DE19631302A1 - Sensor-Aktor-Bussystem - Google Patents
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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 bis zu 31 Sensoren und/oder Aktoren über Bus
leitungen an eine zentrale Steuereinheit angeschlossen werden. Das Bussystem
arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Die Steuereinheit fragt die angeschlos
senen Sensoren und/oder Aktoren zyklisch ab, worauf die einzelnen Sensoren
und/oder Aktoren Signale an die Steuereinheit übermitteln. Als Rückmeldung
übersendet die Steuereinheit wiederum Signale an die einzelnen Sensoren und/oder
Aktoren. Dabei wird jeder Sensor oder Aktor unter einer diesem zuge
wiesenen Adresse aufgerufen.
Die Sensoren, Aktoren sowie die Steuereinheit weisen jeweils Schnittstellenbau
steine auf, über welche die Signale ausgesendet bzw. empfangen werden. Die
über den Schnittstellenbaustein übertragenen Signale weisen eine Wortbreite von
4 Bit auf. Von den Sensoren oder Aktoren werden überwiegend binäre Signale,
welche die aktuellen Schaltzustände der Sensoren oder Aktoren darstellen, an
die Steuereinheit gesendet.
Da die Sensoren und Aktoren ihre Signale in Form von Datenworten an die
Steuereinheit übertragen, ist ein gewisser Signalverarbeitungsaufwand im Sensor
oder Aktor erforderlich. Die Signalzustände der Sensoren oder Aktoren müssen
in ein entsprechendes Datenwort umgewandelt werden, welches an die Steuer
einheit ausgesendet wird. Abgesehen vom Schaltungsaufwand für eine derartige
Signalverarbeitung, bedingt dies auch einen relativ großen Aufwand beim Infor
mationsaustausch zwischen der Steuereinheit und dem Sensor oder Aktor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Sensor-Aktor-Bussystem der ein
gangs genannten Art so auszubilden, daß der Informationsaustausch zwischen
der Steuereinheit und den angeschlossenen Sensoren und Aktoren auf möglichst
einfache und kostengünstige Weise erfolgen kann.
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 werden von der Steuereinheit an die jeweils zwei Schaltzu
stände aufweisenden binären Sensoren und/oder Aktoren die Signale in Form
von Datenworten übertragen. Dabei werden die Datenworte zusammen mit der
Versorgungsspannung in Form von Kodierungen, welche der Versorgungsspan
nung aufmoduliert sind, übertragen. Ein im Schnittstellenbaustein empfangenes
Datenwort löst einen Stromimpuls aus, dessen Dauer vom Schaltzustand des
Sensors oder Aktors abhängt. Dieser Stromimpuls wird über die Busleitung an
die Steuereinheit rückgemeldet. Dort wird aus der Dauer des Stromimpulses der
Schaltzustand des betreffenden Sensors oder Aktors rekonstruiert.
Der Vorteil dieses Bussystems besteht insbesondere darin, daß zur Rückmel
dung der Sensoren und Aktoren an die Steuereinheit keine Datenworte mit
einem spezifischen Datentelegramm übertragen werden müssen. Die Rückmel
dung besteht allein in einem Stromimpuls, dessen Länge in der Steuereinheit
ausgewertet wird. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Form
der Datenübertragung dar.
Ferner ist vorteilhaft, daß durch diese Art der Datenübertragung die Sensoren
und Aktoren nur kurzfristig während der Dauer der Stromimpulse aktiviert wer
den, wodurch deren Stromaufnahme sehr gering ist.
Schließlich ist vorteilhaft, daß es für die Rückmeldung der Sensoren oder
Aktoren über kurze Stromimpulse in direkter Antwort auf den Empfang eines
Datenwortes keinerlei Aufwendungen für die Synchronisation des Datenverkehrs
bedarf.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild des Sensor-Aktor-Bussystems.
Fig. 2 Ein Blockschaltbild eines Sensors mit einem Schnittstellenbau
stein.
Fig. 3 Ein Blockschaltbild eines Sensors.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines Bussystems für Sensoren 1 und/oder Aktoren
2 dargestellt. Das Bussystem arbeitet nach dem Master Slave Prinzip. Der
Master ist von einer Steuereinheit 3 gebildet, welche die zentrale Steuerung des
Bussystems übernimmt. Die Steuereinheit 3 kann von einem Mikroprozessor
gebildet sein.
Die Slaves sind von den Sensoren 1 und/oder Aktoren 2 gebildet, welche über
Busleitungen 4 an die Steuereinheit 3 angeschlossen sind. Die Sensoren 1 und
Aktoren 2 weisen jeweils zwei unterschiedliche, binäre Schaltzustände auf. Die
Busleitungen 4 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel von Zweidrahtleitun
gen 5, 5′ gebildet.
Jeder Sensor 1 oder Aktor 2 weist einen Schnittstellenbaustein 6 auf, welchem
eine Adresse zugewiesen ist. Die Schnittstellenbausteine 6 werden unter diesen
Adressen von der Steuereinheit 3 zyklisch abgefragt. Hierzu sendet die Steuer
einheit 3 Datenworte mit einem vorgegebenen Format an den Schnittstellenbau
stein 6. Vorzugsweise beträgt die Wortbreite der Datenworte 4 Bit wobei zusätz
lich Paritätsbits zur Erhöhung der Übertragungssicherheit vorgesehen sein kön
nen.
Die an die Schnittstellenbausteine 6 ausgesandten Datenworte werden zusam
men mit der Versorgungsspannung übertragen, wobei die Datenworte der Ver
sorgungsspannung in Form von Kodierungen aufmoduliert sind.
Durch das Einlesen eines Datenwortes in den Schnittstellenbaustein 6 wird dort
ein Stromimpuls generiert, dessen Dauer vom aktuellen Schaltzustand des Sen
sors 1 oder Aktors 2 abhängt. Dieser Stromimpuls wird als Rückmeldung vom
Sensor 1 oder Aktor 2 in die Steuereinheit 3 rückgelesen. Dort wird aus der
Länge des Stromimpulses der Schaltzustand des Sensors 1 oder Aktors 2 rekon
struiert.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Sensors 1 mit einem Schnittstellenbau
stein 6 dargestellt. Der Sensor 1 ist als Gabellichtschranke mit einem von einer
Leuchtdiode gebildeten Sender 7, mit einem von einem Phototransistor gebil
deten Empfänger 8 sowie mit einer Auswerteschaltung ausgebildet. Der Schnitt
stellenbaustein 6 ist von einem Microcontroller gebildet.
An vier Eingänge des Microcontrollers sind vier Schalter 9a-9d angeschlossen.
Über diese Schalter 9a-9d wird die Adresse eines Schnittstellenbausteins 6
vorgegeben. An einem weiteren Eingang des Microcontrollers ist ein Schalter
10 für die Einstellung der Betriebsart des Microcontrollers vorgesehen. Mit
diesem Schalter 10 kann ausgewählt werden, ob der Microcontroller als Schnitt
stellenbaustein 6 für einen Sensor 1 oder einen Aktor 2 verwendet wird. Dies
hat den Vorteil, daß baugleiche Microcontroller sowohl in Sensoren 1 als auch
in Aktoren 2 als Schnittstellenbausteine 6 eingesetzt werden können.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau des Sensors 1 ist eingangsseitig ein
von einer Diode 11 gebildeter Verpolschutz und ein von zwei Zenerdioden 12
gebildeter Überlastschutz auf einer der Zweidrahtleitungen 5 der Busleitung 4
vorgesehen. Die zweite Zweidrahtleitung 5′ ist auf Massepotential gelegt.
Die Zweidrahtleitung 5 verzweigt in drei Zweige, wobei im ersten Zweig eine
Zuleitung über einen von einer Anordnung von Widerständen und Zenerdioden
gebildeten Pegelwandler 13 auf einen Eingang des Microcontrollers geführt ist.
Über diesen Zweig werden die auf der Busleitung 4 anstehenden Datenworte in
den Microcontroller eingelesen, wobei der Pegelwandler 13 die Signalpegel der
auf der Busleitung 4 anstehenden Signale auf den für den Microcontroller ge
forderten Pegel umsetzt.
Im zweiten von der Zweidrahtleitung 5 abzweigenden Zweig ist ein Spannungs
regler 14 mit einem vor- und einem nachgeschalteten Kondensator 15, 16 vor
gesehen. Dieser Zweig ist ebenfalls auf einen Eingang des Microcontrollers ge
führt.
Schließlich zweigen von der Zweidrahtleitung 5 der Sender 7 und der Empfän
ger 8 der Gabellichtschranke ab. Dem von der Leuchtdiode gebildeten Sender
7 ist ein Widerstand 17 vorgeschaltet und ein auf Masse geführter Transistor 19
nachgeschaltet, wobei die Basis des Transistors 19 auf einen Ausgang des
Microcontrollers geführt ist. Dem Sender 7 ist ein Widerstand 20 parallel ge
schaltet. Ferner ist der Empfänger 8 dem Sender 7 parallel geschaltet, wobei der
Empfänger 8 über einen Widerstand 21 auf den zweiten Zweig der Zweidraht
leitung 5 und über einen Vorverstärker 22 auf einen Eingang des Microcon
trollers geführt ist.
In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Aktors 2 mit einem Schnittstellenbau
stein 6 dargestellt. Der Aktor 2 ist von einem Magnetschalter 23 mit einer Aus
werteschaltung gebildet. Der Aufbau des Schnittstellenbausteins 6 und dessen
Ankopplung über den Pegelwandler 13 und den Spannungsregler 14 an die Bus
leitung 4 sind identisch zu dem Aufbau des Sensors 1 gemäß Fig. 2.
Auf den zweiten Zweig der Zweidrahtleitung 5 ist der Magnetschalter 23,
welchem eine Freilaufdiode 24 parallel geschaltet ist, geführt. Der Magnetschal
ter 23 ist über den Transistor 19 mit einem Ausgang des Microcontrollers ver
bunden.
Die Funktionsweise des Datenaustausches zwischen Master und Slave wird im
folgenden anhand der Fig. 2 und 3 erläutert.
Wird ein Datenwort von der Steuereinheit 3 über die Busleitung 4 an einen Sen
sor 1 übertragen, so wird das entsprechende Spannungssignal über den Pegel
wandler 13 in den Microcontroller eingelesen (Fig. 2). Dabei sorgt der Span
nungsregler 14 dafür, daß die Versorgungsspannung des Microcontrollers auf
einem fest vorgegebenen Wert liegt. Sobald das Datenwort im Microcontroller
eingelesen ist wird dort ein Stromimpuls erzeugt, welcher über den Ausgang des
Microcontrollers und den Widerstand 20 auf die Busleitung 4 ausgegeben wird.
Dieser Stromimpuls ist gleichzeitig auf den Sender 7 der Gabellichtschranke ge
führt, wodurch dieser für die Dauer des Stromimpulses aktiviert wird. Die
Länge des Stromimpulses wird abhängig vom Schaltzustand der Gabellicht
schranke gewählt. Hierzu wird vom Microcontroller das an dem entsprechenden
Eingang anstehende Empfangssignal des Empfängers 8 der Gabellichtschranke
abgefragt.
Der auf die Busleitung 4 ausgelesene Stromimpuls wird in der Steuereinheit 3
ausgewertet. Dort wird die Länge des Stromimpulses bewertet, woraus der
Schaltzustand des Sensors 1 auf einfache Weise rekonstruiert wird.
Wird ein Datenwort von der Steuereinheit 3 über die Busleitung 4 an einen
Aktor 2 übertragen, so wird das entsprechende Spannungssignal analog zum
Sensor 1 über den Pegelwandler 13 in den Microcontroller eingelesen (Fig. 3).
Der Spannungsregler 14 sorgt wiederum dafür, daß die Versorgungsspannung
des Microcontrollers auf einem fest vorgegebenen Wert liegt. Sobald das Daten
wort im Microcontroller eingelesen ist wird über den Ausgang des Microcon
trollers ein Stromimpuls definierter Länge auf den Magnetschalter 23 gegeben.
Dieser Stromimpuls wird als Antwort auf das ausgesendete Datenwort in der
Steuereinheit 3 ausgewertet und als Betätigung des Magnetschalters 23 regi
striert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Sen
soren 1 und Aktoren 2 des Sensor-Aktor-Bussystems zur Fadenbruchkontrolle
in Spinnmaschinen eingesetzt. Dabei sind jeweils sechzehn Sensoren 1 und
sechzehn Aktoren 2 an die Steuereinheit 3 angeschlossen. Jeweils ein Sensor 1
ist einem Aktor 2 zugeordnet. Die Sensoren 2 sind von Gabellichtschranken und
die Aktoren 2 von Magnetschaltern 23 mit jeweils der entsprechenden Aus
werteschaltung gebildet. Der Magnetschalter 23 dient zur Betätigung eines
Stoppers.
In der Spinnmaschine werden an mehreren Einzelstationen jeweils ein elasti
scher und ein nichtelastischer Faden miteinander verwoben, wobei die Fäden je
weils von Spulen abgewickelt werden. Jede Einzelstation wird von einer Gabel
lichtschranke und dem zugeordneten Magnetschalter 23 überwacht. Dabei wird
der nichtelastische Faden von der Gabellichtschranke überwacht, während der
elastische Faden im Eingriffsbereich des vom Magnetschalter 23 betätigten
Stoppers liegt.
Bei einem Fadenbruch eines nichtelastischen Fadens wird der Schaltzustand der
entsprechenden Gabellichtschranke geändert. Diese Schaltzustandsänderung wird
in der Steuereinheit 3 des Bussystems registriert, worauf die Steuereinheit 3 die
Betätigung des dem Sensor 1 zugeordneten Magnetschalters 23 auslöst, wodurch
der elastische Faden durch das Stopper gekappt wird. Damit können beide
Spulen des elastischen und des nicht elastischen Fadens nahezu gleichzeitig ge
stoppt und der Spinnprozeß unterbrochen werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können mehrere Steuerein
heiten 3 an ein übergeordnetes Bussystem angeschlossen sein. Das übergeord
nete Bussystem kann beispielsweise als ASI-Bussystem ausgebildet sein. Auf
diese Weise kann eine Vielzahl von Einzelspulen mittels einer Zentraleinheit
kontrolliert werden.
Claims (10)
1. Anordnung von mehreren binäre Schaltzustände aufweisenden Sensoren
und/oder Aktoren mit jeweils einem Schnittstellenbaustein zum bidirek
tionalen Austausch von Signalen über Busleitungen mit einer Steuerein
heit, wobei den Schnittstellenbausteinen Adressen zugewiesen sind, unter
welchen die Schnittstellenbausteine zyklisch abgefragt werden und in
welche die von der Steuereinheit ausgesandten Signale in Form von Da
tenworten eingelesen werden, wobei die Datenworte der ebenfalls über die
Busleitung übertragenen Versorgungsspannung in Form von Kodierungen
aufmoduliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Einlesen eines
Datenworts in den Schnittstellenbaustein (6) ein den Sensor (1) oder
Aktor (2) aktivierender Stromimpuls generiert wird, dessen Dauer vom
aktuellen Schaltzustand des Sensors (1) oder Aktors (2) abhängt, und daß
dieser Stromimpuls als Rückmeldung auf das eingelesene Datenwort an
die Steuereinheit (3) ausgegeben wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1)
von einer Gabellichtschranke mit einem Sender (7), einem Empfänger (8)
und einer Auswerteschaltung gebildet ist, wobei der Sender (7) vom
Schnittstellenbaustein (6) gesteuert wird und die am Ausgang des Emp
fängers (8) anstehenden Signale in den Schnittstellenbaustein (6) rückgele
sen werden.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Aktor (2) von einem Magnetschalter (23) mit einer Auswerteschaltung ge
bildet ist, welcher vom Schnittstellenbaustein (6) gesteuert wird und des
sen Ausgangssignal den Stromimpuls bildet, welcher auf die Busleitung
(4) ausgegeben wird.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schnittstellenbaustein (6) von einem Microcontroller gebildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adresse
eines Schnittstellenbausteins (6) durch an Ausgänge des Microcontrollers
angeschlossene Schalter (9a-9d) einstellbar ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schnittstellenbausteine (6) für die Sensoren (1) und Aktoren (2)
identisch aufgebaut sind, wobei über einen Schalter (10) die Betriebsart
für den Betrieb in einem Sensor (1) oder Aktor (2) einstellbar ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß
diese zur Fadenbruchkontrolle in Spinnmaschinen eingesetzt wird, wobei
jeweils N Gabellichtschranken und N Magnetschalter (23) an die Steuer
einheit (3) angeschlossen sind, wobei jeweils eine Gabellichtschranke
einem Magnetschalter, welcher ein Stopper betätigt, zugeordnet ist, so daß
bei Erkennung eines Fadenbruchs mittels einer Gabellichtschranke der im
Eingriffsbereich des zugeordneten Stoppers stehende Faden durch Betäti
gen des Magnetschalters (23) gekappt wird.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß, mit einer Ga
bellichtschranke ein nichtelastischer Faden überwacht wird, welcher mit
einem im Eingriffsbereich des zugeordneten Stoppers liegenden elasti
schen Faden versponnen wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils
16 Sensoren (1) oder Aktoren (2) an die Steuereinheit (3) angeschlossen
sind.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß
diese mehrere Steuereinheiten (3) umfaßt, welche an ein übergeordnetes
Bussystem angeschlossen sind.
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