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Die
Erfindung betrifft ein ASI-System zum Anschluß mehrerer Sensoren und/oder
Aktuatoren an eine Steuerung, mit einem ASI-Master, mit mehreren
ASI-Slaves und mit einer ASI-Leitung, wobei die ASI-Leitung die
ASI-Slaves mit dem ASI-Master und untereinander verbindet und wobei über die
ASI-Leitung Adreßbits und
Informationsbits enthaltenen Signale seriell vom ASI-Master an die ASI-Slaves
und Informationsbits enthaltenden Signale seriell von den einzelnen
ASI-Slaves an den ASI-Master übertragen werden.
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Im
Jahre 1990 haben eine größere Anzahl namhafter
Aktuator-, Sensor- und Steuerungshersteller mit der industriellen
Gemeinschaftsentwicklung eines Aktuator-Sensor-Interface-Systems
begonnen, welches als AS-Interface-System oder im folgenden stets
als ASI-System bezeichnet wird. Das ASI-System wird als neuartige
Schnittstelle seit 1994 für
die industrielle Kommunikation eingesetzt und belegt den Bereich
unterhalb der bisherigen Feldbussysteme. Es verbindet insbesondere
binäre
Sensoren und Aktuatoren, aber auch analoge Sensoren über einen
gemeinsamen Bus mit der ersten Steuerungsebene, z. B. einer SPS
oder einem PC. Das ASI-System ist international genormt durch die
Normen EN 50295 und IEC 62026-2 (vgl. "AS-Interface Die Lösung in der Automation", Rolf Becker, et.
al AS-International Association, 2002).
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Das
ASI-System besteht aus einem ASI-Master, mehreren ASI-Slaves und
einer ASI-Leitung. Ein wesentlicher Bestandteil des ASI-Systems ist
der ASI-Slave, der in den Regel als ASI-Chip realisiert ist und
mit dem die Aktuatoren bzw. Sensoren an die ASI-Leitung digital
angekoppelt werden. Der ASI-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. Der ASI-Master bildet die Schnittstelle zwischen den
Aktuatoren bzw. Sensoren und dem Kern der Steuerung, beispielsweise
einer SPS oder einem PC (vgl. "AS-Interface
Die Lösung
in der Automation",
Seite 53 ff).
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Als
ASI-Leitung wird ein ungeschirmtes Zweileiter-Flachbandkabel (2×1,5 mm2) oder ein Standard-Rundkabel verwendet, über das
gleichzeitig Signale und Energie übertragen werden. Die ASI-Leitung
dient damit einerseits der Energieversorgung der Slaves (und damit
auch der an die Slaves angeschlossenen Aktuatoren und Sensoren)
sowie der Energieversorgung des Masters, andererseits der Datenübertragung
zwischen den Slaves untereinander sowie zwischen den Slaves und
dem Master (vgl. "AS-Interface
Die Lösung
in der Automation", Seite
56 -60). Die herkömmliche
(Standard) ASI-Leitung ist das nichtgeschirmte und nicht verdrillte
Zweileiter-Flachbandkabel, das eine normierte Mantelfarbe (gelb)
und einen geometrisch kodierten Querschnitt aufweist. Da die Lage
der Leiter im Kabel festliegt und keine Abschirmung hinderlich ist,
lassen sich die Leiter mittels Durchdringungstechnik einfach kontaktieren.
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Die
meisten ASI-Slaves entnehmen ihre Betriebsenergie direkt der herkömmlichen
ASI-Leitung. Reicht die hierüber
zur Verfügung
gestellte Energie nicht aus, dann wird ein zweiter Versorgungskreis
zur Verfügung
gestellt. Für
diesen Fall der Zusatzversorgung gibt es eine schwarze Version der
ASI-Leitung, die Versorgungsspannungen bis 30 V DC vorbehalten ist,
aber ebenso einfach kontaktiert werden kann, wie die herkömmliche
gelbe ASI-Leitung. Auch für
die schwarze ASI-Leitung wird zumeist ein ungeschirmtes Zweileiter-Flachbandkabel
verwendet, das dann ebenfalls mittels Durchdringungstechnik kontaktiert werden
kann.
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Zur
Versorgung des ASI-Systems ist in der Regel ein ASI-Netzgerät vorgesehen.
Das ASI-Netzgerät
hat dabei mehrere Aufgaben. Zum einen dient es der – zuvor
bereits beschriebenen – Energieversorgung
der ASI-Slaves sowie eines Teils des ASI-Masters über die
ASI-Leitung. Hierzu stellt es eine DC-Spannung von 29,5 bis 31,6
V bei Strömen bis
zu 8 A zur Verfügung.
Zum zweiten dient das ASI-Netzgerät zur Symmetrierung
des ASI-Netzes, wozu in dem ASI-Netzgerät eine entsprechende Symmetrieschaltung
vorgesehen ist. Schließlich dient
das ASI-Netzgerät auch der
Datenentkopplung. Hierzu wird ein Datenentkopplungsnetzwerk mit
zwei Induktivitäten
und zwei parallel geschalteten Widerständen verwendet.
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Zur
gleichzeitigen Übertragung
der Signale und der Energie über
die ASI-Leitung ist ein spezielles Modulationsverfahren entwickelt
worden, welches den zahlreichen Anforderungen des ASI-Systems in
besonderer Weise genügt.
Das Nachrichtensignal, das der Energieversorgung der ASI-Slaves überlagert
wird, muß gleichstromfrei
und relativ schmalbandig sein und darf zudem nicht in unzulässiger Weise
elektromagnetisch abstrahlen. Aus diesen Gründen ist als Modulationsverfahren
eine Alternierende Puls Modulation (APM) ausgewählt worden, wobei die Sende-Bitfolge
zunächst
in eine Manchester-codierte (MAN-codierte)
Bitfolge umcodiert wird, die bei jeder Änderung des Sendesignals eine Phasenänderung
vornimmt. Aus der codierten Bitfolge wird dann ein Sendestrom erzeugt,
aus dem dann durch Differentiation der gewünschte Signalspannungspegel
auf der ASI-Leitung erzeugt wird. Auf der Empfangsseite werden diese
Spannungssignale auf der Leitung detektiert und wieder in die gesendete Bitfolge
zurückgewandelt.
Wenn dabei die Spannungspulse näherungsweise
wie sin2-Pulse
geformt werden, wird gleichzeitig auch den Forderungen nach niedriger
Grenzfrequenz und geringer Störabstrahlung
Rechnung getragen (vgl. "AS-Interface Die Lösung in
der Automation",
Seite 62 – 65).
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Das
ASI-System ist ein Master-Slave-System mit zyklischem Polling und
nutzt einen Master pro Netz, der alle Teilnehmer (Slaves) zyklisch
mit ihrer Adresse aufruft. Das ASI-System überträgt die Informationen (ASI-Nachrichten)
zwischen einem Master und den verschiedenen Slaves somit nicht parallel,
sondern seriell. Die ASI-Nachrichten sind kurz, einfach strukturiert
und haben eine feste Länge.
In jedem Abfragezyklus werden Informationen seriell vom Master zu
jedem Slave und zurück übertragen.
Sie können
als Ein- oder als Ausgabedaten benutzt werden. Um keine zu großen Wartezeiten
bei der seriellen Übertragung
der Informationen vom Master zu den einzelnen Slaves bzw. umgekehrt
zu haben, ist für
das ASI-System eine bestimmte Struktur der über die ASI-Leitung übertragenen
Signale vorgegeben. Diese im nachfolgenden noch genauer beschriebene Struktur
der übertragenden
Signale, d. h. die Struktur der ASI-Nachrichten, zusammen mit einer vorgegebenen
maximalen Anzahl von an die ASI-Leitung anschließbaren ASI-Slaves, gewährleistet
eine für
die Praxis in vielen Fällen
ausreichende Zykluszeit von maximal 5 ms.
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Der
Dialog des ASI-Masters mit einem ASI-Slave besteht immer aus der
Kombination von Telegramm des ASI-Masters und Antworttelegramm des
ASI-Slaves. Das
Telegramm des ASI-Masters wird auch als Masteraufruf, das Antworttelegramm des
ASI-Slaves als Slaveantwort bezeichnet. Wie üblich begin nen die Telegramme,
d. h. die ASI-Nachrichten mit einer Startkennung und enden mit einer Stopkennung.
Zwischen dem Masteraufruf und der Slaveantwort bzw. zwischen der
Slaveantwort und einem neuen Masteraufruf ist jeweils eine Masterpause
bzw. eine Slavepause vorgesehen. Der Masteraufruf besteht insgesamt
aus vierzehn Bits, wobei darin fünf
Adreßbits
und fünf
Informationsbits an den ASI-Slave enthalten sind. Die Slaveantwort
besteht aus insgesamt sieben Bits, von denen vier Bits als Informationsbits
an den ASI-Master vorgesehen sind.
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Über die
am Anfang des Masteraufrufs stehenden Adreßbits wird jedem ASI-Slave mitgeteilt, ob
die nachfolgende Information für
ihn oder für
einen anderen ASI-Slave bestimmt ist. Jedem ASI-Slave ist dabei
eine fünf
Bit lange Adresse zugeordnet, wobei die Adresse 0 eine Sonderfunktion
hat. Sie wird üblicherweise
bei der Herstellung als Defaultwert benutzt, d. h. herstellungsmäßig ist
den ASI-Slaves die Adresse
0 zugewiesen. Wenn dann beispielsweise ein defekter ASI-Slave ausgetauscht
wird, wird im neuen ASI-Slave die Adresse 0 durch die Adresse des
ausgefallenen ASI-Slaves ersetzt, was durch ein entsprechendes Kommando
des ASI-Masters an den neuen ASI-Slave ausgeführt werden kann. Mit den fünf Adreßbits können somit
im Normalfall maximal 31 Teilnehmer adressiert und an die ASI-Leitung
angeschlossen werden. In einem Abfragezyklus wird jeder angeschlossene
ASI-Slave – maximal
31 ASI-Slaves – vom
ASI-Master angesprochen
und sendet jeder ASI-Slave seine Slaveantwort mit den vier Informationsbits
an den ASI-Master zurück
(vgl. "AS-Interface
Die Lösung
in der Automation",
Seite 66 – 60).
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Durch
die vorgegebene Struktur der ASI-Nachrichten ergibt sich sowohl
eine Beschränkung
der maximal an die ASI-Leitung bzw. an einen ASI-Master anschließbaren ASI-Slaves
als auch eine Beschränkung
der maximal innerhalb eines Abfragezyklusses zwischen dem ASI-Master
und dem ASI-Slave austauschbaren Informationsbits. Die erste Beschränkung ist
bei der neuen ASI-Version 2.1 dadurch behoben worden, daß sich zwei
ASI-Slaves eine Adresse teilen. Als sogenannte A- und B-Slaves heißen sie
dann z. B. 10 A und 10 B. Im ersten Abfragezyklus werden alle A-Slaves,
im folgenden alle B-Slaves bearbeitet. Der Vorteil, daß nunmehr
maximal 62 ASI-Slaves anstelle von 31 ASI-Slaves an das ASI-System
angeschlossen werden können,
ist somit durch eine von 5 ms auf 10 ms angestiegene Zykluszeit
erkauft worden.
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Die Übertragung
von 8 bis 16 Bit langen Werten, wie sie bei analogen Meßwerten
für Temperaturen
oder Durchflüsse
anfallen können,
lassen sich mit dem bestehenden ASI-System nicht ohne weiteres übertragen.
Soll beispielsweise eine 12 Bit lange Information übertragen
werden, so ist dies bisher nur dadurch realisierbar, daß die 12
Bit lange Information in Portionen von drei Bit über vier Zyklen verteilt übertragen
wird. Anstelle der normalerweise nutzbaren vier Informationsbits
können
hierbei nur drei Bits für die
Information verwendet werden, da das vierte Bit als sogenanntes
Steuer- oder Toggelbit benötigt
wird. Das Steuer- bzw. Toggelbit enthält die Information, an welche
Stelle der insgesamt 12 Bit langen Information die gerade übertragenen
drei Informationsbits gehören.
Sollen mit einem ASI-System nicht nur binäre sondern auch analoge Größen übertragen
werden, so werden dafür
mehrere Zykluszeiten benötigt,
was zu einer entsprechend längeren Übertragungszeit führt.
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Obwohl
in den letzten zehn Jahren im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen ASI-System
eine Vielzahl von Verbesserungen und Neuerungen eingeführt worden
sind, weist das bestehende ASI-System – trotz aller Vorteile – auch einige
Nachteile auf. Hierzu gehören
trotz des speziellen Modulationsverfahrens die Anfälligkeit
gegen Störeinkopplungen
sowie die Übertragung
von Störungen,
die nur in einem Slave eingekoppelt werden, auf das gesamte Netz.
Auch die bei der Übertragung von
analogen Größen erforderliche
längere Übertragungszeit
sowie die begrenzte Leitungslänge
sind in bestimmten Anwendungsfällen
nachteilig. Müssen
in speziellen Anwendungsfällen
größere Übertragungsstrecken
realisiert werden, so werden bisher Repeater eingesetzt, deren Aufgabe
darin besteht, die Signalqualität
durch eine Signalauffrischung zu verbessern. Aufgrund der beim ASI-System
vorgegebenen Zykluszeit, die im ASI-Master die maximale Wartezeit auf
eine Slaveantwort auf zehn Bitzeiten limitiert, und aufgrund der
durch den Einsatz des Repeaters bedingten Signalverzögerung ergibt
sich eine Beschränkung
auf zwei Repeater in Reihe, so daß auch bei der Verwendung von
Repeatern die Länge
der Übertragungsstrecke
begrenzt ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das zuvor
beschriebene ASI-System weiter zu verbessern, so daß die zuvor
beschriebenen Nachteile vermieden oder zumindest verringert werden.
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Diese
Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen ASI-System dadurch gelöst, daß die die Informationen übertragende
ASI-Leitung zumindest teilweise als Lichtwellenleiter ausgebildet
ist, und daß über den
Lichtwellenleiter die Informationen direkt als ASI-konforme Bitfolge übertragen
werden. Durch die Verwendung eines Lichtwellenleiters als ASI-Leitung
anstelle des herkömmlichen
Zweileiter-Kupferkabels kann sowohl die Leitungslänge vergrößert als
auch eine Störeinkopplung
auf dem Übertragungsweg
verhindert werden.
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Vorzugsweise
wird die Information als codierte, insbesondere Manchestercodierte
(MAN-codierte) Bitfolge übertragen.
Voraussetzung für
die übertragenden
Informationen ist jedoch nur, daß diese dem ASI-Protokoll entsprechen
müssen,
d. h. die im ISO - OSI-Referenzmodell beschriebene Schicht 2 (Data
Link Layer) des ASI-Protokolls (vgl. "AS-Interface Die Lösung in der Automation", Seite 53 ff) wird
bei der Übertragung über einen
Lichtwellenleiter beibehalten. Trotz der Verwendung des Lichtwellenleiters
als ASI-Leitung bleibt ansonsten das ASI-System, insbesondere der
Dialog des ASI-Masters mit den ASI-Slaves und damit die Ablaufsteuerung
sowohl im ASI-Master als auch in den ASI-Slaves im wesentlichen unverändert. Werden über den
Lichtwellenleiter die Informationen direkt als MAN-codierte Bitfolge übertragen,
können
nicht nur die bekannten ASI-Telegramme unverändert benutzt werden, sondern
es ergibt sich sogar eine Vereinfachung bei der Erzeugung der Bitfolgen.
Vorzugsweise wird nämlich
auf die Umwandlung der codierten Bitfolge zunächst in einen analogen Sendestrom
und anschließend
in die entsprechende Signalspannung verzichtet.
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Wenn
es zuvor geheißen
hat, daß die
die Informationen übertragende
ASI-Leitung zumindest teilweise
als Lichtwellenleiter ausgebildet ist, so soll dadurch zum Ausdruck
gebracht werden, daß in
einem ASI-System nebeneinander sowohl eine "herkömmliche" ASI-Leitung (Zweileiter-Flachbandkabel) als
auch die erfindungsgemäße "neue" ASI-Leitung, d.
h. ein Lichtwellenleiter, eingesetzt werden können. Das erfindungsgemäße ASI-System
ist somit voll kompatibel zum bestehenden ASI-System, wobei die durch
die Erfindung erreichbaren Vorteile natürlich nur bei Verwendung entsprechend
angepaßter
Komponenten erreicht werden. Grundsätzlich kann ein Lichtwellenleiter
eine oder mehrere optische Fasern aufweisen. Die Übertragung
von Signalen kann daher sowohl bi- als auch unidirektional erfolgen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ASI-Systems wird die Energie
zur Versorgung der ASI-Slaves, die an dem Lichtwellenleiter angeschlossen
sind – und
der an den ASI-Slaves angeschlossenen Sensoren und/oder Aktuatoren
-, über
eine separate Busleitung oder über
separate Leitungen übertragen. Über den
Lichtwellenleiter werden somit – abweichend
vom bisherigen Prinzip der herkömmlichen
ASI-Leitung – nur
die digitalen Informationen übertragen.
Dadurch ist es möglich,
das erfindungsgemäße ASI-System
sehr preiswert zu gestalten. Daneben besteht auch die Möglichkeit,
die ASI-Slaves über
eine Batterie oder mittels Solarzellen fremd zu versorgen.
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Die
ASI-Nachricht wird im ASI-Master elektrisch-optisch umgesetzt und über den
Lichtwellenleiter an einen ASI-Slave geführt. In dem ASI-Slave wird
die ASI-Nachricht wieder optisch-elektrisch umgesetzt. Die Rücksendung
des Antworttelegramms des ASI-Slaves, d. h. die Slaveantwort, erfolgt
entsprechend durch eine elektrisch-optische Umsetzung im ASI-Slave
und eine optisch-elektrische
Umsetzung im ASI-Master. Da die digitalen Signale, die über den
Lichtwellenleiter gesendet werden, sowohl im ASI-Master als auch
in den ASI-Slaves
als elektrische Signale vorhanden sind, ist die Anpassung der bestehenden
Komponenten an das neue ASI-System sehr einfach und damit kostengünstig durchführbar. Nachfolgend
wird unter einem "neuen" ASI-Master ein solcher
verstanden, der zur Übertragung
der ASI-Nachricht über
einen Lichtwellenleiter geeignet ist. Entsprechend wird unter einem "neuen" ASI-Slave ein solcher
verstanden, der über
einen Lichtwellenleiter an einen ASI-Master anschließbar ist.
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Der "neue" ASI-Master weist
mindestens einen Anschluß für mindestens
einen Lichtwellenleiter und eine optische Schnittstelle mit einem
elektrisch/optischen Signalumsetzer und einem optisch/elektrischen
Signalumsetzer auf. Entsprechend weist das "neue" ASI-Slave
mindestens einen Anschluß für mindestens
einen Lichtwellenleiter, mindestens eine optische Schnittstelle
mit einem optisch/elektrischen Signalumsetzer und einem elektrisch/optischen
Signalumsetzer sowie einen Anschluß für die separate Energieversorgung
auf.
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Die
optische Schnittstelle des ASI-Masters und der ASI-Slaves weist
dabei eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf, wobei die
Sendeeinheit zumindest ein Verstärkerelement
und ein Sendeelement, und die Empfangseinheit zumindest ein Empfangselement,
eine Verstärkerstufe
oder einen Komparator aufweist.
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Sowohl
als Sendeelement als auch als Empfangselement werden dabei vorzugsweise
eine LED verwendet.
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Bevor
eine Anlage mit einem ASI-System erstmalig in Betrieb genommen wird,
müssen
alle angeschlossenen ASI-Slaves mit ihrer Betriebsadresse versehen
werden. Dies kann beispielsweise über einen speziellen Masteraufruf
erfolgen. Darüber
hinaus gibt es jedoch auch spezielle Adressiergeräte, die über eine
mechanische oder eine optische Schnittstelle mit dem jeweils zu
adressierenden ASI-Slave verbunden werden können, so daß dann über das Adressiergerät die Adreßvergabe
an den ASI-Slave erfolgt. Weist das ASI-Slave bereits eine – bisher
nur zur Adressierung benutzte – optische
Schnittstelle auf, so kann diese optische Schnittstelle vorteilhafterweise
nunmehr als Sende- und Empfangseinheit zum Übertragung und Empfangen der
digitalen Informationen über
den Lichtwellenleiter dienen. Die optische Schnittstelle kann dabei
als Sende- und Empfangsdiode ausgebildet sein und auch als optischer Ausgang
genutzt werden.
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Durch
die Verwendung des erfindungsgemäßen ASI-Systems
mit einem Lichtwellenleiter als ASI-Leitung können somit viele der bei dem
bisherigen ASI-System
prinzipbedingten Nachteile vermieden werden. Neben der Möglichkeit
deutlich größere Entfernungen
zu überbrücken, sowie
der bereits angesprochenen Vermeidung von Störeinkopplungen in die ASI-Leitung
zählt hierzu
insbesondere auch die galvanische Auftrennung zwischen einzelnen
Teilen des ASI-Systems.
Lokale, an einem einzelnen ASI-Slave auftretende Störeinkopplungen
können sich
somit nicht mehr über
die ASI-Leitung, d. h. den Lichtwellenleiter, ausbreiten, wodurch
die Kommunikation im übrigen
ASI-System nicht mehr beeinträchtigt
wird.
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Darüber hinaus
ergibt sich durch die Verwendung eines Lichtwellenleiters als ASI-Leitung
der weitere Vorteil, daß die
digitalen Signale mit einer deutlich höheren Taktfrequenz übertragen
werden können,
so daß sich
bei ansonsten unveränderter Ablaufsteuerung
im ASI-Master die Zykluszeit deutlich verringern läßt. Möglich ist
hier beispielsweise eine um den Faktor 10 oder mehr höhere Taktfrequenz
als beim herkömmlichen
ASI-System, so daß digitale
Signale und auch Analogdaten zehn Mal häufiger aktualisiert werden
können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ASI-Systems ist der "neue" ASI-Master dabei
so ausgestaltet, daß er
eine höhere Grund-Taktfrequenz als
ein herkömmlicher
ASI-Master aufweist und in Abhängigkeit
von der An der angeschlossenen ASI-Leitung – herkömmliche ASI-Leitung oder Lichtwellenleiter – und in
Abhängigkeit
von der Art der angeschlossenen ASI-Slaves, herkömmliche ASI-Slave oder "neuer" ASI-Slave, mit einer
unterschiedlichen Taktfrequenz arbeitet. Vorzugsweise ist der ASI-Master
dabei so ausgebildet, daß er
selbständig
erkennt, ob die ASI-Slaves sämtlich über einen
Lichtwellenleiter angeschlossen sind oder nicht, d. h. ob es sich
um "neue" ASI-Slaves handelt. Der ASI-Master
sucht somit selbständig
nach der höchsten
Frequenz, mit der die angeschlossenen ASI-Slaves noch arbeiten können. Sind
nur "neue" ASI-Slaves an den
ASI-Master angeschlossen, so kann die Taktfrequenz mehrere MHz betragen,
während
die Taktfrequenz bei herkömmlichen
ASI-Systemen 166 kHz
beträgt.
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Gemäß einer
letzten vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt
der Anschluß der
Lichtwellenleiter an die "neuen" Komponenten, d.h.
die "neuen" ASI-Slaves, ein "neues" ASI-Netzteil, einen
Verteiler oder einen Repeater mit Hilfe eines mit den Lichtwellenleitern
verbindbaren optischen Verteilerelements, welches auch als Splitter bezeichnet
werden kann. Das optische Verteilerelement ist dabei so ausgebildet,
daß das über einen
ankommenden Lichtwellenleiter übertragene
Licht in dem Verteilerelement bidirektional geführt wird, wobei Licht aus dem
Verteilerelement ausgekoppelt und/oder eingekoppelt werden kann,
so daß das Licht
richtungsabhängig
unsymmetrisch geführt
werden kann. Vorzugsweise ist das optische Verteilerelement im ASI-Slaves
angeordnet, so daß vom ASI-Master über einen
Lichtwellenleiter zum ASI-Slave gesendetes Licht durch das Verteilerelement
und über
einen weiteren Lichtwellenleiter zu einem weiteren ASI-Slave geführt bzw.
von einen nachgeordneten ASI-Slave zurückgesendetes Licht über das
Verteilerelement zum ASI-Master
zurückgeleitet
werden kann. Außerdem
kann Licht mit Hilfe des Verteilerelements aus dem Lichtwellenleiter
ausgekoppelt und in die optische Schnittstelle des ASI-Slaves eingekoppelt
bzw. von der optischen Schnittstelle des ASI-Slaves in den Lichtwellenleiter eingekoppelt
werden.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße ASI-System auszugestalten
und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen auf die dem Schutzanspruch
1 nachgeordneten Patentansprüche
sowie auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Es zeigt
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1 ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen ASI-Systems,
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2 ein
Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen ASI-Systems,
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3 ein
Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen ASI-Systems,
-
4 ein
Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen ASI-Systems,
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5 ein
Blockschaltbild eines ASI-Masters,
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6 ein
Blockschaltbild eines ASI-Netzteils und
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7 eine
Prinzipskizze eines optischen Verteilerelements (Splitter) in einem
ASI-Slave.
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Die 1 bis 4 zeigen – jedenfalls
teilweise – unterschiedliche
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen ASI-Systems.
Zu dem erfindungsgemäßen ASI-System gehören – wie auch
zu einem herkömmlichen
ASI-System – zunächst ein
ASI-Master 1 und mehrere ASI-Slaves 2, 2', die über eine ASI-Leitung 3 miteinander
und mit dem ASI-Master 1 verbunden sind.
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Insbesondere
das in den 1 und 2 dargestellte
ASI-System weist dabei sowohl eine herkömmliche ASI-Leitung 3,
d. h. ein ungeschirmtes Zweileiter-Flachbandkabel, als auch eine
bzw. mehrere Lichtwellenleiter 4 auf. Die herkömmliche ASI-Leitung 3 dient
dabei – wie
eingangs bereits ausgeführt – sowohl
zur Energieversorgung der angeschlossenen ASI-Slaves 2 als
auch zur Datenübertragung
zwischen dem ASI-Master 1 und den ASI-Slaves 2.
Im Unterschied dazu erfolgt bei den an den Lichtwellenleiter 4 angeschlossenen "neuen" ASI-Slaves 2' über den
Lichtwellenleiter 4 nur die Datenübertragung zwischen dem ASI-Master 1 und
den ASI-Slaves 2'.
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Die "herkömmlichen" ASI-Slaves 2 sind
bei den in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispielen
zusätzlich
zur ASI-Leitung 3 über
ein weiteres ASI-Zweileiter-Flachbandkabel 5 mit
einer Hilfsspannung verbunden. Grundsätzlich besteht jedoch die Möglichkeit,
die "herkömmlichen" ASI-Slaves 2 ausschließlich über die
ASI-Leitung 3 miteinander und mit dem ASI-Master 1 zu
verbinden. Im Unterschied dazu ist bei den ASI-Slaves 2', die über den Lichtwellenleiter 4 mit
dem ASI-Master 1 verbunden sind, ein zusätzlicher
Anschluß für die Energieversorgung
der ASI-Slaves 2' sowie
der an den ASI-Slaves 2' angeschlossenen
Sensoren und Aktuatoren erforderlich. Die erforderliche Energie
kann den ASI-Slaves 2' entweder über eine
zusätzliche
Busleitung 6 (2), über die dann mehrere ASI-Slaves 2' mit Energie
versorgt werden, oder über
separate Einzelleitungen 7 (1) zur Verfügung gestellt
werden.
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Während in 2 ein "herkömmlicher" ASI-Master 1 dargestellt
ist, an den direkt nur "herkömmliche" ASI-Slaves 2 über die
ASI-Leitung 3 bzw. das ASI-Zweileiter-Flachbandkabel 5 angeschlossen sind,
weist der in den 1, 3, 4 und 6 dargestellte "neue" ASI-Master 1 zusätzlich zu
dem herkömmlichen
ASI-Anschluß 8 noch
mehrere Anschlüsse 9 für jeweils
einen Lichtwellenleiter 4 auf. Bei dem ASI-Master 1 gemäß 3 ist
darüber
hinaus noch eine Feldbus-Schnittstelle 10 vorgesehen, über die
der ASI-Master 1 und damit das gesamte ASI-System mit einem übergeordneten
Feldbus verbunden werden kann; der ASI-Master 1 fungiert
dann als Gateway.
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Der "neue" ASI-Master 1,
der zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen ASI-System vorgesehen ist, weist neben dem
Lichtwellenleiter-Anschluß 9 noch
mindestens eine optische Schnittstelle 11 auf, die einen
elektrisch/optischen Signalumsetzer und einen optisch/elektrischen
Signalumsetzer aufweist. Wie aus der 5 erkennbar
ist, entspricht der dort dargestellte "neue" ASI-Master 1,
an den sowohl herkömmliche
ASI-Leitungen 3 als auch Lichtwellenleiter 4 anschließbar sind,
ansonsten einem herkömmlichen
ASI-Master 1 (vgl. "AS-Interface
Die Lösung
in der Automation",
Seite 104, Bild 3.33).
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Der
ASI-Master 1 kann funktional in ein Analogteil 12 und
ein Digitalteil 13 unterteilt werden. Bestandteil des Analogteils 12 sind
die Energieversorgung 14, ein Sender 15 und ein
Empfänger 16.
Zum Digitalteil 13 gehören
ebenfalls eine Energieversorgung 17 sowie die Ablaufsteuerung 18.
Mit Hilfe des Senders 15 wird dabei die von der Ablaufsteuerung 18 gelieferte
Manchester-codierte Bitfolge in einen entsprechende Sendestrom umgewandelt,
aus dem dann mit Hilfe der Energieversorgung 14 der gewünschte Signalspannungspegel
auf der ASI-Leitung 3 erzeugt
wird. Im Empfänger 16 werden
entsprechend die auf der ASI-Leitung 3 detektierten
Spannungspulse wieder in die – von
einem ASI-Slave 2 – gesendete
Bitfolge zurückgewandelt.
Sollen an den ASI-Master 1 lediglich Lichtwellenleiter 4 angeschlossen
werden, so können
die Energieversorgung 14, der Sender 15 und der
Empfänger 16 entfallen, da über den
Lichtwellenleiter 4 die Informationen direkt als Manchester-codierte
Bitfolge übertragen
werden, welche unmittelbar von der Ablaufsteuerung 18 zur
Verfügung
gestellt wird.
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Die
ASI-Slaves 2',
die zum Anschluß an
den Lichtwellenleiter 4 vorgesehen sind, weisen mehrere Anschlüsse 19 für Lichtwellenleiter 4 sowie
eine oder mehrere optische Schnittstellen zur Umsetzung der von
den Lichtwellenleitern 4 übertragenen optischen Signale
in die von der Ablaufsteuerung des ASI-Slaves 2' verarbeiteten
elektrischen Signale auf. Zusätzlich
weisen die ASI-Slaves 2' noch
mindestens einen Anschluß 20 für die separate
Energieversorgung, d. h. für
eine Busleitung 6 oder eine separate Leitung 7 auf.
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In
dem ASI-System gemäß 1 ist
neben dem ASI-Master 1 und den ASI-Slaves 2, 2' noch ein einen
Anschluß 21 für eine herkömmliche
ASI-Leitung 3 aufweisendes ASI-Netzteil 22 zur
Versorgung der herkömmlichen
ASI-Slaves 2 mit Energie vorgesehen. Das ASI-Netzteil 22 weist
neben dem Anschluß 21 zusätzlich noch
mindestens einen Anschluß 23 für einen
Lichtwellenleiter 4 sowie eine optische Schnittstelle 24 mit
einem Sender 25 und einem Empfänger 26 auf. Anstelle
des in 6 dargestellten einen Lichtwellenleiters 4,
welcher die Signale bidirektional überträgt, können auch zwei, die Signale
unidirektional übertragende
Lichtwellenleiter 4 vorgesehen sein, von denen dann einer
mit dem Sender 25 und einer mit dem Empfänger 26 verbunden ist.
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Durch
das ASI-Netzteil 22 können
somit herkömmliche
ASI-Slaves 2 betrieben werden, die galvanisch vom ASI-Master 1 entkoppelt
sind. Dadurch können
auch herkömmliche
ASI-Slaves 2 an ein erfindungsgemäßes ASI-System, bei dem ansonsten die
ASI-Slaves 2' nur über einen
Lichtwellenleiter 4 mit dem ASI-Master 1 verbunden
sind, angeschlossen werden. Durch die in dem ASI-Netzteil 22 ausgebildete
optische Schnittstelle 24 erfolgt eine Umsetzung der über den
Lichtwellenleiter 4 übertragenen optischen
Signale in entsprechende elektrische Signale, welche von dem herkömmlichen
ASI-Slaves 2 verarbeitet werden können. Wie aus 6 ersichtlich ist,
weist das ASI-Netzteil 22 ein DC-Netzteil 27,
welches in der Regel eine Gleichspannung von ca. 30 V zur Verfügung stellt,
eine Symmetrierung 28 mit einem Shield-Anschluß 29 und
eine Datenentkopplung 30 auf.
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Bei
den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen
eines ASI-Systems
ist jeweils noch ein Verteiler 31 vorgesehen, der einen
ersten Anschluß 32 zum
Anschluß einer
herkömmlichen ASI-Leitung 3 sowie
einen zweiten Anschluß 33 und einen
vierten Anschluß 34 zum
Anschluß eines
Lichtwellenleiters 4 aufweist. In dem Verteiler 31 ist
mindestens eine optische Schnittstelle vorgesehen, so daß der Verteiler 31 als
passiver Signal-Umsetzer dient, mit dem ein oder mehrere Lichtwellenleiter 4 an eine
herkömmliche
ASI-Leitung 3 angeschlossen werden können. Das ASI-Netzteil 22 kann
demgegenüber
auch als aktiver Signal-Umsetzer bezeichnet werden, der eine Kombination
eines Verteilers 31 mit einem herkömmlichen ASI-Netzteil darstellt.
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Bei
dem in 3 dargestellten ASI-System ist außerdem noch
ein Repeater 35 vorgesehen, der neben einem Anschluß 36 für eine Energieversorgung
drei Anschlüsse 37 für jeweils
einen Lichtwellenleiter 4 aufweist. Der Repeater 35 fungiert
somit als optischer Abzweig mit Signalauffrischung.
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In 7 ist
schematisch ein optisches Verteilerelement (Splitter) 38 dargestellt,
welches in einem ASI-Slave 2' angeordnet
ist. Das optische Verteilerelement 38 ist dabei an seinem
Eingang bzw. Ausgang jeweils mit einem Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' verbunden,
wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ASI-Slave 2' durch
den Lichtwellenleiter 4 mit dem ASI-Master 1 und
durch den Lichtwellenleiter 4' mit einem weiteren ASI-Slave 2' verbunden ist.
Durch das optische Verteilerelement 38 wird somit das von
dem Lichtwellenleiter 4 übertragene Licht 39a und
das in entgegengesetzte Richtung von dem Lichtwellenleiter 4' übertragene
Licht 39b bidirektional geführt. Ein Teil 40a des über den
Lichtwel lenleiter 4 in das Verteilerelement 38 eingekoppelten Lichtes 39a wird
zum Empfänger 41 der
optischen Schnittstelle des ASI-Slaves 2' abgezweigt bzw. ausgekoppelt.
Der verbleibende Rest 39c des Lichts 39a, der
nicht zum Empfänger 41 ausgekoppelt
wird, wird durch das Verteilerelement 38 weitergeleitet
und kann über
den weiteren Lichtwellenleiter 4' in dem ASI-System weiter übertragen
werden, insbesondere zu einem nachfolgenden ASI-Slave 2' geführt werden.
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In
umgekehrter Richtung wird von einem nachgeordneten ASI-Slave 2' über den
Lichtwellenleiter 4' übertragenes
Licht 39b durch das optische Verteilerelement 38 geführt und
in den Lichtwellenleiter 4 eingekoppelt. Zusätzlich wird
auch von dem Sender 42 der optischen Schnittstelle des
ASI-Slaves 2' ausgesandtes
Licht 40b in das optische Verteilerelement 38 eingekoppelt
und über
den Lichtwellenleiter 4 zum ASI-Mater 1 weitergeleitet.
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Das
in 7 nur schematisch dargestellte optische Verteilerelement 38 kann
beispielsweise als Kunststoff-Spritzteil ausgebildet sein. Alternativ
dazu kann das Verteilerelement 38 auch durch ein Faserbündel realisiert
werden, wobei dann das Aus- und Einkoppeln von Licht durch entsprechend
abgetrennte einzelne Fasern erfolgt.
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Aus
den zuvor beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
geht hervor, daß das
erfindungsgemäße ASI-System
an unterschiedliche Einsatzbedingungen anpaßbar ist. Insbesondere können in
dem ASI-System sowohl "herkömmliche" Komponenten, d.
h. ein herkömmlicher ASI-Master 1,
herkömmliche
ASI-Slaves 2 und eine herkömmliche ASI-Leitung 3,
als auch "neue" Komponenten, d.
h. einen eine oder mehrere optische Schnittstellen 11 aufweisenden "neuen" ASI-Master 1, "neue" ASI-Slaves 2' und Lichtwellenleitern 4,
miteinander kombiniert werden.
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Durch
die Verwendung eines Lichtwellenleiters 4 kann dabei sowohl
die Länge
der Übertragungsstrecke
deutlich vergrößert als
auch die Gefahr von Störeinkopplungen
deutlich verringert werden. Dadurch, daß auf den Lichtwellenleiter 4 keine
Störungen
eingekoppelt werden können,
erhöht
sich die Anlagenverfügbarkeit,
insbesondere bei sogenannten Safety-Anwendungen. In räumlich weiter
ausgedehnten Safety-Systemen, in denen bisher mehrere Safety-Geräte über mehrere
herkömmliche
ASI-Leitungen verteilt eingebaut sind, können diese Safety-Geräte nunmehr
auch über
größere Entfernungen in
einem einzigen ASI-System
mit Lichtwellenleitern 4 zusammengefaßt werden. Darüber hinaus
können ASI-Slaves 2', die über einen
Lichtwellenleiter 4 angeschlossen sind, bei einer entsprechenden
Wahl der Energieversorgung in Bereichen mit starken elektrischen
Störfeldern,
in Bereichen mit hoher statischer Aufladung oder in einem - in 1 angedeuteten
- Ex-Bereich 43 eingesetzt werden.