DE19649980A1 - Dezentrale I/O-Anordnung für Steuerungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dezentrale I/O-Anordnung für Steuerungen.

SPS- und CNC-Steuerungen werden für die Steuerung von Prozessen und Maschinen verwendet. Diese Steuerungen weisen Ein-/Ausgangsmodule auf, deren Ein- und/oder Ausgänge mit der zu steuernden Maschine über Kabel bzw. Leitungen verbunden sind. Bei der Inbetriebnahme und beim Auftreten von Fehlern muß das Bedienpersonal sowohl an der Steuerung als auch an den Maschinen präsent sein, d. h. es werden mindestens zwei Bedien­ personen benötigt, wobei eine Person an der Steuerung die notwendigen Parameter einstellt bzw. verändert und die andere Person die Wirkung der Einstellung der Parameter an den Maschinen überprüft. Dies ist somit sowohl hinsichtlich des benötigten Personals als auch der benötigten Zeit sehr aufwendig.

In letzter Zeit werden für Steuerungen sogenannte de­ zentralisierte I/O-Anordnungen verwendet, bei denen I/O-Module entfernt von der eigentlichen Steuerung in der Nähe der zu steuernden Maschine bzw. Prozesse angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß zwischen der eigentlichen Steuerung und den I/O-Modulen ein Feldbus verwendet werden kann und die Vielzahl der Leitungen, die zwischen den Ein/Ausgängen der I/O-Module und den zu steuernden Maschinen benötigt wird, eine geringere Länge aufweist, wodurch Material ein­ gespart wird. Auch bei dieser dezentralen Anordnung verbleibt jedoch das oben erwähnte Problem bei der Inbetriebnahme und bei der Überprüfung der Anlage nach Fehlern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine dezentrale I/O-Anordnung für Steuerungen zu schaffen, mit der die Inbetriebnahme und Diagnose vereinfacht wird und auch ungeschultes Personal verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptan­ spruchs gelöst. Dadurch, daß das Buskopplermodul, das mit den nebeneinanderliegenden I/O-Modulen zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist, eine Steuer- und Dia­ gnoseeinrichtung aufweist, die eine Eingabeeinheit zur Auswahl von unterschiedlichen Arbeitsmodi und zum Ansteuern von Ein-/Ausgängen der I/O-Module umfaßt, wird eine Möglichkeit zur Verfügung gestellt, bei der die Inbetriebnahme und Diagnose von einer Person vor­ genommen werden kann, wobei gleichzeitig eine quali­ tativ höhere Bedienbarkeit für den Anwender, speziell für ungeschultes Personal ermöglicht wird.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Die Steuereinrichtung des Buskopplermoduls bietet mehrere Arbeitsmodi, um Installationsprobleme, Ver­ drahtungsfehler oder auch Kommunikationsprobleme mit der Steuerung ohne zusätzliche Hilfsmittel zu besei­ tigen. An der Anzeigeeinheit am Buskoppler können sowohl Busadressen als auch Fehlermeldungen und In­ formationen der Arbeitsmodi angezeigt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische schaltungsgemäße Ausgestaltung der dezentralen I/O-An­ ordnung, und

Fig. 2 eine Darstellung der Gehäuseoberseiten der dezentralen I/O-Anordnung.

Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte I/O-Anordnung besteht aus einem Buskopplermodul 1 und mehreren I/O-Modulen 2, wobei die Module 1, 2 auf einer Schiene derart montiert sind, daß, wie in den Figuren darge­ stellt, das Buskopplermodul den linken Abschluß eines I/O-Systems bildet, während die I/O-Module 2 rechts an den Buskoppler 1 angereiht sind. Dabei hängt die Anzahl der I/O-Module von der speziellen Anwendung sowie von dem Strombedarf der Bauelemente der I/O-Module ab. Das Buskopplermodul 1 stellt die Verbin­ dung zwischen den I/O-Modulen und einem Feldbus 3 her, der mit einer nicht dargestellten Steuerung ver­ bunden ist. Wesentliche Bestandteile des Buskoppler­ moduls 1 ist ein Mikroprozessor 4, der in bekannter Weise eine CPU sowie entsprechende Speicher aufweist, und ein ASIC 5, der die Verbindung zwischen dem Mi­ kroprozessor 4 und dem Feldbus 3 herstellt, wobei entsprechend den üblicherweise verwendeten unter­ schiedlichen Feldbussen unterschiedliche ASICs 5 ver­ wendet werden. Weiterhin ist ein Netzteil 6 vorgese­ hen, das den Mikroprozessor 4 und den ASIC 5 sowie die elektronischen Bauelemente der I/O-Module mit der Versorgungsspannung versorgt. Weiterhin ist der Mi­ kroprozessor 4 mit einer vierstelligen 7-Segment-An­ zeige 7 zur Anzeige der eingestellten Busadressen des Buskopplers 1 sowie zur Anzeige von Fehlermeldungen und Informationen zu den Arbeitsmodi sowie mit vier Leuchtdioden 8 für die Anzeige der Arbeitsmodi ver­ bunden. Weiterhin ist in dem Buskopplermodul 1 eine mit dem Mikroprozessor 4 verbundene Eingabeeinheit 9 in Form einer sechsteiligen Tastatur angeordnet, die zur Bedienung während der Arbeitsmodi und zur Ein­ stellung der Busadressen dient.

Die I/O-Module 2 sind mit dem Buskopplermodul 1 über einen Systembus 10 verbunden, der als synchroner Schiebering ausgeführt ist. Der Systembus 10 wird jeweils über einen nicht dargestellten Leiterplatten­ schieber auf die Leiterplatte des jeweiligen I/O-Mo­ duls 2 geführt, wobei die nicht dargestellte Leiter­ platte dazu auf der linken und rechten Seite jeweils acht Leiterbahnkontakte aufweist, die über einen Schieber von einer Leiterplatte zur nächsten ge­ schlossen werden können. Jedes I/O-Modul weist eine gleichfalls als ASIC ausgebildete Schaltung 11 auf, die eine Umsetzung der jeweils für das I/O-Modul im seriellen Datenstrom vorhandenen seriellen Daten in den einzelnen Ein-/Ausgängen zugeordneten Daten vor­ nimmt und umgekehrt.

Die I/O-Module 2 sind in ihrem äußeren Aufbau bis auf die farbliche Gestaltung der Anschlußklemmen gleich ausgebildet, wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sie kön­ nen jedoch entsprechend ihrer jeweiligen Beschaltung in unterschiedlichen Funktionen genutzt werden. Bei­ spielsweise können die I/O-Module 2 als reines Ein- oder Ausgangsmodul für digitale oder analoge Signale mit acht oder sechzehn Ein-/Ausgängen oder als Kom­ binationsmodul ausgebildet sein. Die Ein-/Ausgänge der I/O-Module müssen mit 24 V versorgt werden. Dieses kann über eine separate Einspeisung am I/O-Modul oder über Kabelbrücken erfolgen, die jeweils vom links benachbarten Modul auf das I/O-Modul gelegt werden. Bei analogen I/O-Modulen liegen die generierten Span­ nungen für die Ausgänge und die angelegten Spannungen für die Analogeingänge jeweils im Bereich von ±10 V. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist das Buskoppler­ modul drei Klemmpunkte 13, 14, 15 für die Einspeisung von +24 V, O V und PE auf, von denen ausgehend die I/O-Module 2 über Kabelbrücken versorgt werden kön­ nen, falls der Anwender keine separate Einspeisung in die I/O-Module wünscht. Die analoge Spannung für die analogen Ein-/Ausgänge wird aus den 24 V hergeleitet.

Entsprechend Fig. 2 sind vier Kontaktleisten 12 je­ weils versetzt zueinander übereinander angeordnet, wobei die Versetzung den Anschluß der verschiedenen Kabel erleichtert. Die I/O-Module 2 in Fig. 2 weisen jeweils sechzehn Ein-/ bzw. Ausgänge (16 Kanäle) auf und die unteren Anschlußleisten 12 liegen entspre­ chend jeweils auf Masse oder 24 V. Die Signale von den Eingängen 16 zu der Schaltung 11 bzw. von der Schaltung 11 zu den Ausgängen 16 werden über einen in Fig. 1 dargestellten Optokoppler 17 geführt, um eine galvanische Trennung zwischen dem 24 V-Bereich und dem Spannungsversorgungsbereich von 5 V zu realisie­ ren.

Jedes I/O-Modul 2 besitzt eine Anzeige 18, bestehend aus unterschiedlichen Leuchtpunkten, wobei die Zahl der Leuchtpunkte der Zahl der Ein-/Ausgänge 16, d. h. der Kanäle, entspricht. Es gibt jedoch nicht nur di­ gitale I/O-Module mit 16 Eingängen oder 16 Ausgängen, sondern auch mit 8 Kombikanälen in 4-Leitertechnik, d. h. unter anderem, daß bei einem 8-fach Kombimodul nur jeder zweite der Leuchtpunkte an der Gehäuseober­ fläche einem I/O Kanal zugeordnet ist. Bei Analog-I/O-Modulen gibt es gar nur 4 I/O Kanäle.

Jedem E/A-Kanal sind zwei LEDs auf der zugehörigen Leiterplatte zugeordnet, deren Strahlung über einen verzweigten Kunststofflichtleiter zu einem Leucht­ punkt an der Gehäuseoberfläche zusammengefaßt wird. Dabei sitzt zu jedem Kanal eine grüne Leuchtdiode auf der 24 V-Seite der Elektronik, die durch die Schalt­ signale zwangsgeschaltet wird, und eine weitere (orange) auf der 5 V-Seite, die wahlfrei von der Schaltung 11 ein- und ausgeschaltet werden kann. Es sind zwei weitere Leuchtpunktanzeigen 19, 20 auf dem I/O-Modul 2 vorhanden, die zur Sammeldiagnose der Spannungsversorgung bzw. zur Anzeige des Betriebes dienen.

Der Mikroprozessor 4 des Buskopplermoduls 1 nimmt unterschiedliche Steuerungen vor, er versorgt den jeweiligen Feldbus ASIC 5 mit I/O-Daten und Initiali­ sierungsinformationen (z. B. Busadressen), er steuert den internen Systembus 10 zur Kommunikation mit den I/O-Modulen 2, er nimmt die Ablaufsteuerung der Dia­ gnosemodi vor, liest die Tastaturinformationen von der Eingabeeinheit 9 ein und steuert die Arbeitsmodi LEDs 8 und die 7-Segment-Anzeige 7 an.

Beim Einschalten der dezentralen I/O-Anordnung geht der Mikroprozessor 4 auf den normalen Betriebsmodus RUN, wobei vorher jedoch ein Initialisierungszyklus durchgeführt wird, bei dem beispielsweise festge­ stellt wird, ob und wieviel I/O-Module 2 vorgesehen sind und ob das jeweils geprüfte Modul das letzte in der Reihe ist. Diese Erkennung dient als Entschei­ dungsgrundlage, ob der serielle Bus 10 in diesem Mo­ dul 2 geschlossen werden muß. Beim Initialisierungs­ zyklus sendet jedes I/O-Modul bzw. die Schaltungsan­ ordnung 11 einen Identifier an den Buskoppler. Die Steuereinrichtung 4 kann an der Anzahl und der Art der Identifier die Anzahl der I/O-Module und deren Ausprägung (digital oder analog, 8 Kanäle, 16 Kanäle, Input oder Output) erkennen. Erhält ein I/O-Modul kein Identifier im Datenstrom vom linken Nachbarmo­ dul, so ist es das am weitesten rechts sitzende und seine Schaltungsanordnung 11 schließt daraufhin auto­ matisch den Schiebering.

In dem normalen Betriebsmodus RUN werden die vom Feldbus 3 gelesenen OUT-Daten auf die Ausgänge 16 der I/O-Module geschaltet und die von den Eingängen 16 gelesenen IN-Daten dem Feldbus 3 zur Verfügung ge­ stellt.

Weiterhin gibt es drei Diagnosemodi FORCE, TRIGGER und LOCK, die über die Anzeigeelemente 8 am Buskopp­ lermodul 1 anzeigbar sind. Aus dem RUN-Modus kann nur durch Drücken einer Modustaste 21, die Bestandteil der Eingabeeinheit 9 ist, gewechselt werden. Die Dia­ gnosemodi werden durch aufeinanderfolgendes Tasten der Modustaste 21 angewählt, wobei sie dabei nicht sofort aktiviert werden. Die Aktivierung geschieht durch eine OK-Taste 22, wodurch verhindert wird, daß durch das sequentielle Durchtasten bis zum gewünsch­ ten Modus Zwischenzustände sofort aktiv werden.

Der Diagnosemodus FORCE dient zum Zwangsschalten von einzelnen Ausgängen 16 auf den I/O-Modulen 2. Zu die­ sem Zwangsschalten von Ausgängen ist kein Feldbusan­ schluß notwendig. Die einzelnen Kanäle der I/O-Module können durch wiederholtes Drücken der Kanaltasten 23 in die eine oder die andere Richtung angewählt werden und der Wert der Ausgänge 16 kann über die Werttasten 24 eingestellt werden. Bei Digitalausgängen kann der Wert mittels der Werttasten 24 auf "Geschaltet" oder "Nicht geschaltet" eingestellt werden, während bei Analogausgängen der Ausgabewert mit den Werttasten 24 innerhalb des zulässigen Wertebereichs, hier von ±10 V, auf 10 mV genau eingestellt werden. Die einge­ stellten Werte werden durch die OK-Taste 22 akti­ viert.

Ein weiterer Diagnosemodus ist der TRIGGER-Modus, wobei ein oder mehrere Digitaleingänge über die Ka­ naltasten 23 angewählt werden und nach der Bestäti­ gung durch die OK-Taste 22 ist dieser Eingang als Triggereingang definiert. Wird nach der Aktivierung der Triggereingang auf 24 V gelegt, speichert der Speicher des Mikroprozessors 4 die letzten zehn Ein­ gangs- und Ausgangsabbilder, d. h. die Spannungszu­ stände der Ein-/Ausgänge 16 aller I/O-Module 2, ab.

Die vorher im RUN Modus ständig anfallenden Ein-/Aus­ gangsabbilder werden in einem von der Steuersoftware verwalteten Ringspeicher im RAM der Steuereinrichtung 4 gespeichert. In dem getriggerten Zustand kann sich der Anwender die gespeicherten Daten der I/O-Module 2, d. h. die anliegenden Spannungswerte, durch Betäti­ gen der Kanaltasten 23 in die eine und andere Rich­ tung ansehen und Rückschlüsse auf eventuelle Fehl­ funktionen seiner Anlage ziehen.

Ein weiterer Diagnosemodus ist der LOCK-Modus, durch den einer oder mehrere Ein- oder Ausgänge gesperrt werden können. Die Kanäle werden über die Kanaltasten 23 angewählt und über die OK-Taste 22 bestätigt und nach der Rückkehr in den normalen Betriebsmodus RUN werden die Ausgänge nicht mehr geschaltet und die Eingänge nicht mehr in das Prozeßabbild übernommen bzw. an den Feldbus 3 weitergeleitet.

Die Leuchtpunktanzeigen 18 der I/O-Module unterstüt­ zen die Darstellung der einzelnen Arbeitsmodi durch unterschiedliche Anzeigezustände, beispielsweise leuchtet der jeweilige Kanal grün, wenn der Ein-/Aus­ gang geschaltet bzw. ein Signal hat. Entsprechend kann bei den anderen Arbeitszuständen das LED der zweiten Wellenlänge leuchten oder zwei LEDs mit un­ terschiedlichen Wellenlängen leuchten gleichzeitig, eine andere Möglichkeit ist, die Leuchtpunktanzeigen blinkend zu gestalten und so weiter.

Zur Vereinfachung der Bedienbarkeit wird die Klemmen­ belegung des Buskopplers 1 und der Anschlußleisten 12 der I/O-Module 2 eindeutig farblich gekennzeichnet werden, wodurch Verkabelungsfehler verringert werden.

Claims (14)

1. Dezentrale I/O-Anordnung für Steuerungen mit einem Buskopplermodul (1), das über einen Feld­ bus (3) mit der Steuerung verbunden ist, und mindestens einen mit dem Buskopplermodul (1) über einen Systembus (10) verbundenen I/O-Modul, die nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei das Buskopplermodul (1) eine Steuereinrichtung (4) zur Übertragung von Daten in einem seriellen Datenstrom von dem Feldbus (3) zu dem mindestens einem I/O-Modul (2) und umgekehrt und das minde­ stens eine I/O-Modul (2) eine Schaltungsanord­ nung (11) zum Weiterleiten von Daten aus dem seriellen Datenstrom an die Ausgänge (16) des I/O-Moduls (2) bzw. von dessen Eingängen in den seriellen Datenstrom aufweisen, und wobei die Steuereinrichtung (4) eine Diagnoseeinrichtung umfaßt, die eine Eingabeeinheit (9) zur Auswahl von unterschiedlichen Arbeitsmodi und zum An­ steuern von Ein-/Ausgängen (16) des I/O-Moduls (2) aufweist.

2. I/O-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Buskopplermodul (1) eine An­ zeigeeinheit (7,8) aufweist, die mit der Steuer­ einrichtung (4) verbunden ist und Informationen über die Arbeitsmodi anzeigt.

3. I/O-Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmodi einen Be­ triebsmodus und Diagnosemodi umfassen.

4. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem ersten Diagnosemodus vorwählbare Ausgänge des I/O-Mo­ duls (2) über die Eingabeeinheit (9) auf defi­ nierte Spannungswerte schaltbar sind.

5. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zweiten Diagnosemodus ein oder mehrere Eingänge des I/O-Moduls über die Eingabeeinheit (9) durch vorgeb­ bare Bedingungen als Triggereingänge definierbar sind.

6. I/O-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Erreichen der Bedingung durch mindestens einen Eingang im zweiten Diagnosemo­ dus die Steuereinrichtung (4) eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Zuständen der Ein-/Ausgänge der I/O-Module (2) speichert, die bei Betätigen der Eingabeeinheit nacheinander anzeigbar sind.

7. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dritten Diagnosemodus ein oder mehrere Ein-/Ausgänge des I/O-Moduls (2) zu sperren sind und anschließend im normalen Betriebsmodus nicht aktiviert wer­ den.

8. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Systembus (10) als Schiebering ausgebildet ist.

9. I/O-Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltungsanordnung (11) des I/O-Moduls erkennt, ob noch ein weiteres I/O-Modul nachgeschaltet ist oder nicht.

10. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die I/O-Module mit digitalen und/oder analogen Ein-/Ausgängen ver­ sehen sind.

11. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinheit des Buskopplermoduls (1) eine Ziffern-/Buchsta­ benanzeige und eine Mehrzahl von Leuchtpunktan­ zeigen für die verschiedenen Arbeitsmodi auf­ weist.

12. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das I/O-Modul (2) eine Mehrzahl von Leuchtpunktanzeigen (18) auf­ weist, die jeweils einem Ein-/Ausgang zugeordnet sind und dessen jeweiligen Zustand in den unter­ schiedlichen Arbeitsmodi anzeigen.

13. I/O-Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Leuchtpunktanzeige (18) min­ destens zwei Leuchtdioden unterschiedlicher Wel­ lenlänge und von den Leuchtdioden zur Frontflä­ che des I/O-Moduls (2) geführte Lichtleiter auf­ weist, wobei je nach Arbeitsmodus die Leuchtdio­ den einzeln oder gemeinsam kontinuierlich oder sequentiell angesteuert werden.

14. I/O-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanord­ nung (11) jedes I/O-Moduls eine Optokoppleran­ ordnung (17) zur galvanischen Trennung der Schaltungsanordnung von den Ein-/Ausgängen aufweist.