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Die Erfindung betrifft ein Aktuator-Sensor-Interface-Slave mit zwei Anschlüssen zum Anschluss des Aktuator-Sensor-Interface-Slaves an eine Aktuator-Sensor-Interface-Leitung, mit einem Aktuator-Sensor-Interface-IC, mit einer Ein-/Ausgangsschaltung und mit mehreren Aus- und Eingängen zum Anschluss von Aktuatoren und/oder Sensoren.
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Vor mehreren Jahren haben eine größere Anzahl namhafter Aktuator-, Sensor- und Steuerungshersteller sowie zwei Hochschuleinrichtungen mit der industriellen Gemeinschaftsentwicklung eines Aktuator-Sensor-Interface-Systems begonnen, welches als AS-Interface-System bezeichnet wird; nachfolgend wird für Aktuator-Sensor-Interface stets abgekürzt AS-Interface gesagt. Das AS-Interface-System wird als neuartige Schnittstelle für die industrielle Kommunikation eingesetzt und belegt den Bereich unterhalb der bisherigen Feldbussysteme. Es verbindet analoge und/oder binäre Aktuatoren und Sensoren über eine Sammelleitung mit der ersten Steuerungsebene, z. B. einer SPS oder einem PC.
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Das AS-Interface-System besteht aus mehreren AS-Interface-Slaves, einem AS-Interface-Master und einer AS-Interface-Leitung. Kernstück des AS-Interface-Slaves ist ein AS-Interface-Chip mit einem AS-Interface-IC, mit dem die Aktuatoren bzw. Sensoren an die AS-Interface-Leitung digital angekoppelt werden. Der AS-Interface-Chip wird konstruktiv entweder in ein Modul eingebaut, an das dann konventionelle Aktuatoren und Sensoren angeschlossen werden, oder er wird direkt in den Aktuator bzw. Sensor eingebaut; es wird von Sensoren/Aktuatoren mit externem ASI bzw. mit integriertem ASI gesprochen. Der AS-Interface-Master bildet die Schnittstelle zwischen den Aktuatoren/Sensoren und dem Kern der Steuerung, beispielsweise einer SPS oder einem PC. Die AS-Interface-Leitung ist im Allgemeinen ein ungeschirmtes Zwei-Leiter-Flachbandkabel oder ein Standard-Rundkabel, über das gleichzeitig Energie und Signale übertragen werden. In jedem Abfragezyklus werden Informationen vom Master zu jedem Slave und zurück seriell übertragen. Sie können als Ein- oder als Ausgabedaten benutzt werden (vgl. ”ASI Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation”, W. Kriesel, O. W. Madelung, Carl Hanser Verlag München Wien, 1994).
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit AS-Interface-Slaves zum Anschluß von Sensoren/Aktuatoren mit externem ASI. Diese AS-Interface-Slaves weisen eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen auf, wobei diese galvanisch von der AS-Interface-Leitung getrennt sein müssen. Die galvanische Trennung zwischen der AS-Interface-Leitung, d. h. dem AS-Interface-Netz, und externen Geräten ist jedenfalls dann Pflicht, wenn mit einer externen Spannung für die externen Geräte, insbesondere für Aktuatoren, gearbeitet wird.
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Bei bekannten AS-Interface-Slaves erfolgt die galvanische Trennung entweder innerhalb der Ein-/Ausgangsschaltung oder zwischen dem AS-Interface-IC und der Ein-/Ausgangsschaltung (vgl. ”ASI Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation”, Seite 60, Bild 3.7). Als Trennbauelemente zur Realisierung der galvanischen Trennung werden dabei insbesondere Optokoppler verwendet, die bei geringer Anforderung an die Übertragungsgeschwindigkeit kostengünstig und als Mehrfachkoppler erhältlich sind. Da die Zykluszeit des AS-Interface-Systems beim Vollausbau eines Systems mit 31 Slaves bei 5 ms liegt, die Ausgangs- bzw. Eingangssignale an den AS-Interface-Slaves somit nur alle 156 μs übertragen werden, sind derartige ”Standard-Optokoppler” ausreichend. Soll das AS-Interface-Slave mehrere Ein- und Ausgänge aufweisen, sind bei den bisherigen AS-Interface-Slaves auch mehrere Optokoppler erforderlich. Dadurch treten zum einen Platzprobleme auf, wenn eine in der Regel festgelegte Größe für das Gehäuse des AS-Interface-Slaves nicht überschritten werden soll, erhöhen sich zum anderen mit der Anzahl der notwendige Optokoppler auch die Kosten für das AS-Interface-Slave. Diese Probleme erhöhen sich zum einen mit der Anzahl der Ein-/Ausgänge des AS-Interface-Slaves, zum anderen mit der Anforderung, auch schnellere Signale von hochfrequenten Sensoren auswerten zu können, da dann teurere Optokoppler mit einer größeren Bandbreite von beispielsweise 1 Mhz verwendet werden müssen, die nur als Einfachkoppler erhältlich sind.
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Im Übrigen ist eine störsichere und leistungsarme Übertragungseinrichtung für die Anlagenautomatisierung zur Steuerung und Überwachung von Feldgeräten bekannt (vgl. die
DE 39 27 973 A1 ), bei der elektronische Einrichtungen vorgesehen sind, an die jeweils nur ein Feldgerät anschließbar ist. Bei dieser bekannten Übertragungseinrichtung werden durch Kondensatoren auf eine Leitung aufmodulierte Daten kapazitiv ausgekoppelt, die Kondensatoren führen jedoch nicht zur einer galvanischen Trennung zwischen der Leitung einerseits und einer Stromwandlerschaltung, einem MODEM-Gerät, einem Mikrokontroller und dem Feldgerät andererseits. Die elektronische Einrichtung ist nämlich nicht nur über zwei Kondensatoren mit der Leitung verbunden, sondern zunächst und um wesentlichen über zwei zu der Stromwandlerschaltung führende Anschlüsse. Da die Stromwandlerschaltung mit dem MODEM-Gerät und dem Mikrokontroller und dieser wiederum mit dem Feldgerät verbunden ist, findet bei der bekannten Übertragungseinrichtung keine galvanische Trennung zwischen der Leitung und dem Feldgerät statt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene AS-Interface-Slave derart weiterzuentwickeln, dass auch der Anschluss von einer Vielzahl von Aktuatoren oder/und Sensoren kostengünstig möglich ist, insbesondere auch der Anschluss von Sensoren mit hochfrequenten Sensorsignalen.
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Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gelöst, dass zwischen den Anschlüssen und dem Aktuator-Sensor-Interface-IC ein Trennbauelement zur galvanischen Trennung zwischen der Aktuator-Sensor-Interface-Leitung und den Aktuatoren und/oder Sensoren vorgesehen ist. Durch die Verlagerung des Trennbauelements vor den AS-Interface-IC ist unabhängig von der Anzahl der Ein- bzw. Ausgänge nur noch ein einziges Trennbauelement erforderlich.
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Als Trennbauelement wird vorzugsweise ein Transformator verwendet, wobei dem Transformator ein Gleichspannungsentkopplungsnetzwerk, insbesondere ein Kondensator, in Reihe vorgeschaltet ist. Der Transformator muss dabei eine Durchschlagfestigkeit von mindestens 500 V zwischen der Primärseite- und der Sekundärseite haben. Da dem AS-Interface-Informationssignal eine Gleichspannung von z. B. ca. 30 V überlagert ist, wird dem Transformator der Kondensator als Gleichspannungsentkopplungsnetzwerk in Reihe vorgeschaltet. Der Transformator, der nur einen geringen Gleichstromwiderstand hat, liefert somit einen hinsichtlich der Mindestimpedanz ausreichend hohen Wechselstromwiderstand und der Kondensator – der nur einen geringen Wechselstromwiderstand hat – liefert den ausreichend hohen Gleichstromwiderstand.
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Vorteilhafterweise wird dem Kondensator eine LED und eine Diode parallel geschaltet. Die LED dient dabei als Indikator, um dem Benutzer den korrekten Anschluss des AS-Interface-Slaves an die AS-Interface-Leitung zu signalisieren, während die Diode als Verpolschutz für die LED dient.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das AS-Interface-Slave zusätzlich zu den beiden Anschlüssen zum Anschluss an eine Aktuator-Sensor-Interface-Leitung zwei Anschlüsse für eine externe Spannungsquelle auf. Diese externe Spannungsquelle dient dann zum einen zur Versorgung aller Schaltungsteile des AS-Interface-Slaves, insbesondere des AS-Interface-ICs, zum anderen zur Versorgung der an die Ausgänge des AS-Interface-Slaves angeschlossenen Aktuatoren.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere dann, wenn keine externe Spannungsquelle vorgesehen ist, nicht nur das AC-Nutzsignal sondern auch die Versorgungsgleichspannung von der Primärseite auf die Sekundärseite transformiert werden. Als Trennbauelement kann dann ein DC-DC-Wandler mit galvanischer Trennung oder ein Optokoppler verwendet werden.
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Im Einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße AS-Interface-Slave auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine Schaltungsskizze eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen AS-Interface-Slaves und
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2 eine Variante eines Teils der Schaltung gemäß 1.
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1 zeigt eine Schaltungsskizze eines AS-Interface-Slaves 1 als Teil eines AS-Interface-Systems. Der AS-Interface-Slave 1 ist über zwei Anschlüsse 2, 3 mit einer AS-Interface-Leitung 4 verbunden, die den AS-Interface-Slave 1 mit einem AS-Interface-Master 5 verbindet. Über die AS-Interface-Leitung 4 wird sowohl die Energieverteilung an die einzelnen AS-Interface-Slaves 1 als auch der Datenverkehr vom AS-Interface-Master 5 zum AS-Interface-Slave 1 bzw. umgekehrt abgewickelt. Hierzu ist die AS-Interface-Leitung 4 mit einem Netzwerk 6 verbunden. Kernstück des AS-Interface-Slaves 1 bzw. des die Elektronik aufnehmenden AS-Interface-Chips ist das AS-Interface-IC 7. Das AS-Interface-IC 7 ist mit einer Ausgangsschaltung 8 und einer Eingangsschaltung 9 verbunden, die wiederum mit Ausgängen 10 bzw. mit Eingängen 11 verbunden sind und an die Aktuatoren 12 bzw. Sensoren 13 angeschlossen werden können.
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Zur galvanischen Trennung zwischen der AS-Interface-Leitung 4 und den Aktuatoren 12 bzw. Sensoren 13 ist ein Transformator 14 zwischen den Anschlüssen 2, 3 und dem AS-Interface-IC 7 angeordnet. Der Transformator 14 überträgt somit das auf der AS-Interface-Leitung 4 aufmodulierte AC-Datensignal. Da der Transformator 14 nur einen sehr geringen Gleichstromwiderstand hat, ist dem Transformator 14 ein Kondensator 15, welcher einen hohen Gleichspannungswiderstand hat, zur Gleichspannungsentkopplung in Reihe vorgeschaltet.
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Dem Kondensator 15 ist eine LED 16 und eine Diode 17 parallel geschaltet, wobei die LED 16 als Indikator dient, um dem Benutzer den korrekten Anschluss des AS-Interface-Slaves 1 an die AS-Interface-Leitung 4 zu signalisieren. Die Diode 17 dient lediglich als Verpolschutz für die LED 16. Ein Aufleuchten der LED 16 zeigt dem Benutzer somit die Betriebsbereitschaft des AS-Interface-Slaves 1 und das Vorhandensein von DC-Spannung auf der AS-Interface-Leitung 4.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das AS-Interface-Slave 1 zusätzlich zwei Anschlüsse 18, 19 zum Anschluss einer externen Spannungsquelle auf. Eine solche externe Spannungsquelle mit z. B. 24 V wird in der Regel dann benötigt, wenn das AS-Interface-Slaves 1 mehrere Ausgänge 10 und mehrere Eingänge 11 aufweist, an die mehrere Aktuatoren 12 und Sensoren 13 angeschlossen werden sollen, wobei insbesondere die Aktuatoren 12 häufig eine höhere Stromaufnahme brauchen als ihnen über die AS-Interface-Leitung 4 zur Verfügung gestellt werden kann. Zur Hochfrequenzentkopplung der externen Spannungsquelle von der AS-Interface-Leitung 4 sind Induktivitäten 20, 21 vorgesehen.
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Im übrigen ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Transistor 22 vorgesehen, der zur Einhaltung der Impedanz des AS-Interface-Slaves 1 bei Ausfall der externen Spannung dient, weil bei Wegfall dieser externen Spannung die geringe Impedanz des AS-Interface-ICs 7 im AS-Interface-Netz, d. h. an den Anschlüssen 2, 3 wirksam würde. Hierdurch würde das AS-Interface-Netz unter Umständen unzulässig belastet.
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Im Ausführungsbeispiel vorgesehene Zener-Dioden 23, 24 und 25 dienen als Schutzbeschaltung für das AS-Infterface-IC 7 bei transienten Spannungsimpulsen. Die Zener-Diode 23 sperrt positive Störspannungsspitzen, während die Zener-Diode 24 negative Störspannungsspitzen begrenzt. Durch die Zener-Diode 25 wird die Spannung an der Anode der Zener-Diode 24 auf minimal –0,7 V und maximal +39 V begrenzt. Dadurch liegen am Pluseingang 26 des AS-Interface-ICs 7 minimal 0 V – und somit mehr als die zulässigen 0,5 V – an.
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Ein im Ausführungsbeispiel eingangsseitig vorgesehenes Filter 27 dient ebenso wie die Induktivitäten 20 und 21 zur Hochfrequenzentkopplung der externen Spannungsquelle.
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Schließlich dient ein Kondensator 28 zur Stabilisierung der Spannung der im Einzelnen nicht dargestellten externen Spannungsquelle, die an die zusätzlichen Anschlüsse 18, 19 angeschlossen bzw. anzuschließen ist. Stabilisierung meint dabei, dass beim Senden von – von den Sensoren 13 kommenden – Sendeimpulsen unerwünschte Spannungseinbrüche vermieden werden.
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2 zeigt einen Teil der in 1 dargestellten Schaltungsskizze des erfindungsgemäßen AS-Interface-Slaves 1. Der Unterschied zwischen der Schaltung gemäß 1 und der Schaltung gemäß 2 besteht darin, dass bei der Schaltung gemäß 2 der Kondensator 28 dem Transformator 14 und dem AS-Interface-IC 7 parallel geschaltet ist. Auch bei dieser Schaltung dient der Kondensator 28 zur Stabilisierung der Spannung der externen Spannungsquelle, wie zuvor erläutert.
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Das erfindungsgemäße AS-Interface-Slave 1 ist besonders in vorteilhafter Weise einsetzbar bei einer Ausführung eines AS-Interface-Slaves 1 mit mehreren Eingängen 10 und mehreren Ausgängen 11, wobei die Eingänge 10 zum Anschluss von Sensoren 13 mit hochfrequenten Signalen, beispielsweise zum Anschluss von Drehgebern mit 200 kHz-Signalen vorgesehen sind. Insbesondere kann ein solches AS-Interface-Slave 1 vier normale Eingänge, vier schnelle Eingänge für Drehgeber und vier Ausgänge aufweisen.
