DE19626502A1 - Sensor-Aktor-Bussystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensor-Aktor-Bussystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Bussystem ist in "ASI - Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation", Werner Kriesel, Otto W. Madelung, Carl Hanser Verlag, 1994 beschrieben.

Bei diesem Bussystem können Sensoren und/oder Aktoren über Busleitungen an eine zentrale Steuereinheit angeschlossen werden. Das Bussystem arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Die Steuereinheit fragt die angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren zyklisch ab, worauf die einzelnen Sensoren und/oder Aktoren Daten an die Steuereinheit übermitteln.

Die Steuereinheit bildet den Master, welcher das Bussystem zentral steuert. Insgesamt sind bis zu 31 Slaves, welche von den Sensoren und/oder Aktoren gebildet sind, an das Bussystem anschließbar. Die Steuerungsfunktion des Ma­ sters umfaßt die Aktivierung der einzelnen Slaves. Zudem werden Daten von den Slaves an den Master ausgelesen und können dort zentral weiterverarbeitet werden. Schließlich können die Betriebsarten der Slaves durch den Master vorgegeben werden, indem Parameterwerte vom Master in die Slaves eingelesen werden.

Die Slaves können zum einen direkt über die Busleitungen mit dem Master verbunden sein. Die Busteilnehmer, nämlich der Master und die Slaves weisen hierzu Schnittstellenbausteine auf. Über diese Schnittstellenbausteine werden Daten auf die Busleitungen ausgelesen bzw. von den Busleitungen eingelesen.

In den Sensoren und/oder Aktoren können jeweils die einzelnen Schnittstellen­ bausteine integriert sein. In diesem Fall sind die Sensoren und/oder Aktoren direkt an die Busleitungen anschließbar. Alternativ können Gruppenbausteine mit jeweils einem Schnittstellenbaustein vorgesehen sein, an welche Sensoren und/oder Aktoren ohne Schnittstellenbausteine anschließbar sind. Typischerwei­ se sind bis zu vier Sensoren und/oder Aktoren an einen Gruppenbaustein an­ schließbar.

Durch den Einsatz derartiger Bussysteme kann der Verkabelungsaufwand für Sensoren und Aktoren, die beispielsweise an komplexen Maschinenanlagen installiert sind, beträchtlich reduziert werden. Zudem wird durch ein derartiges Bussystem gegenüber herkömmlichen Verkabelungen eine höhere Funktionalität und ein besserer Einstellungskomfort erzielt, da die Sensoren und Aktoren von der Steuereinheit aus parametrierbar sind.

Bei einfachen Anwendungsfällen ist eine solche komplexe Steuerung oftmals unnötig. Bestehen die Sensoren beispielsweise aus Lichtschranken, die nur ein einfaches binäres Schaltsignal liefern und welche nicht parametrierbar sind, so können diese Sensoren den Funktionsumfang, den das Bussystem anbietet, nur unvollständig nutzen.

Ein Anschluß derartiger Sensoren oder Aktoren an das Bussystem bedeutet für den Anwender oftmals einen unnötigen Mehraufwand bei der Installation, da hierbei den betreffenden Sensoren oder Aktoren über das Bussystem Adressen zugewiesen werden müssen. Hierzu muß die Bedienperson zumindest die Grundfunktionen des Bussystems kennen, um den Anschluß ordnungsgemäß vornehmen zu können. Dies wird oftmals als zu umständlich und zeitaufwendig erachtet, so daß derartige Sensoren und/oder Aktoren unabhängig vom Bussy­ stem verkabelt werden. Nachteilig hierbei ist, daß zusätzlich zum Bussystem ein separates Verkabelungssystem installiert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Bussystem der eingangs genann­ ten Art so auszubilden, daß dieses möglichst universell und flexibel in Indu­ strieumgebungen einsetzbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist an die Busleitung ein Anschlußmodul anschließbar, an welches wenigstens ein Sensor bzw. Aktor angeschlossen werden kann. Die über die Busleitungen gleichzeitig übertragenen Daten und die Versorgungs­ spannung stehen am Eingang des Anschlußmoduls an. Das Anschlußmodul weist Mittel zum Ausfiltern der Daten auf, so daß vom Anschlußmodul zu dem angeschlossenen Sensor oder Aktor nur die Versorgungsspannung übertragen wird.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die über das Anschlußmodul an das Bussystem angeschlossenen Sensoren oder Aktoren von der Busleitung die Versorgungsspannung abgreifen ohne selbst an der über die Busleitungen erfolgenden Datenübertragung teilzunehmen. Umgekehrt wird die Datenüber­ tragung auf den Busleitungen durch das Anschlußmodul und den daran ange­ schlossenen Sensor oder Aktor nicht beeinflußt. Somit kann für diese Sensoren und Aktoren eine separate Spannungsversorgung und eine separate Verkabelung eingespart werden. Das Bussystem kann nicht nur zu Datenübertragungszwecken zwischen den einzelnen Busteilnehmern genutzt werden sondern steht auch für Sensoren und Aktoren, die nicht an der Datenübertragung teilnehmen, als Span­ nungsquelle zur Verfügung.

Auf diese Weise werden die Einsatzmöglichkeiten des Bussystems erheblich erweitert. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß das Anschlußmodul auch an einem im Betrieb befindlichen Bussystem nachträglich anschließbar ist, ohne den Betrieb des Bussystems zu stören. Dies erhöht die Flexibilität des Bussy­ stems beträchtlich. Zudem ist die Montage äußert einfach und erfordert keinerlei Kenntnisse über die Funktionsweise des Bussystems. Zu beachten ist lediglich, daß die maximale Anzahl der anschließbaren Sensoren oder Aktoren nicht überschritten wird. Diese Anzahl kann unter Umständen auch größer als die maximal mögliche Anzahl der ASI-Busteilnehmer, welche üblicherweise 31 Teilnehmer umfaßt, sein. Die maximale Anzahl der über das Anschlußmodul anschließbaren Sensoren und Aktoren bestimmt sich im wesentlichen aus der Dimensionierung der Spannungsversorgung im Bussystem und den verwendeten Leitungslängen der Busleitungen.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Sensor-Aktor-Bussystems.

Fig. 2 Schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Sensor-Aktor-Bussystems.

Fig. 3 Ein Blockschaltbild des Anschlußmoduls.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensor-Aktor-Bussystems dargestellt. In dem Bussystem sind mehrere Sensoren 1 und/oder Aktoren 1 über Busleitungen 2 an eine zentrale Steuereinheit 3 angeschlossen. Die Senso­ ren 1 bzw. Aktoren 1 können von Lichtschranken, induktiven Näherungsschal­ tern, Relais oder dergl. gebildet sein. Die Steuereinheit 3 kann beispielsweise von einer SPS-Steuerung gebildet sein.

Das Bussystem arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Die die Slaves bilden­ den Sensoren 1 und/oder Aktoren 1 werden von der den Master bildenden Steuereinheit 3 zyklisch abgefragt, worauf die Sensoren 1 und/oder Aktoren 1 binäre Daten in die Steuereinheit 3 senden. Die Daten werden über Schnitt­ stellenbausteine 4, welche in der Steuereinheit 3 und in den Slaves integriert sind auf die Busleitungen 2 ausgegeben und von den Busleitungen 2 in die einzelnen Busteilnehmer, nämlich die Steuereinheit 3 und die Slaves eingelesen.

Die Spannungsversorgung erfolgt über ein nicht dargestelltes Netzteil, welches in der zentralen Steuereinheit 3 integriert sein kann. Die Daten werden zu­ sammen mit der Versorgungsspannung über die Busleitung 2 übertragen, in dem die Daten der Versorgungsspannung aufmoduliert werden. Im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel bestehen die Busleitungen 2 aus Zweidraht-Leitungen. Jeder Sensor 1 und Aktor 1 sowie die Steuereinheit 3 enthält ein nicht dargestelltes Sendeelement, welches die zu übermittelnden Daten aussendet.

Die Übertragung der binären Daten erfolgt nach dem Verfahren der alternieren­ den Pulsmodulation. Das Sendeelement sendet Signale in Form von Strom­ änderungen aus, welche die binären Daten kodieren. Zweckmäßigerweise entspricht die Zeitabhängigkeit der Stromänderungen den Integralen von sin²- Funktionen.

Die die Daten kodierenden Stromänderungen induzieren im Netzteil eine Span­ nungsänderung. Diese Spannungsänderungen werden an die anderen Busteil­ nehmer des Subsystems übertragen. Die induzierten Spannungssignale ent­ sprechen dem Differential der Stromsignale. Demzufolge werden die Daten in Form von sin²-förmigen Spannungspulsen mit alternierenden Vorzeichen über­ tragen.

Diese Spannungspulse werden in nicht dargestellten Empfangselementen der Sensoren 1, Aktoren 1 und der Steuereinheit 3 empfangen. Dort werden aus den Folgen der Spannungsimpulse die binären Datenfolgen zurückgewonnen und dekodiert.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensor-Aktor-Bussystems dargestellt, dessen Funktionsweise und Aufbau im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Im Unterschied zum ersten Aus­ führungsbeispiel sind in diesem Fall die Schnittstellenbausteine 4 der Slaves nicht in den Sensoren 1 und/oder Aktoren 1 integriert, sondern in an die Buslei­ tungen 2 angeschlossenen Gruppenbausteinen 5. Jeder Gruppenbaustein 5 weist mehrere Anschlüsse 6 zum Anschluß von Sensoren 1 und/oder Aktoren 1 auf. Im vorliegenden Beispiel sind vier Anschlüsse 6 zum Anschluß von vier Senso­ ren 1 und/oder Aktoren 1 vorgesehen. Die Anschlüsse 6 können beispielsweise als Stecker ausgebildet sein.

Über diese Anschlüsse werden binäre Daten von den Slaves in den jeweiligen Gruppenbaustein 5 eingelesen. Im Gruppenbaustein 5 werden die Daten aller angeschlossenen Slaves gesammelt und über den Schnittstellenbaustein 4 auf die Busleitung 2 ausgegeben. Umgekehrt werden über den Schnittstellenbaustein 4 in den Gruppenbaustein 5 eingelesene Daten an die angeschlossenen Slaves weitergegeben.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Anschlußmodul 7 vorgesehen, welches an die Busleitung 2 angeschlossen ist. An das Anschluß­ modul 7 ist wenigstens ein Sensor 1 oder Aktor 1 anschließbar. Über das Anschlußmodul 7 wird lediglich die Versorgungsspannung zu dem angeschlos­ senen Sensor 1 oder Aktor 1 übertragen. Die über die Busleitung 2 übertragenen Daten werden jedoch in dem Anschlußmodul 7 ausgefiltert.

Demzufolge nimmt der am Anschlußmodul 7 angeschlossene Sensor 1 oder Aktor 1 an dem Betrieb des Sensor-Aktor-Bussystem nicht teil. Er bildet somit keinen Slave und kann von der Steuereinheit 3 nicht abgefragt werden. Das Bussystem stellt für diesen Sensor 1 oder Aktor 1 lediglich eine Spannungs­ quelle dar. Diese Anordnung erlaubt somit in einfacher Weise den gleichzeiti­ gen Betrieb von Busteilnehmern bildenden Sensoren 1 und Aktoren 1 als auch von Sensoren 1 und Aktoren 1, welche unabhängig vom Bussystem arbeiten, wobei sämtliche Sensoren 1 und Aktoren 1 über dieselbe Spannungsversorgung gespeist werden. Durch das Anschlußmodul 7 kann somit der Anwendungs­ bereich des Bussystems erheblich erweitert werden.

Das Anschlußmodul 7 kann beispielsweise als Stecker ausgebildet sein, der auf die Busleitung 2 aufsteckbar ist.

In einer weiteren, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist das Anschlußmo­ dul 7 im Gruppenbaustein 5 integriert. Dabei kann das Anschlußmodul 7 aus­ gangsseitig als Stecker, an welchen der Sensor 1 oder Aktor 1 anschließbar ist, ausgebildet sein.

Vorteilhafterweise sind die elektromechanischen Schnittstellen des Anschlußmo­ duls 7 identisch mit den Anschlußkomponenten des Bussystems ausgebildet. Insbesondere können die Anschlüsse an den Gruppenbausteinen 5 für die Bus­ teilnehmer identisch mit dem Anschluß des Anschlußmoduls 7 ausgebildet sein. Auf diese Weise wird die Kompabilität des Bussystems erhöht.

In Fig. 3 ist der Aufbau des Anschlußmoduls 7 dargestellt. Die Zweidraht- Leitungen der Busleitung 2 sind auf zwei Eingänge 8 des Anschlußmoduls 7 ge­ führt. Im einfachsten Fall sind als Eingänge 8 zwei Anschlußdorne vorgesehen, welche auf die Busleitungen 2 so aufgesteckt werden, daß diese im Kontakt mit dem Zweidraht-Leitungen sind. Auf einer der Zweidraht-Leitungen ist eine Diode 9 vorgesehen, welche einen Verpolschutz bildet. Dieser ist eine Zenerdio­ de 10 nachgeschaltet, welche die beiden Zweidraht-Leitungen miteinander ver­ bindet. Die Zenerdiode 10 bildet einen Überspannungsschutz.

Dem Verpolschutz sind auf jeder Zweidraht-Leitung jeweils zwei Spulen 11, 11′ hintereinander liegend nachgeschaltet. Sämtliche Spulen 11, 11′ weisen dieselbe Induktivität auf. Die Induktivität beträgt vorzugsweise 2,2 mH. Die Spulen 11, 11′ filtern die von der Busleitung 2 eingelesenen Daten aus, so daß an den Aus­ gängen des Anschlußmoduls 7 nur noch die Versorgungsspannung ansteht.

Da die Spulen 11, 11′ eventuell anstehende Stromänderungen kompensieren, werden Rückwirkungen vom Bussystem auf den am Anschlußmodul 7 ange­ schlossenen Sensor 1 oder Aktor 1 bzw. umgekehrt vermieden. Somit beein­ trächtigt der am Anschlußmodul 7 angeschlossene Sensor 1 oder Aktor 1 den Betrieb des Bussystems nicht.

Den Spulen 11, 11′ sind zwei Kondensatoren 12, 13 nachgeschaltet. Dabei ist jeder der Kondensatoren 12, 13 zwischen den beiden Zweidraht-Leitungen geschaltet. Die Kapazität des ersten Kondensators 12 beträgt vorzugsweise 100 nF, die Kapazität des zweiten Kondensators 13 beträgt 22 µF.

Durch die Tiefpaßwirkung der den Spulen 11, 11′ nachgeschalteten Kondensato­ ren 12, 13 wird eine Glättung des Spannungssignals erzielt. Die auf diese Weise geglättete Versorgungsspannung wird den Ausgängen 14 des Anschlußmoduls 7 zugeführt. Diese Ausgänge 14 können von Anschlußpins eines Stecker gebil­ det sein. Gegebenenfalls kann den Kondensatoren 12, 13 ein nicht dargestellter Überlastschutz nachgeschaltet sein, welcher beispielsweise von einem Span­ nungsregler gebildet sein kann.

Claims (13)

1. Anordnung von mehreren Sensoren (1) und/oder Aktoren (1) in einem Bussystem mit einer zentralen Steuereinheit (3), welche mit den Sensoren (1) und/oder Aktoren (1) über Busleitungen (2) verbunden ist und diese zur Steuerung des Bussystems zyklisch abfragt, wobei die die Busteil­ nehmer bildenden Sensoren (1) und/oder Aktoren (1) sowie die Steuerein­ heit (3) Schnittstellenbausteine (4) aufweisen, über welche Daten zum bidirektionalen Datenaustausch auf die Busleitungen (2) ausgegeben und von den Busleitungen (2) eingelesen werden und wobei die Daten über die Busleitungen (2) gleichzeitig mit der Versorgungsspannung übertragen werden, in dem die Daten der Versorgungsspannung aufmoduliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß an die Busleitung (2) ein Anschlußmodul (7) anschließbar ist, über welches die Versorgungsspannung zu wenigstens einem an das Anschlußmodul (7) angeschlossenen Sensor (1) oder Aktor (1) übertragen wird, wobei im Anschlußmodul (7) die auf der Busleitung (2) anstehenden Daten ausgefiltert werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das An­ schlußmodul (7) zum Ausfiltern der Daten eine Anordnung von Spulen (11, 11′) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Busleitungen (2) von Zweidraht-Leitungen gebildet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der in das Anschlußmodul (7) geführten Zweidraht-Leitungen jeweils zwei hintereinander geschaltete Spulen (11, 11′) vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (11, 11′) dieselbe Induktivität aufweisen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußmodul (7) ein Überspannungsschutz vorgesehen ist, der von einer den Spulen (11, 11′) vorgeschalteten, die Zweidraht-Leitungen ver­ bindenden Zenerdiode (10) gebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschluß­ element einen Verpolschutz aufweist, welcher von einer auf einer der Zweidraht-Leitungen angeordneten, der Zenerdiode (10) vorgeschalteten Diode (9) gebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Glättung der am Ausgang des Anschlußmoduls (7) auf den Zweidraht- Leitungen anstehenden Versorgungsspannung den Spulen (11, 11′) zwei Kondensatoren (12, 13), die jeweils die beiden Zweidraht-Leitungen verbinden, nachgeschaltet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Anschlußmoduls (7) ein Überlastschutz vorgesehen ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußmodul (7) einen Stecker zum Anschluß eines Sensors (1) oder Aktors (1) aufweist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche, 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußmodul (7) auf die Busleitungen (2) aufsteckbar ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (1) und/oder Aktoren (1), welche keinen Schnittstellenbau­ stein aufweisen, über Gruppenbausteine (5) mit jeweils einem Schnitt­ stellenbaustein (4) an die Busleitungen (2) anschließbar sind.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das An­ schlußmodul (7) im Gruppenbaustein (5) integriert ist.