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Die
Erfindung betrifft eine Leitungsanordnung mit mehreren Steuereinheiten
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Leitungsanordnungen
zum Verbinden mehrerer Steuereinheiten sind in den verschiedensten technischen
Gebieten bekannt und werden insbesondere im Bereich der Druckmaschinen
eingesetzt, um mehrere Steuereinheiten einer oder mehrerer Druckmaschinen
mit Daten zu versorgen und/oder nach festgelegten Zeitrastern anzusteuern. Üblicherweise
weist eine Leitungsanordnung eine zentrale Steuereinheit auf, die
als Master-Steuereinheit weitere Steuereinheiten steuert. Die weiteren
Steuereinheiten führen
festgelegte Funktionen in Abhängigkeit von
der Ansteuerung durch die Master-Steuereinheit aus.
Für die
Datenübertragung
wird ein Datenbus verwendet, über
den Daten und/oder Steuersignale in Form eines Datenwortes von der
Master-Steuereinheit ausgegeben werden. Das Datenwort weist einen
Header und ein Nutzsignal auf. Der Header bezeichnet eine Adresse
für die
weitere Steuereinheit, für
die das Nutzsignal des Datenwortes bestimmt ist. Für eine flexible
Anordnung von Steuereinheiten ist die Adressierung der weiteren
Steuereinheiten nicht vorab festgelegt, sondern die Steuereinheiten
werden erst bei Aufnahme des Betriebes der Leitungsanordnung adressiert.
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US 6,166,653 A beschreibt
ein System und eine Anordnung zur Adressierung von Knotenpunkten
eines Befehls- und Steuersystems. Es ist eine zentrale Steuereinheit
vorgesehen, die über
einen Datenbus mit weiteren Steuereinheiten in Verbindung steht.
Die weiteren Steuereinheiten sind in Form eines Netzwerkknotens
ausgebildet und stehen mit dem Datenbus in Verbindung. Der Anschluss
der Netzwerkknoten ist an verschiedenen Punkten des Datenbusses
ausgebildet. Für
eine Adressierung der Netzwerkknoten prägt die zentrale Steuereinheit
einen festgelegten Strom in den Datenbus. Während dieser Phase erfassen
die Netzwerkknoten die am Datenbus anliegende Spannung. Jeder Netzwerkknoten
legt die erfasste Spannung als Abstandsspannung in einem Speicher
ab. Bei einem weiteren Verfahrensschritt prägt die zentrale Steuereinheit eine
Referenzspannung auf den Datenbus. Dabei erfassen die weiteren Steuereinheiten
eine Referenzspannung und legen diese im Speicher ab. Jede Steuereinheit
ermittelt aus der Abstandsspannung und der Referenzspannung eine
Adressspannung, die dem zentralen Steuergerät zurückgemeldet wird. Die Referenzspannung
wird dazu verwendet, um Schwankungen von technischen Eigenschaften
der Steuergeräte
untereinander auszugleichen und dadurch eine präzisere Angabe einer Adressspannung zu
erhalten.
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In
Abhängigkeit
von der zurückgemeldeten Adressspannung
ordnet die zentrale Steuereinheit den weiteren Steuereinheiten eine
Adresse zu. Somit wird aufgrund des Widerstandes der Leitung und
des sich daraus ergebenden Spannungsabfalls eine Adressierung der
weiteren Steuereinheiten festgelegt. Die bekannte Anordnung weist
den Nachteil auf, dass aufgrund des geringen Widerstandes der Leitung
eine zusätzliche
Korrektur für
die erfasste Spannung erforderlich ist. Dadurch ist die bekannte
Anordnung und das bekannte Verfahren relativ aufwendig.
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Ein
weiteres Verfahren zur Adressierung von Steuerungskomponenten in
einem Steuerungssystem ist aus der
EP 0 482 167 B1 bekannt. Mehrere Schaltstellen
sind dabei über
mehrere Leitungen mit einer Ansteuereinheit verbunden. Ein Leiter
davon ist ein Versorgungsleiter, ein weitere Leiter ein Informationsleiter.
Zudem gibt es einen Adressenleiter. Beim Adressiervorgang fließt über den
Adressenleiter ein Strom. Die Ausgangsimpedanzen der Schaltstellen sind
dabei wesentlich kleiner als die Längsimpedanz des Adressenleiters,
so dass zunächst
nur die erste Schaltstelle adressiert wird. Wenn die Adressierung der
ersten Schaltstelle abgeschlossen ist, wird diese vom Adressenleiter
weggeschaltet und die nächste Schaltstelle
wird adressiert. Dieser Vorgang wird bis zur letzten Schaltstelle
wiederholt, bis alle Schaltstellen adressiert sind. Durch Abschalten
des gesamten Systems kann das System in den Ausgangszustand verbracht
werden, so dass die serielle Adressierung der einzelnen Schaltstellen
nacheinander wiederholt werden kann. Das System arbeitet somit zyklisch, wobei
immer eine Schaltstelle nach der anderen adressiert wird. Eine solche
Vorgehensweise benötigt
entsprechend mehr Zeit, da die Schaltstellen nur nacheinander und
nicht gleichzeitig adressiert werden können.
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Ein
Verfahren zur Initialisierungsadressierung von Elektronikmodulen
bei CAN-Bus Systemen ist aus der nachveröffentlichten Schrift
DE 10153848 A1 bekannt.
Dabei liegen die einzelnen Module an einem separaten stromdurchflossenen
Leiter, der einen Spannungsteiler zwischen den Modulen darstellt.
Bei jedem Modul liegt dann zwischen Masse und dem separaten Leiter
eine andere Spannung an. Am letzten Modul mit dem geringsten Spannungsabfall
beginnt die Adressierung mit einem vorgegebenen Strom. Wenn die
Adressierung des letzten Moduls abgeschlossen ist, wird dieses für weitere Adressierung
unempfänglich
geschaltet und der Strom abgesenkt, so dass das vorletzte Modul
adressiert wird. Die Stromabsenkung wird solange wiederholt, bis
alle Module adressiert sind. Auch dieses System hat den Nachteil,
dass die Module nur nacheinander adressiert werden, was entsprechend
mehr Zeit kostet.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine vereinfachte Leitungsanordnung
bereitzustellen, über
die eine Adressierung von Steuereinheiten in möglichst kurzer Zeit möglich ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Leitungsanordnung gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Leitungsanordnung
neben einer ersten Leitung für
die Übertragung
von Daten und/oder Steuersignalen eine zweite Leitung vorgesehen
ist, die einen größeren ohmschen
Widerstand als erste Leitung aufweist und zur Adressierung der Steuergeräte verwendet
wird. Aufgrund des größeren ohmschen
Widerstandes der zweiten Leitung ist eine größere Auflösung zwischen den Abständen der Steuergeräte möglich. Zudem
wird durch die getrennte Ausführung
der zweiten Leitung die Übertragung
der Daten und/oder Steuersignale nicht negativ beeinflusst.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die zweite Leitung in Form einer Anschlussleitung an die erste
Leitung angeschlossen. Es ist somit nicht erforderlich, dass die
zweite Leitung die gesamte Signalführung zwischen einer zentralen
Steuereinheit und der weiteren Steuereinheit übernimmt. Es reicht in bestimmten
Anordnungen aus, wenn nur ein Teilstück der Leitungsverbindung zwischen
Stromquelle und dem weiteren Steuergerät durch die zweite Leitung
realisiert ist. Für
die Daten- und/oder Steuersignale ist jedoch auch in dieser Ausführungsform
eine parallel zu dem Teilstück,
das als zweite Leitung ausgebildet ist, eine erste Leitung angeordnet,
die den Datenbus mit dem weiteren Steuergerät verbindet. Somit wird auch
in dieser bevorzugten Ausführungsform
die Übertragung
der Daten- und/oder Steuersignale nicht negativ beeinflusst.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die zweite Leitung über
einen Abschlusswiderstand an ein Massepotenzial angeschlossen. Durch
den Abschlusswiderstand ist es möglich,
die auf der zweiten Leitung anfallende Spannung in einen gewünschten Spannungsbereich
in Bezug zu Masse zu legen. Dadurch können vorteilhafte Spannungsbereiche
eingestellt werden. Dies ist insbesondere bei Einsatz eines A/D-Wandlers
zur Spannungserfassung vorteilhaft. Dabei wird vorzugsweise die
auf der zweiten Leitung abfallende Spannung in einen für den A/D-Wandler optimalen
Spannungsbereich verschoben.
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In
einer einfachen Ausführungsform
sind die erste und die zweite Leitung als mehradriges Bandkabel
ausgebildet. Die Ausbildung der ersten und der zweiten Leitung in
Form eines Bandkabels bietet eine kostengünstige Realisierung der ersten
und der zweiten Leitung.
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Vorzugsweise
wird die Leitungsanordnung bei Druckmaschinen eingesetzt, um eine
Adressierung von Steuereinheiten einer oder mehrerer Druckmaschinen
auf einfache Weise durchführen
zu können.
Die Steuereinheiten sind vorzugsweise zur Ansteuerung von Motoren
vorgesehen, mit denen einzelne Funktionen von Druckwerken gesteuert
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Leitungsanordnung,
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2 eine
zweite Leitungsanordnung und
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3 ein
Flachbandkabel.
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Die
Erfindung wird im Folgenden am Beispiel einer Leitungsanordnung
mit Steuergeräten
beschrieben, ist jedoch auf jede Anordnung von Netzwerkknoten in
einem Steuerverbund anwendbar. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Leitungsanordnung
bei Druckmaschinen eingesetzt, um einzelne Stellglieder über eine
Leitungsanordnung mit Daten- und/oder Steuergrößen und/oder mit Energie zu versorgen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Netzwerkknoten in Form von Steuereinheiten ausgebildet. Ein
Netzwerkknoten kann jedoch auch in anderen Formen ausgebildet sein.
Die Funktion eines Netzwerkknotens besteht im Wesentlichen darin,
Daten und/oder Steuersignale aus einem Datenbus zu entnehmen und/oder
in einen Datenbus abzugeben. Die Daten und/oder Steuersignale werden
weiterverwendet, um beispielsweise ein Stellglied wie einen elektrischen
Motor anzusteuern.
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1 zeigt
eine erste Schaltungseinheit 1, die eine erste Steuereinheit 2 und
eine Strom- und Spannungsquelle 3 aufweist.
Die erste Steuereinheit 2 ist mit einem Datenbus 4 verbunden,
der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in Form von zwei elektrischen Leitungen 5 ausgebildet ist.
Parallel zum Datenbus 4 sind zwei weitere elektrische Leitungen 6 angeordnet,
die mit der Strom-/Spannungsquelle 3 verbunden sind. Die
elektrischen Leitungen 5 sind aus einem niederohmigen Material
wie z.B. Kupfer ausgebildet. Eine erste weitere elektrische Leitung 6a ist
aus einem im Vergleich zu elektrischen Leitungen 5 höherohmigen
Material wie z.B. Konstantan ausgebildet. Eine zweite weitere elektrische
Leitung 6b ist aus einem niederohmigen Material, vorzugsweise
Kupfer. Vorzugsweise liegen die Werte für die elektrischen Leitungen 5 im
Bereich von kleiner 0,2 Ohm/m und die Werte für die weiteren elektrischen Leitungen 6 im
Bereich von größer 0,2
Ohm/m.
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Es
ist ein erster und ein zweiter Steckverbinder 7, 8 vorgesehen, über die
der Datenbus 4 und die weiteren elektrischen Leitungen 6 mit
einer ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Anschlussleitung 9, 10, 11, 12 kontaktiert
sind. Die erste und die zweite Anschlussleitung 9, 10 ist
jeweils an die elektrischen Leitungen 5 des Datenbusses 4 angeschlossen.
Die erste und die zweite Anschlussleitung 9, 10 stehen
mit einer weiteren Steuereinheit 13 in Verbindung. Die
dritte und die vierte Anschlussleitung 11, 12 sind
an eine Spannungsmesseinheit 14 angeschlossen, die zudem
mit der zugeordneten weiteren Steuereinheit 13 verbunden
ist. Die weiteren Steuereinheiten 13 sind jeweils an einen
Datenspeicher 20 angeschlossen. Die dritten und vierten
Anschlussleitungen sind aus einem niederohmigen Material, vorzugsweise
Kupfer, gebildet.
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Die
weitere Steuereinheit 13 und die Spannungsmesseinheit 14 sind
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
Teil einer Druckmaschine 15, 18 bzw. Teil einer
Druckeinheit einer Druckmaschine 15. Eine Druckmaschine 15 weist
eine Vielzahl von Stellgliedern 16 auf, die für eine Einstellung
der Druckmaschine zur Abarbeitung eines Druckvorganges benötigt werden.
Beispielhaft ist in 1 als Stellglied nur ein elektrischer
Motor 16 dargestellt, der über eine Steuerleitung 17 mit
der weiteren Steuereinheit 13 verbunden ist. In 1 sind
eine erste und eine zweite Druckmaschine 15, 18 dargestellt,
die in Bezug auf die Anbindung an den Datenbus 4 vorzugsweise identisch
ausgebildet sind.
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Für eine korrekte
und schnelle Datenübertragung
ist es vorteilhaft, einen möglichst
geringen ohmschen Widerstand vorzusehen. Deshalb sind die elektrischen
Leitungen 5 und die erste und die zweite Anschlussleitung 9, 10 aus
einem entsprechend niederohmigen Material wie z.B. Kupferdraht ausgebildet.
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Für die im
Folgenden beschriebene Adressierung der weiteren Steuereinheiten 13 ist
es vorteilhaft, wenn die erste weitere elektrische Leitung 6a aus
einem hochohmigen Material bestehen, so dass zwischen dem Anschluss
der ersten Druckmaschine 15 und dem Anschluss der zweiten
Druckmaschine 18 ein Spannungsabfall auftritt.
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Je
nach Ausführungsform
kann der Datenbus 4 auch in Form einer einzigen elektrischen
Leitung 5 ausgebildet sein. Ebenso ist die Ausbildung der
weiteren elektrischen Leitungen 6 in Form einer einzigen
Leitung 6 möglich,
wobei in dieser Ausführungsform
die Spannungsmesseinheit 14 über einen separaten Anschluss
mit einem Massepotenzial verbunden ist, an das ebenfalls die Strom-/Spannungsquelle 3 angeschlossen
ist.
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Ein
entsprechendes Ausführungsbeispiel
ist in 2 dargestellt.
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3 zeigt
ein Flachbandkabel, das je nach Ausführungsform der Leitungsanordnung
mehrere elektrische Leitungen 5 und vorzugsweise weitere elektrische
Leitungen 6 aufweist. Bei der Verwendung eines Flachbandkabels 19,
wie in 3 dargestellt, sind der erste und der zweite Steckverbinder 7, 8 in
Form eines Quetschsteckers ausgebildet.
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Die
Anordnung der 1, 2 und 3 stellen
einen Leitungsverbund zwischen einer Zentralsteuereinheit, die in
Form der ersten Steuereinheit 2 ausgebildet ist, und weiteren
Steuereinheiten 13 dar. Die weiteren Steuereinheiten 13 werden
durch die erste Steuereinheit 2 gesteuert. Dabei gibt die erste
Steuereinheit 2 Daten und/oder ein Zeitraster und/oder
Steuersignale vor, die von den weiteren Steuereinheiten 13 beachtet
werden bzw. ausgeführt werden.
Für einen
korrekten Datenaustausch zwischen der ersten Steuereinheit 2 und
den weiteren Steuereinheiten 13 ist eine Adressierung der
weiteren Steuereinheiten 13 erforderlich. Bei der Adressierung
wird jeder weiteren Steuereinheit 13 eine Adresse zugeordnet,
mit der Daten und/oder Steuersignale eindeutig mit der weiteren
Steuereinheit 13 ausgetauscht werden können. Bei der Übermittlung
der Daten und/oder Steuersignale wird ein Datenwort verwendet, das
eine Adresse und die Nutzinformation aufweist. Die Adresse bezeichnet
das Steuergerät 13,
für das
die Nutzinformation bestimmt ist. Die Nutzinformation kann beispielsweise
Daten und/oder Steuersignale und/oder ein Zeitraster enthalten.
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Für einen
flexiblen Aufbau einer Leitungsanordnung ist es vorteilhaft, wenn
bei einem ersten Einschaltvorgang der Stromversorgung eine automatische
Adressierung der weiteren Steuereinheiten 13 erfolgt. Für die Adressierung
der weiteren Steuereinheit 13 wird folgendes Verfahren
gewählt:
Beim ersten Einschalten der Stromversorgung steuert die erste Steuereinheit 2 die
Strom-/Spannungsquelle 3 in der Weise an, dass die Strom-/Spannungsquelle 3 einen
konstanten Strom auf die weitere Leitung bzw. weiteren Leitungen 6 abgibt.
Dabei legt die Strom-/Spannungsquelle eine positive Spannung auf eine
erste weitere Leitung 6a und ein Massepotenzial auf eine
zweite weitere Leitung 6b. Zudem gibt die erste Steuereinheit 2 über den
Datenbus 4 das Steuersignal an alle weiteren Steuereinheiten 13,
die an den Datenbus 4 angeschlossen sind, eine Spannungsmessung
auf der weiteren Leitung 6 durchzuführen, anschließend die
gemessene Spannung in einem Speicher 20 abzulegen und anschließend den gemessenen
Spannungswert über
den Datenbus 4 an die erste Steuereinheit 2 zurückzusenden.
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Die
auf der ersten weiteren elektrischen Leitung 6a anliegende
Spannung wird von den Spannungsmesseinheiten 14 nach Erhalt
des Steuersignals über
die vierte Anschlussleitung 12 erfasst und an die weitere
Steuereinheit 13 gemeldet. Die weitere Steuereinheit 13 speichert
den erfassten Spannungswert UE in den Speicher 20 ab und
sendet gleichzeitig den erfassten Spannungswert UE über den
Datenbus 4 an die erste Steuereinheit 2. Da die erste
weitere elektrische Leitung 6a aus einem hochohmigen Material
ausgebildet ist, tritt zwischen den Anschlussstellen des ersten
und zweiten Steckverbinders 7, 8 ein Spannungsabfall
auf, so dass von der Spannungsmesseinheit 14 der ersten
Druckmaschine 15 und der Spannungsmesseinheit 14 der
zweiten Druckmaschine 18 unterschiedliche Spannungswerte
erfasst werden und unterschiedliche Spannungswerte an die erste
Steuereinheit 2 zurückgesendet werden.
Die erste Steuereinheit 2 sortiert die erfassten Spannungswerte
der Größe nach
und ordnet jedem erfassten Spannungswert eine Adresse zu.
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In
einem folgenden Verfahrensschritt gibt die erste Steuereinheit 2 jeden
erfassten Spannungswert und die zugeordnete Adresse an den Datenbus 4 aus.
Die weiteren Steuereinheiten 13 erfassen die ausgegebenen
Datenpaare und filtern das Datenpaar heraus, das den eigenen gemessenen
Spannungswert aufweist. Die mit dem eigenen gemessenen Spannungswert übertragene
Adresse wird von den weiteren Steuereinheiten 13 in den
Speichern 20 abgelegt und im folgenden Verfahren als eigene Adresse
verwendet, mit der Daten ausgetauscht werden. Zum Datenaustausch
verwendet die weitere Steuereinheit 13 ein Datenpaar, das
die eigene Adresse und eine Nutzinformation aufweist.
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Somit
wird aufgrund der unterschiedlichen Spannungsabfälle über die hochohmige erste weitere
Leitung 6a jeder weiteren Steuereinheit 13 eine Adresse
zugeordnet, die von der weiteren Steuereinheit 13 im Speicher 20 abgespeichert
wird und beim weiteren Datenaustausch als eigene Adresse verwendet
wird. Auf diese Weise ist ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren zur Adressierung der weiteren Steuereinheiten 13 möglich, die
in einem Leitungsverbund über
einen Datenbus 4 miteinander verbunden sind. Durch die
Anordnung des Abschlusswiderstandes 21 kann der Spannungsabfall auf
der ersten weiteren elektrischen Leitung 6a in der Weise
festgelegt werden, dass der Spannungsabfall in einem gewünschten
Bereich liegt. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn als
Spannungsmesseinheit 14 ein A/D-Wandler eingesetzt wird. Durch
die Verschiebung des Spannungsabfalls in einen Spannungsbereich,
in dem der A/D-Wandler eine bessere Linearität aufweist, kann eine genaue Erfassung
der Spannung erreicht werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Abstände zwischen dem
ersten und dem zweiten Steckverbinder 7, 8 von bis
zu 32 mm oder kleiner aufzulösen.
Somit können weiteren Steuereinheiten 13 verschiedenen
Adressen zugeordnet werden, deren Steckverbinder 7, 8 nur
einen Abstand von 32 mm am Datenbus 4 aufweisen. Durch
den hohen Spannungsabfall ist es auch möglich, einfache und kostengünstige Steckverbinder 7, 8 zu
verwenden, die einen relativ hohen Kontaktwiderstand aufweisen.
Somit ist insgesamt eine kostengünstige
Ausbildung der Leitungsanordnung möglich. Zudem können günstige 8-Bit-A/D-Wandler eingesetzt
werden.
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Bei
den 1 und 2 wird das gleiche Adressierverfahren
verwendet, wobei jedoch in 2 nur die
erste weitere elektrische Leitung 6a vorgesehen ist. In
dieser Ausführungsform
sind die Spannungsmesseinheiten 14 zur Erfassung eines Vergleichspotenzials
mit einem Masseanschluss verbunden. Der Masseanschluss wird gleichzeitig
von der Strom-/Spannungsquelle 3 mit dem Massepotenzial
versorgt.
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- 1
- Erste
Schaltungseinheit
- 2
- Erste
Steuereinheit
- 3
- Strom-/Spannungsquelle
- 4
- Datenbus
- 5
- Elektrische
Leitung
- 6
- Weitere
elektrische Leitungen
- 7
- Erster
Steckverbinder
- 8
- Zweiter
Steckverbinder
- 9
- Erste
Anschlussleitung
- 10
- Zweite
Anschlussleitung
- 11
- Dritte
Anschlussleitung
- 12
- Vierte
Anschlussleitung
- 13
- Weitere
Steuereinheit
- 14
- Spannungseinheit
- 15
- Druckmaschine
- 16
- Elektrischer
Motor
- 17
- Steuerleitung
- 18
- Zweite
Druckmaschine
- 19
- Flachbandkabel
- 20
- Speicher
- 21
- Abschlusswiderstand