dem Anschluss 350 für den Sensor 9a als externe analoge erdfreie Einheit eine HF-Barriere 20 bestehend aus vier Drosseln oder Widerständen und drei Kondensatoren. Das Frontend 8a leitet das vom angeschlossenen Sensor 9a stammende Analogsignal zum Mikrocontroller 7a weiter. Dort wird das Analogsignal digitalisiert und als Messwert aufbereitet. Über den Busschaltkreis 3 kann der Messwert über den ASi-Bus 30 an eine Steuerung übertragen werden.
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Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert. Über die externen Anschlussleitungen zu den Sensoren 9a bzw. Aktoren 9b können hochfrequente Störeinkopplungen aufgenommen werden. Um diese HF-Störsignale abzublocken ist unmittelbar nach dem Anschluss 250 bzw. 50 die HF-Barriere 20 vorgesehen. Die Art und Anzahl der HF-Barrieren ist den nötigen Anschlüssen und Strömen angepasst. Das Drosselpaar der HF-Barriere für den Aktor 9b ist für z.B. 0–20 mA ausgelegt und die Widerstände für einen Widerstandssensor in 9a sind für max. 500 µA bei 32 V ausgelegt. Vorzugsweise sind die Widerstände für 100 µA ausgelegt. Die internen Einheiten 3, 7a, 7b und 8a, 8b im Gehäuse des ASi-Slave-Moduls werden direkt aus dem Busschaltkreis 3 versorgt. Ein digitaler Signalpfad, der z.B. Optokoppler als Filterelemente erfordert, ist nicht erforderlich, da die Information analog über die HF-Barriere 20 und das Frontend 8a/b direkt zwischen dem Mikrokontroller 7a, 7b mit der angeschlossenen externen analogen erdfreien Einheit 9a, 9b ausgetauscht werden kann.
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Die Erfindung ermöglicht ein kostengünstiges ASi-Slave-Modul zur Verbindung mit einer externen analogen erdfreien E/A-Einheit (Analogmodul mit nur einem Kanal), das sehr kompakt aufgebaut ist, bei dem externe HF-Störimpulse, die über die Anschlussleitungen in das Gehäuse des ASi-Slave-Module geleitet werden, die Kommunikation auf dem Bus nicht beeinträchtigen und das damit eine hohe Störsicherheit aufweist. Die Prüfanforderungen in Bezug auf Impedanz und Symmetrie der ASI-Spezifikationen im Bereich 50 kHz und 300 kHz werden durch das erfindungsgemäße ASI-Slave-Modul erfüllt. Durch die Erfindung ist es möglich, die gesamten internen Baugruppen auf einem kleinen Chip oder Hybrid-Schaltkreis zu realisieren, ohne dass Chip- oder Layout-Fläche für Filterelemente und für Abstandsanforderungen für herkömmliche HF- und Spannungs-Barrieren einzuhalten sind. 4 zeigt ein herkömmliches ASi-Slave-Modul, 5 ein erfindungsgemäß miniaturisiertes Slave-Modul.
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Das erfindungsgemäße ASi-Slave-Modul ist insbesondere für externe analoge erdfreie Eingabe-Einheiten z. B. 4-Leiter Widerstandstemperatursensoren, wie in 3 dargestellt, geeignet, da diese nur sehr wenig Strom benötigen. Hier können die Drosseln durch einfache Widerstände ersetzt werden. Als externe analoge erdfreien Ausgabeeinheiten, die Aktuatoren 9b gemäß 2, sind Relais oder Proportionalventile besonders geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10357332 [0004]
- DE 19648783 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN50295 [0002]
- IEC 62026-2 [0002]
