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Die
Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Solche
modulartig aufgebauten elektrischen Steuereinrichtungen werden in
den unterschiedlichsten Gebieten der Technik, beispielsweise in
der Gebäudetechnik
oder bei pneumatischen oder hydraulischen Vorrichtungen eingesetzt.
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Sie
finden zum Beispiel Anwendung bei modulartig aufgebauten Ventilstationen,
bei denen mehrere Ventilblöcke
miteinander verbunden sind. Eine pneumatische oder hydraulische
Ventileinheit mit einem wenigstens einen elektromagnetischen Betätigungsblock
tragenden Ventilblock geht beispielsweise aus der
DE 39 10 913 A1 hervor.
Der Ventilblock ist mit einem Anschlußblock verbindbar, der Mittel zum
Verbinden mit weiteren Anschlußblöcken aufweist.
Im Anschlußblock
verlaufen elektrische Versorgungs- und/oder Steuerleitungen, wobei
eine mit diesen Leitungen verbundene Steckvorrichtung an denjenigen
Seiten des Anschlußblocks
angeordnet ist, die beim Verbinden mit weiteren Anschlußblöcken mit
entsprechenden Seiten derselben in Anlage gelangen. Darüber hinaus
sind elektrische Verbindungsmittel für die Leitungen im Anschlußblock mit elektrischen
Anschlüssen
des wenigstens einen Betätigungsblocks
vorgesehen. Hierdurch entfällt
eine Verkabelung der Ventileinheit auch bei mehreren, in Reihen
zusammengesteckten Ventileinheiten, da beim Zusammenstecken automatisch
auch die elektrischen Verbindungen hergestellt werden.
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Aus
der
DE 43 12 757 A1 geht
eine elektronische Steuereinrichtung für eine modulartig aufgebaute
Ventilstation hervor, bei der eine Steuereinheit mit Modulen über ein
Busleitungssystem verbunden ist und jedes Modul einen programmierbaren
Adreßdecoder
aufweist, wobei Mittel zur sequentiellen Konfigurierung der Module
und zur automatischen Zuweisung von individuellen Adressen für die einzelnen Module
vorgesehen sind. Hierdurch kann die Ventilstation beliebig aufgebaut
oder erweitert werden, wobei die angeschlossenen Module automatisch
erkannt und mit Adressen versehen werden.
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Derartige
Ventileinheiten, auch Ventilinseln genannt, bei denen mehrere Ventile
baulich als eine Einheit angeordnet sind und die mit einem elektrischen
Zentralstecker (Multipol) oder einem Feldbusinterface mit entsprechenden
digitalen Ausgängen
versehen sind, stellen Standardbaugruppen in der Automatisierungstechnik
dar. Insbesondere im Sondermaschinenbau werden solche modular aufgebaute
Systeme eingesetzt, bei denen die Ventilfunktion wie "Bausteine" aus immer gleichen
Gruppen zusammengefügt
werden können.
Die Adressierung der einzelnen Module erfolgt durch elektrische
Leitungen oder Bussysteme.
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Nachteilig
bei diesen bekannten Steuereinrichtungen, insbesondere für Ventilstationen
ist das Vorhandensein von elektrischen Steckverbindungen, die nicht
nur beispielsweise verbogen oder auf andere Weise beschädigt werden
können,
sondern beim Einsatz in pneumatischen Systemen sehr oft abgedichtet
werden müssen
und die zudem hohen mechanischen Toleranzanforderungen unterliegen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine elektrische
Steuereinrichtung zu vermitteln, die weitestgehend ohne elektrische
Steckverbindungen auskommt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Steuereinrichtung
ermöglicht
eine Datenübertragung
auf optischem Wege. Steckverbindungen sind nicht erforderlich. Damit können die
im Zusammenhang mit Steckverbindungen auftretenden, zuvor geschilderten
Probleme erst gar nicht entstehen.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
und Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der im Anspruch 1 angegebenen Steuereinrichtung möglich.
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Das
elektrische Modul kann auf die unterschiedlichste Art und Weise
realisiert werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß das wenigstens
eine elektrische Modul wenigstens eine speicherprogrammierbare Steuerung
umfaßt.
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Rein
prinzipiell können
durch eine solche elektrische Steuereinheit beliebige elektrische
Verbraucher oder elektrische Lasten angesteuert werden. So ist beispielsweise
der Einsatz in der Gebäudeautomation
vorstellbar, wo z.B. Türen
geöffnet
und geschlossen, Beleuchtungen ein- und ausgeschaltet, Rolläden oder
andere Verdunkelungs- und/oder Beschattungseinrichtungen geöffnet oder
geschlossen sowie Heizungsventile geregelt werden müssen und dergleichen.
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Besonders
vorteilhaft ist der Einsatz einer solchen modulartig aufgebauten
elektrischen Steuereinrichtung in Verbindung mit Ventilblöcken der
vorbeschriebenen Art. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
ist daher vorgese hen, daß der
wenigstens eine elektrische Verbraucher ein Ventilmodul einer modulartig
aufgebauten Ventilstation ist.
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Dieses
Ventilmodul weist vorzugsweise fluidische Kanäle auf, die mit entsprechenden
fluidischen Kanälen
eines anderen Ventilmoduls verbindbar sind und wenigstens ein elektrisch
ansteuerbares Ventil aufweisen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist vorgesehen, daß jedes
elektrische Modul wenigstens ein optoelektronisches Sendemittel
zum Senden eines Datensignals und wenigstens ein optoelektronisches
Sendemittel zum Senden eines Steuersignals aufweist. Ferner weist
jedes elektrische Modul wenigstens ein optoelektronisches Empfangsmittel
zum Empfangen eines Datensignals und wenigstens ein optoelektronisches
Empfangsmittel zum Empfangen eines Steuersignals auf. Auf diese
Weise können zwei
Signale, nämlich
ein Datensignal (DATA-Signal) und ein Steuersignal (CLOCK-Signal)
von jedem elektrischen Modul empfangen und an andere elektrische
Module gesendet oder auch von einem zentralen Modul empfangen oder
an dieses gesendet werden. Aufgrund lediglich dieser beiden Signale
ist es dann möglich,
mittels der elektrischen Module jeden elektrischen Verbraucher,
z.B. jedes Ventilmodul anzusteuern.
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Um
Daten von den elektrischen Modulen wieder zurück, beispielsweise zu einem
zentralen Steuermodul zu übertragen,
kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein,
daß jedes elektrische
Modul drei optische Übertragungskanäle und damit
drei optoelektronische Empfangsmittel und drei optoelektronische
Sendemittel aufweist. Neben einem optischen Kanal für ein Steuersignal
ist dabei ein Kanal für
den Empfang von Daten und ein Kanal für das Senden von Daten vorgesehen.
Derartige Module werden beispielsweise in Verbindung mit einem Feldbusinterface
eingesetzt, bei denen elektrisch ansteuerbare Einrichtungen, die
sowohl Steuersignale empfangen als auch Signale an das Steuermodul
senden, wie dies beispielsweise bei externen Ventilen, Positionssensoren
oder dergleichen von beispielsweise Pneumatikzylindern der Fall
ist.
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Rein
prinzipiell können
die optoelektronischen Empfangsmittel und Sendemittel auf die unterschiedlichste
Art und Weise ausgebildet sein. Eine vorteilhafte, da einfach und
kostengünstig
zu realisierende Ausführungsform
sieht vor, daß die
Sendemittel Fotodioden und die Empfangsmittel Fototransistoren sind.
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Die
Schaltungsanordnung ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß eine sequentielle
Verarbeitung und Weiterleitung der empfangenen/gesendeten Signale
möglich
ist. Hierdurch ist eine Übertragung
der Signale nach dem Schieberegisterprinzip möglich, welches den Vorteil
aufweist, daß keine
Adressierung der einzelnen elektrischen Module notwendig ist. Wie
nachfolgend noch näher
beschrieben wird, bildet hierbei vielmehr die physikalische Position
des elektrischen Moduls und damit auch des Ventilmoduls selbst die
Adresse.
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Die
optische Datenübertragung
ist verglichen mit leitungsgebundener Datenübertragung sehr störsicher.
Darüber
hinaus können
aufwendige Maßnahmen
für das
Sicherstellen der elektromagnetischen Verträglichkeit entfallen. Die gesamte
digitale Logik zur Abwicklung der seriellen Datenübertragung kann
zudem über
einen einfachen Single-Chip-Microcontroller oder einen programmierbaren
Logikbaustein realisiert werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist neben der kontaktlosen Übertragung
der Steuersignale auch eine kontaktlose Energieübertragung dadurch vorgesehen,
daß in
jedem elektrischen Modul kontaktlose Energieübertragungsmittel zur Energieversorgung
der Ventile angeordnet sind.
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Diese
kontaktlosen Energieübertragungsmittel
werden bei einer vorteilhaften Ausführungsform aus einem in dem
zentralen Steuermodul angeordneten ersten Eisenkernelement mit einer
Primärwicklung
und aus, in den elektrischen Modulen angeordneten, jedem Ventil
zugeordneten zweiten Eisenkernelementen mit Sekundärwicklungen
und Gleichrichtern gebildet, wobei das erste Eisenkernelement und
eines oder mehrere der zweiten Eisenkernelemente einen geschlossenen
Eisenkern zur kontaktlosen induktiven Spannungsversorgung der Ventile
bilden.
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Die
in den elektrischen Modulen angeordneten zweiten Eisenkernelemente
sind zum einen als Durchgangselemente, zum anderen als Abschlußelemente
ausgebildet.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
eine modulartig aufgebaute Ventilstation, bei der eine erfindungsgemäße elektrische
Steuereinrichtung vorgesehen ist;
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2 schematisch
die Darstellung der übertragenen
Datensignale;
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3 schematisch
zwei elektrische Module einer anderen Ausführungsform der Erfindung und
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4 schematisch
eine Ventilstation mit kontaktlosen Energieübertragungsmitteln gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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Eine
als Ganze mit 100 bezeichnete Ventilstation weist ein zentrales
Steuermodul 200 auf, an das mehrere, gleich ausgebildete
elektrische Module 300 angeschlossen sind. Jedes elektrische
Modul 300 weist optoelektronische Empfangsmittel 310, 320 sowie
optoelektronische Sendemittel 340, 350 auf, die
an eine digitale Logikeinheit 370 angeschlossen sind, mittels
der jeweils auf elektrischem Wege durch einen Antrieb mit einer
Wicklung 380 in in einem Ventilmodul 500 angeordnetes
Ventil 530 auf an sich bekannte Weise betätigbar ist.
Das Ventilmodul 320 weist fluidische Kanäle zur Zuführung eines
Fluids auf. Die elektrischen Module 300 weisen Steckkontakte 391, 392, 393, 394 auf,
die der Energieversorgung dienen.
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Wie
in 1 dargestellt, kann jedes elektrische Modul 300 bausteinartig
miteinander oder mit dem zentralen Steuermodul 200 verbunden
werden. Das zentrale Steuermodul 200 weist hierzu ebenfalls optoelektronische
Sendemittel 240, 250 sowie Steckkontakte 293, 294 für die Energieversorgung
auf.
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Die
Signalübertragung
von dem zentralen Steuermodul 200 zu den elektrischen Modulen 300 und
zwischen den elektrischen Modulen 300 untereinander erfolgt
optisch auf die nachfolgend beschriebene Weise. Jedes Modul 300 verfügt über zwei
optoelektronische Empfangsmittel, die beispielsweise durch die in 1 dargestellten
Fototransistoren 310, 320 zum Empfangen von seriellen
Daten realisierbar sind, sowie über
zwei optoelektronische Sendemittel, die beispielsweise durch die
in 1 dargestellten Fotodioden 340, 350 zum
Senden der Daten an das nächste
elektrische Modul 300 realisiert werden können. Die
gesamte modulartig aufgebaute Ventilstation 100 stellt
hinsichtlich der Schaltungslogik ein Schieberegister dar mit zwei
optischen Kanälen,
die jeweils durch einander zugeordnete Sende- und Empfangsmittel 240, 250; 340, 350 bzw. 310, 320 gebildet
werden. Der eine optische Kanal dient der Übertragung des Datensignals,
der andere optische Kanal dient der Übertragung eines Steuersignals.
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In 2 ist
schematisch die Signalübertragung
anhand von acht elektrischen Modulen 300, denen in 2 jeweils
Nummern 1 bis 8 zugeordnet sind, dargestellt. Sollen beispielsweise
die elektrischen Module mit den Nummern 1, 4 und 6 die
ihnen zugeordneten Ventile 530 schalten, so wird ein Steuersignal
("CLOCK") übertragen,
welches acht zeitlich gleich beabstandete Rechteck impulse umfaßt. Der letzte
Rechteckimpuls ist geringfügig
breiter ausgebildet und signalisiert auf diese Weise das Signalende,
so daß für die Übertragung
des sogenannten "DATA
READY-Signals" kein
zusätzlicher
optischer Übertragungskanal
notwendig ist. Es wird vielmehr das CLOCK-Signal auf diese Weise
selbst kodiert. Dem CLOCK-Signal zugeordnet ist ein Datensignal ("DATA"), welches nur beim
ersten, vierten und sechsten Rechteckimpuls des CLOCK-Signals einen Rechteckimpuls
aufweist. Dieses Signal wird in den digitalen Logikeinheiten 370 der
elektrischen Module 300 verarbeitet, wobei das erste, vierte
und sechste elektrische Modul 300 jeweils den diesen zugeordneten
Antrieb 380 schaltet und so das dem jeweiligen elektrischen
Modul zugeordnete Ventil 530 betätigt.
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Über das
CLOCK-Signal wird demnach ein serieller Datenstrom in die einzelnen
elektrischen Module 300 geschoben. Über das Signal "DATAREADY" werden die Informationen
anschließend
an die Spulen der elektromagnetischen Antriebe 380 weitergegeben.
Dieses Schieberegisterprinzip weist den Vorteil auf, daß keine
Adressierung der einzelnen elektrischen Module 300 notwendig
ist. Die physikalische Position des elektrischen Moduls 300 ergibt
automatisch die Adresse. Die optische Datenübertragung ist verglichen mit
einer leitungsgebundenen Datenübertragung
sehr störsicher.
Darüber
hinaus können
aufwendige Maßnahmen
für das
Sicherstellen der elektromagnetischen Verträglichkeit entfallen.
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Die
gesamte digitale Logik zur Abwicklung der seriellen Datenübertragung
kann über
einen einfachen Single-Chip-Microcontroller oder einen programmierbaren
Logikbaustein realisiert werden.
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Die
elektrischen Module 300 können beispielsweise eine speicherprogrammierbare
Steuerung (SPS) aufweisen, die in Verbindung mit beispielsweise
einer Ventilinsel oder Modulen zur Eingabe und Ausgabe von Daten
als Ersatz für
einen drahtgebundenen Bus zur Kommunikation mit dem zentralen Steuermodul 200,
das beispielsweise eine CPU enthalten kann, vorgesehen ist. Dabei
können
auch einzelne oder mehrere derartig verkettete Module 300 mit
oder ohne Verbindung zu weiteren elektrisch ansteuerbaren mechanischen
oder elektrischen Einrichtungen möglich sein.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform sind gleiche Merkmale
mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
dargestellt, so daß bezüglich deren
Beschreibung vollinhaltlich auf die vorstehenden Ausführungen
Bezug genommen wird.
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Die
in 3 dargestellten elektrischen Module 300 weisen
gegenüber
dem in 1 dargestellten Modulen 300 ein weiteres
optoelektronisches Sendemittel 345 in Form einer Fotodiode
und ein dieser zugeordnetes weiteres optoelektronisches Empfangsmittel 315 in
Form eines Fototransistors auf, die einen weiteren, dritten optischen
Kanal bilden. Dieser Kanal dient der Ausgabe von Daten. Derartige
elektrische Module 300 können beispielsweise in Ventilstationen
eingesetzt werden, die ein Feldbusinterface aufweisen und die oft
auch mit zusätzlichen elektrischen
Ein- und Ausgängen
versehen sind, zum Beispiel zum Anschluß von externen Ventilen oder Positionssensoren
von Pneumatikzylindern oder dergleichen. Durch den dritten Kanal
ist eine Kommunikation mit dem zentralem Steuermodul 200 und/oder mit
anderen Modulen 300 möglich.
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In 1 und 3 ist
jeweils nur ein elektrischer Antrieb 380 in Form einer
Spule dargestellt. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf diese
Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern vielmehr auch zwei Antriebe, insbesondere zwei Spulen
oder mehr als zwei Spulen/Antriebe vorgesehen sein können.
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Bei
einem weiteren, in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist neben der vorbeschriebenen kontaktlosen Signalübertragung
auch eine kontaktlose Energieversorgung vorgesehen. Der Übersichtlichkeit
halber wurden in 4 die in 1 und 3 dargestellten
optischen Signalübertragungskanäle wegge lassen,
es ist nur der kontaktlose Energieübertragungsweg dargestellt,
der nachfolgend näher
beschrieben wird.
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In
dem zentralen Steuermodul 200 ist ein erstes Eisenkernelement 202 mit
einer Primärwicklung 201 vorgesehen.
In jedem elektrischen Modul 300 ist ein auf dieses erste
Eisenkernelement 202 angepaßtes, weiteres Eisenkern- oder Ferritkernelement 302 vorgesehen
mit jeweils einer Sekundärwicklung 303 sowie
einem Gleichrichter 304. Zum Schließen des Eisenkreises ist in
einem Abschlußelement 400 ein
Eisenkernabschlußelement 402 angeordnet.
Die Primärwicklung 201 dient
nun zur Einspeisung einer Wechselspannung, die über die Sekundärwicklungen 203 in
jedem der elektrischen Module 300 abgegriffen wird und
mittels der Gleichrichter 304 gleichgerichtet wird. Die
Energieübertragung erfolgt
somit auf induktivem Wege, ohne daß Steckkontakte notwendig sind.
Die Eisenkreiselemente 202, 302 und 402 sind
vollständig
in dem Steuermodul 200, in den elektrischen Modulen 300 und
in dem Abschlußelement 400 integriert,
beispielsweise vergossen.
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Vorstehend
wurde exemplarisch eine elektrische Steuereinrichtung für eine Ventilstation
oder Ventilinsel beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung
nicht auf den Einsatz in einer Ventilstation oder Ventilinsel beschränkt ist,
sondern vielmehr auch in anderen Gebieten der Technik eingesetzt werden
kann, beispielsweise in der Gebäudeautomation,
in der ebenfalls eine Vielzahl von elektrischen Einrichtungen, die
gewissermaßen
modulartig aufgebaut sind, angesteuert werden müssen.