DE102017128239B3

DE102017128239B3 - Aktuator-Sensor Interface Feldbus (AS-Interface) mit einem Buskoppler

Info

Publication number: DE102017128239B3
Application number: DE102017128239.4A
Authority: DE
Inventors: Dieter Götz; Achim Staib
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2037-11-30

Abstract

Aktuator-Sensor Interface Feldbus mit einem Master 1, einer ersten Spanungszone 10 mit einem ersten Netzteil 11 und einer Anzahl davon versorgten ersten Devices 12, sowie einer ersten AS-i-Leitung 13, einer zweiten Spanungszone 20 mit einem zweiten Netzteil 21 und einer Anzahl davon versorgten zweiten Devices 22, sowie einer zweiten AS-i-Leitung 23, wobei die beiden AS-i-Leitungen 13, 23 galvanisch voneinander getrennt und signaltechnisch miteinander gekoppelt sind, wobei die AS-i-Leitungen 13, 23 erfindungsgemäß an den Enden der Spannungszonen 10, 20 etwa einen Meter überlappend angeordnet, und zwar so, dass die Plus- und Minusleitungen unmittelbar nebeneinander liegen, was deren bidirektionale Kopplung zur Übertragung der AS-i-Signale erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator-Sensor Interface Feldbus gemäß Anspruch 1 und einen Buskoppler gemäß Anspruch 3.
Der Aktuator-Sensor Interface Feldbus (AS-Interface), oder kurz AS-i, ist wohl der einfachste und günstigste Feldbus. Er ist besonders für die Steuerung und zur Kontrolle von dezentralen Aktoren und Sensoren in industriellen Anlagen geeignet. Das AS-i-System ist international genormt und in dem Buch „AS-Interface - Die Lösung in der Automation", von Rolf Becker, Verlag: AS-International Association, 2002, beschrieben.
Um die Kommunikation über AS-i zu verbessern wird seit einiger Zeit ein erweitertes AS-i Kommunikationssignal genutzt, das parallel zum bestehenden AS-i Signal übertragen werden kann. Das erweiterte AS-i Kommunikationssignal nutzt ein Frequenzspektrum im Bereich von 1 bis 10 MHz, wobei die Kommunikation über das OFDM-Kommunikationsverfahren (OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplex) erfolgt.
Die Busteilnehmer sind normalerweise über eine zweiadrige Leitung galvanisch miteinander verbunden, wobei die Leitung neben den Bussignalen auch Energie überträgt.
Hier geht es um Anwendungsfälle, bei denen eine galvanische Trennung zwischen den Busteilnehmern vorteilhaft, oder sogar notwendig ist, und zum anderen solche, wo die Strombelastbarkeit der AS-i-Netzteile wegen der hohen Anzahl der zur versorgenden Devices oder einzelnen Devices mit besonders hohem Strombedarf nicht ausreicht.
AS-i-Systeme mit dem erweiterten AS-i-Kommunikationssignal erlauben den Anschluss von mehr AS-i-Devices als Systeme mit dem herkömmlichen AS-i-Signal, wobei sich die erlaubte Anzahl der AS-i-Devices von 62 auf 128 erhöht. Da sämtliche AS-i-Devices zu versorgen sind, führt das zu einem erhöhten Strom und damit zu einem erhöhten Spannungsabfall auf der AS-i-Leitung.
Weiter erlauben AS-i-Systeme mit dem erweiterten AS-i-Kommunikationssignal eine größere Leitungslänge als bei ein AS-i-System mit dem herkömmlichen AS-i-Signal. Außerdem verdoppelt sich die erlaubte Leitungslänge von 100 m auf 200 m, was ebenfalls zu einem erhöhten Spannungsabfall auf der AS-i-Leitung beiträgt.
Bedingt durch das erweiterte AS-i Kommunikationssignal erfordert ein AS-i-System, welches das erweiterte AS-i Kommunikationssignal nutzt, den Anschluss des AS-i-Netzteils in der Nähe des AS-i-Masters.
Ein AS-i-System mit dem erweiterten AS-i-Kommunikationssignal wird im Folgenden als AS-i 5-System bezeichnet.
Insbesondere bei AS-i 5-Systemen mit einer großen Zahl von AS-i-Devices mit einem hohen Strombedarf und einer großen Leitungslänge kann der Spannungsabfall auf der AS-i-Leitung so groß werden, dass die zum Betrieb erforderliche Versorgungsspannung der AS-i-Devices zeitweise unterschritten wird. Eine zusätzliche Energieversorgung der AS-i-Devices über die bekannte schwarz gefärbte AS-i-Leitung löst nicht alle Probleme und stellt außerdem einen Kostenfaktor dar.
Die DE 199 47 501 A1 offenbart einen Aktuator-Sensor-Interface-Slave (Device) mit einem Trennbauelement zur galvanischen Trennung zwischen der Busleitung und den Anschlüssen für Aktuatoren oder Sensoren. Die galvanische Trennung erfolgt vorzugsweise über einen Transformator, wobei die Verwendung von Optokopplern nicht unerwähnt bleibt, ohne jedoch näher auf die damit verbundenen Probleme einzugehen.
Die DE 10 2004 032 839 B3 und die DE 10 2005 059 012 A1 offenbaren ein AS-i-System zum Anschluss von Sensoren oder Aktoren, wobei die Übertragung in einer ersten Variante zumindest teilweise drahtlos über eine Funkverbindung erfolgt, oder die informations-übertragende AS-i-Leitung in einer zweiten Variante zumindest teilweise als Lichtleiter ausgebildet ist, wobei an den Lichtleiter angeschlossenen ASi-Slaves (Devices) über eine separate Busleitung versorgt werden, wodurch deren galvanische Trennung erreicht wird.
In der DE 10 2007 046 440 B3 werden eine W-LAN oder Bluetooth- Verbindung als zweiter redundanter Kommunikationskanal für ein AS-i-System vorgeschlagen.
Die DE 10 2012 110 516A1 , die DE 10 2013 216 564 A1 und die DE 10 2009 030 257 A1 offenbaren jeweils einen Aktuator-Sensor Interface Feldbus mit einem Master, einer ersten Spannungszone mit einem ersten Netzteil und einer Anzahl davon versorgten ersten Devices, sowie einer ersten AS-i-Leitung, einer zweiten Spannungszone mit einem zweiten Netzteil und einer Anzahl davon versorgten zweiten Devices, sowie einer zweiten AS-i-Leitung, wobei die beiden AS-i-Leitungen galvanisch voneinander getrennt und signaltechnisch miteinander gekoppelt sind. Die DE 10 2013 216 564 A1 und die DE 10 2012 110 516 A1 zeigen außerdem Buskoppler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
Alle vorgeschlagenen galvanischen Trennungen sind nicht ohne zusätzliche Maßnahmen geeignet um das oben genannte erweiterte AS-i Kommunikationssignal zu übertragen.
Nachteilig ist der mit der vorgeschlagenen galvanischen Trennung verbundene Aufwand, unabhängig davon, ob ein Transformator, ein Funkmodem oder Lichtwellenleiter nebst Optokopplern eingesetzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, den Aufwand für eine galvanische Trennung in einem AS-Interface deutlich zu verringern. Darüber hinaus soll ein AS-i 5-System aus mehreren AS-i-Netzteilen versorgt werden, ohne dass sich die AS-i-Netzteile gegenseitig beeinflussen, wobei lediglich die genannten erweiterten AS-i Kommunikationssignale zu übertragen sind.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 3 betrifft einen zur Lösung der Aufgabe geeigneten Buskoppler. Die abhängigen Ansprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht zunächst darin, ein AS-i 5-System in mindestens zwei Zonen aufzuteilen und diese in bekannter Weise von separaten ASi-Netzteilen zu versorgen.
Wie sich gezeigt hat, werden die im Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz liegenden erweiterten AS-i Kommunikationssignale bereits durch nebeneinander angeordnete AS-i-(Standard) Leitungen übertragen, die ohne Weiteres an den Enden der oben genannten Spannungszonen um etwa einen Meter überlappend angeordnet werden können, und zwar derart, dass deren Plus- und Minusleitungen aufeinander, beziehungsweise unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, was in überraschender Weise zu deren bidirektionaler signaltechnischen Kopplung und damit zur Übertragung der erweiterten AS-i Kommunikationssignal ausreicht.
Somit wird weder ein Repeater noch eines der genannten Signalübertragungsmittel benötigt.
Ein erfindungsgemäßer Buskoppler muss lediglich sicherstellen, dass die zwei überlappenden AS-i-Leitungen in einer für die Übertragung geeigneten Position fixiert bleiben, wobei alle AS-i-tauglichen, nicht abgeschirmten Zweidrahtleitungen eingeschlossen sein sollen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Buskoppler zur Aufnahme und zu überlappenden Fixierung zweier beliebiger, für AS-i 5-Systeme verwendbarer nicht abgeschirmter Leitungen, vorzugsweise für die üblichen Flachbandkabel (AS-i-Standardleitung), geeignet, wobei eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung oder deren Kombination in Frage kommt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die 1 einen AS-i 5-Feldbus mit zwei erfindungsgemäßen Buskopplern zeigt.
Der schematisch dargestellte AS-i-Feldbus weist eine erste Spannungszone 10 mit einem Master 1, einem ersten AS-i-Netzteil 11 und einer Anzahl von ersten AS-i-Devices (Slaves) 12 auf, die durch eine erste AS-i-(Standard-) Leitung 13 galvanisch auf die bekannte Weise miteinander verbunden sind.
Außerdem weist der AS-i-Feldbus eine zweite, galvanisch von der ersten Spannungszone 10 getrennte zweite Spannungszone 20 auf, die ein separates Netzteil 21 und diverse Devices 22, aber keinen (eigenen) Master besitzt.
Die Kopplung der beiden Spannungszonen erfolgt erfindungsgemäß elektromagnetisch über nebeneinander angeordnete Leitungsenden, die hier als bidirektionale Buskoppler 2 wirken.
Zur Vervollständigung ist noch eine dritte Spannungszone 30 angegeben, die ebenfalls mit einem erfindungsgemäßen Buskoppler 2 mit der zweiten Spannungszone 20 gekoppelt ist, was eine Kopplung mit der ersten Spannungszone 10 nicht ausschließen soll.
Die erste AS-i-Leitung 13 und die zweite AS-i-Leitung 23 sind als AS-i-Standardleitung (Flachbandkabel) ausgeführt und derart angeordnet sind, dass die Leitungen gleicher Polarität stärker miteinander gekoppelt sind als die Leitungen ungleicher Polarität.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Buskoppler 2 für einen Aktuator-Sensor Interface Feldbus gemäß den voran gegangenen Ausführungen mit einem ersten und einem zweiten Hohlraum zur Aufnahme von je einer AS-i-Standardleitung, derart ausgestaltet, dass die beiden Hohlräume etwa 1m lang, parallel angeordnet sind und Mittel zur Fixierung von zwei AS-i-Leitungen 13, 23 aufweisen. Der Buskoppler 2 ist vorzugsweise zur Aufnahme von zwei Leitungsenden vorgesehen, was aber zwei Leitungsabschnitte im Verlaufe eines der beiden Spannungszonen 10 und 20 nicht ausschließen soll.
Bezugszeichenliste

1: Master, AS-i 5-Master
10: Erste Spannungszone in einem AS-Interface Feldbus
11: Erstes AS-i-Netzteil
12: Erste AS-i-Devices (Slaves)
13: Erste AS-i-Leitung, AS-i-Flachbandkabel = AS-i-Standardleitung
20: Zweite Spannungszone in einem AS-Interface Feldbus
21: Zweites AS-i-Netzteil
22: Zweite AS-i-Devices (Slaves)
23: Zweite AS-i-Leitung, AS-i-Flachbandkabel = AS-i-Standardleitung
2: Buskoppler
30: Dritte Spannungszone in einem AS-Interface Feldbus

Claims

Aktuator-Sensor Interface Feldbus mit einem Master (1), einer ersten Spanungszone (10) mit einem ersten Netzteil (11) und einer Anzahl davon versorgten ersten Devices (12), sowie einer ersten AS-i-Leitung (13), einer zweiten Spanungszone (20) mit einem zweiten Netzteil (21) und einer Anzahl davon versorgten zweiten Devices (22), sowie einer zweiten AS-i-Leitung (23), wobei die beiden AS-i-Leitungen (13, 23) galvanisch voneinander getrennt und signaltechnisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die AS-i-Leitungen (13, 23) an den Enden der Spannungszonen (10, 20) etwa einen Meter überlappend angeordnet sind, und zwar derart, dass ihre Plus- und Minusleitungen unmittelbar nebeneinander liegen, was deren bidirektionale Kopplung und damit die Übertragung von erweiterten AS-i Kommunikationssignalen erlaubt.
Der Aktuator-Sensor Interface Feldbus (AS-Interface) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten AS-i-Leitung (13) und die zweite ASi-Leitung (23) als AS-i-Standardleitung ausgeführt und derart angeordnet sind, dass die Leitungen gleicher Polarität jeweils stärker miteinander gekoppelt sind als die Leitungen mit ungleicher Polarität.
Buskoppler (2) für einen Aktuator-Sensor Interface Feldbus gemäß einem der vorigen Ansprüche mit einem ersten und einem zweiten Hohlraum zur Aufnahme von je einer AS-i-Standardleitung, derart ausgestaltet, dass die beiden Hohlräume parallel angeordnet sind und Mittel zur Fixierung von zwei AS-i-Leitungen (13,23) aufweisen.