DE4334980C2 - Ein-Ausgabeelement für Hydraulikanwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ein-/Ausgabeelement für Hydraulikanwendungen, das eine mit einem Feldbus ver­ bindbare Eingangsschaltung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen aufweist.

Es ist bekannt, bei Hydraulikanwendungen sowohl Schaltventile als auch Sensoren zur Erfassung ver­ schiedenster physikalischer Größen einzusetzen. Wei­ terhin werden bei bestimmten Hydraulikanwendungen, insbesondere in der Fluidtechnik, Stetigventile ein­ gesetzt. Damit diese unterschiedlichen Komponenten einer gemeinsamen Hydraulikanwendung abgestimmt auf­ einander reagieren, ist es bekannt, eine zentrale Steuerung einzusetzen, die gegebenenfalls speicher­ programmierbar sein kann. Jeder der eingesetzten Gruppen von Elementen, also den Schaltventilen, den Sensoren und den Stetigventilen, ist dabei ein Ein-/Aus­ gabeelement zugeordnet, das eine Eingangsschaltung aufweist, die gegebenenfalls mehrere Ein- oder Aus­ gänge des betreffenden Ein-/Ausgabeelements ansteuert. Die einzelnen Ein-/Ausgabeelemente sind mit der zentralen Steuerung über jeweils einen Feldbus ver­ bunden. Hierbei ist nachteilig, daß für eine komplet­ te Hydraulikanwendung eine aufwendige Feldbusstruktur geschaffen werden muß, da einerseits die Ein-/Ausgabe­ elemente der einzelnen Baugruppen getrennt voneinan­ der angeordnet sind und eine Signalaufteilung in der Art erfolgen muß, daß jedem Ein-/Ausgabeelement das für dieses bestimmte, von der Steuerzentrale ausge­ hende Signal über das Feldbusnetz zugeteilt werden muß.

Aus "Ölhydraulik und Pneumatik" 37 (1993) Nr. 4, S. 250-260; Wüsthoff: "Fluidtechnische Antriebe mit digitalem Signalkreis" ist ein Ein-/Ausgabeelement be­ kannt, das über einen Feldbus mit einer Steuerzentra­ le verbunden ist. Das Ein-/Ausgabeelement enthält einen Mikroprozessor, der über eine zeitgesteuerte Schnittstelle mit dem Feldbus verbindbar ist. Der Mi­ kroprozessor übernimmt gleichzeitig eine Steuerung und Verarbeitung des Busprotokolls auf dem Ein-/Ausga­ beelement (Ventilinsel).

Durch diese Doppelfunktion des Mikroprozessors ist dieser zeitlich und/oder kapazitätsmäßig entweder auf die Steuerung des Busprotokolls oder die Verarbeitung des Busprotokolls, das heißt die Signalaufbereitung für die Stetigventile, eingestellt. Hierin liegt der Nachteil begründet, daß eine Bedienung beziehungswei­ se Ansteuerung der Stetigventile für die Zeit der Feldbusabfragen, wie beispielsweise Status, Sollwert, Istwert, Fehlermeldung, unterbrochen werden muß.

Aus DE-38 38 353 A1 ist ein elektrischer Verstärker zum Ansteuern von Ventilen bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ein-/Ausgabeelement der gattungsgemäßen Art zu schaf­ fen, mit dem der Aufwand zur Ansteuerung einer kom­ pletten Hydraulikanwendung reduziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst. Dadurch, daß eine Signalaufbereitungsschaltung für Stetigventile wenig­ stens einen, mit der Eingangsschaltung verbundenen Mikroprozessor enthält, der unabhängig von der Ein­ gangsschaltung die Signalverarbeitung zur Ansteuerung der Stetigventile übernimmt, ist ein Ein-/Ausgabeele­ ment geschaffen, das eine autarke Signalaufbereitung für die Stetigventile ermöglicht, wobei die Signal­ aufbereitungsschaltung mit der Eingangsschaltung des Ein-/Ausgabeelementes und damit mit dem an der Ein­ gangsschaltung angeschlossenen Feldbus verbunden ist. Hierdurch wird es möglich, daß die Signalaufberei­ tungsschaltung für die Stetigventile über den Feld­ bus, der an eine zentrale Steuerung, die gegebenen­ falls speicherprogrammierbare Schaltungen aufweisen kann, angeschlossen ist und so bestimmte Informa­ tionen und/oder Vorgaben für die Ansteuerung der Ste­ tigventile erhält. Die Signalaufbereitung zur Ansteu­ erung der Stetigventile erfolgt dann in der den Ste­ tigventilen zugeordneten Signalaufbereitungsschal­ tung, so daß die Eingangsschaltung des Ein-/Ausgabe­ elementes, die über den Feldbus die Verbindung mit der Steuerzentrale hält, lediglich eine Weitergabe der Informationen zu realisieren hat. Über den den Stetigventilen zugeordneten Mikroprozessor erfolgt also keine Bedienung des Feldbus, so daß dieser seine Kapazität ausschließlich der Ansteuerung der Stetig­ ventile zur Verfügung stellt. Der für die Ansteuerung der Stetigventile vorgesehene Mikroprozessor kann so­ mit ununterbrochen die Ansteuerung der Stetigventile mit seiner vollen Kapazität vornehmen, so daß eine Unterbrechung für eine Bedienung des Feldbus nicht notwendig ist. Somit kann das Ein-/Ausgabeelement gleichzeitig über den Feldbus angesteuert werden und eine den speziellen Anforderungen der Stetigventile berücksichtigende Ansteuerung durchgeführt werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Signalaufbereitungsschaltung für Ste­ tigventile mit der Eingangsschaltung über eine Busan­ kopplung verbunden ist und wenigstens eine Ansteuer­ elektronik für eine Rampenzeit, für eine Über­ deckungseinstellung, für eine Verstärkungseinstellung und eine Sollwerteinstellung für eine Kolbenstellung aufweist. Hierdurch ist es sehr vorteilhaft möglich, das Ein-/Ausgabeelement so auszugestalten, daß es über einen Feldbus angesteuert werden kann und gleichzei­ tig Stetigventile ansteuern kann und dabei die spe­ ziellen Anforderungen der Stetigtechnik berücksich­ tigt.

Durch eine bevorzugte Ausgestaltung des Ein-/Ausgabe­ elementes ist es möglich, zusätzlich gleich die Ver­ sorgungsspannung für an das Ein-/Ausgabeelement an­ geschlossene Stetigventile und Schaltventile bereit­ zustellen. Sehr vorteilhaft kann dabei die Ver­ sorgungsspannung von vorgesehenen Auswerteelektro­ niken überwacht werden. Insbesondere kann festge­ stellt werden, ob die Versorgungsspannung aus­ reichend hoch ist, damit jederzeit ausreichend Energie für eine Betätigung von in den Ventilen angeordneten Magneten sichergestellt ist. Insbeson­ dere kann der Ausfall der Versorgungsspannung detektiert werden, so daß sofort entsprechende Ge­ genmaßnahmen eingeleitet werden können, die die Sicherheit der Hydraulikanwendungen erhöht.

Darüber hinaus ist es mit dem erfindungsgemäßen Ein-/Ausgabeelement möglich, die für eine Stetig­ ventiltechnik üblichen Schaltungen für eine Soll­ wert- und Rampenschaltung in das Ein-/Ausgabeelement zu integrieren, so daß diese digital steuer- und parametrierbar sind. Besonders vorteilhaft ist, daß nunmehr eine Rückmeldung der Rampenschaltung mög­ lich ist. Gibt die Steuerung einen neuen Sollwert vor, erfolgt der Übergang von dem bestehenden Soll­ wert auf den neuen Sollwert mit einer parametrier­ baren Geschwindigkeit (Rampe). Ist der neue Soll­ wert erreicht, das heißt die Rampenzeit ist abge­ laufen, meldet die Signalaufbereitungsschaltung dies an die Steuerung zurück. Somit kann die ge­ samte mit Stetigventilen ausgestattete Hydraulikan­ wendung wesentlich besser gesteuert werden, da eine Rückmeldung erfolgt, daß der ausgegebene Sollwert wirklich anliegt. Hierdurch wird die gesamte Hy­ draulikanwendung zuverlässiger, und es ist bei­ spielsweise eine ruckfreie Ansteuerung der Stetig­ ventile möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Aus­ führungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtübersicht einer Hydraulikanwendung und

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Ein-/Ausgabe­ elements.

Die Fig. 1 zeigt in der Gesamtübersicht eine Hydraulikanwendung. Diese weist eine Steuerzentrale 10 auf, die eine gegebenenfalls speicherprogram­ mierbare Steuerung 12 enthält. Der Steuerzentrale 10 ist ein Ein-/Ausgabeelement 14 zugeordnet, das eine Eingangsschaltung 16 besitzt. Die speicher­ programmierbare Steuerung 12 und die Eingangsschal­ tung 16 besitzen jeweils einen Feldbusanschluß 18 bzw. 20. Die Feldbusanschlüsse 18 und 20 sind über ein Feldbuskabel 22 miteinander verbunden. Das Ein-/Aus­ gabeelement 14 besitzt erste Ausgänge 24, die über Steuerleitungen 26 mit Schaltventilen 28 ver­ bunden sind. Weiterhin besitzt das Ein-/Ausgabe­ element 14 zweite Ausgänge 30, die über Steuer­ leitungen 32 mit Stetigventilen 34 verbunden sind. Weiterhin sind Eingänge 36 vorgesehen, die über Steuer- bzw. Meßleitungen 38 mit Sensoren 40 zur Aufnahme verschiedenster physikalischer Größen ver­ bunden sind. Die Eingangsschaltung 16 besitzt wei­ terhin eine Anschlußbuchse 42 zur Weiterführung des Feldbus, über die gegebenenfalls der Feldbus durch­ schleifbar ist und weitere Ein-/Ausgabeelemente an das Feldbussystem anschließbar sind.

In der Fig. 2 ist der mögliche Aufbau eines Ein-/Aus­ gabeelements 14 detaillierter dargestellt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und hier nicht nochmals er­ läutert. Den Eingängen 36, an die in Fig. 2 nicht dargestellte Sensoren und/oder Schalter anschließ­ bar sind, besitzen jeweils eine Signalaufberei­ tungsschaltung 44, die hier nur schematisch an­ gedeutet sind, und die über nicht dargestellte Verbindungen mit der Eingangsschaltung 16 verbunden sind. Die Ausgänge 24 für die hier nicht darge­ stellten Schaltventile besitzen ebenfalls jeweils eine Signalaufbereitungsschaltung 46, die ebenfalls über hier nicht dargestellte Verbindungen mit der Eingangsschaltung 16 verbunden sind. Die Eingangs­ schaltung 16 ist weiterhin über eine Feldbus­ ankopplung 48 mit einer Signalaufbereitungsschal­ tung 50 für die Stetigventile verbunden. Weiterhin ist ein Eingang 65 angeordnet, dem eine Verstär­ kerschaltung 66 zugeordnet ist, über die in den Stetigventilen angeordnete Meßmittel, beispiels­ weise zur Überwachung einer Kolbenstellung, an­ schließbar sind. Die Signalaufbereitungsschaltung 50 ist über hier nicht dargestellte Verbindungen mit den Ausgängen 30, 65 des Ein-/Ausgabeelements 14 verbunden. Die Signalaufbereitungsschaltung besitzt dabei verschiedene Schaltungsteile. So ist ein Schaltungsteil 52 für eine Rampenerzeugung, ein Schaltungsteil 54 für eine Überdeckungseinstellung sowie ein Schaltungsteil 56 für eine Ver­ stärkungseinstellung vorgesehen. Weiterhin besitzt die Signalaufbereitungsschaltung 50 eine Auswerte­ elektronik 58, einen Mikroprozessor 60 und einen jedem Ausgang 30 zugeordneten Spannungswandler 62. Den Ausgängen 30 ist dabei jeweils eine als Schnittstelle 64 ausgebildete Ausgangselektronik zugeordnet. Ebenfalls ist eine Spannungsversorgung 67 für die Schaltventile und eine Spannungs­ versorgung 68 für die Stetigventile vorgesehen, die jeweils den Ausgängen 36 bzw. 24 zugeordnet sind.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anordnung übt folgende Funktion aus:
Über die Sensoren 40 werden bestimmte physikalische Größen innerhalb der Hydraulikanwendung gemessen und dem Ein-/Ausgabeelement 14 gemeldet. Die Signal­ aufbereitungsschaltungen 44 geben die Meßgrößen an die Eingangsschaltung 16 weiter, von der die Signale über das Feldbuskabel 22 der speicherpro­ grammierbaren Steuerung 12 eingelesen werden. Die Steuerung 12 wertet die Meßsignale aus und gibt über das Feldbuskabel 22 entsprechende Steuer­ signale an die Eingangsschaltung 16. Die Ein­ gangsschaltung 16 teilt die Steuersignale ent­ sprechend ihrer Zuordnung auf die an den Ausgängen 24 angeschlossenen Schaltventile 28 bzw. an den Ausgängen 30 angeschlossenen Stetigventilen 34 nach ihrer Zugehörigkeit auf. Die Schaltsignale für die Stetigventile 34 werden dabei über die Feldbusan­ kopplung 48 auf die Signalaufbereitungsschaltung 50 geführt. Die Schaltsignale für die Schaltventile 28 können dabei beispielsweise analoge Spannungs- und Stromsignale verschiedener Pegel sein.

Die Ansteuerelektronik 58 innerhalb der Signalauf­ bereitungsschaltung 50 wertet die über die Feldbus­ ankopplung 48 anliegenden Steuersignale dahingehend aus, daß sie diese den Schaltungsteilen 52, 54 bzw. 56 entsprechend zuleitet. Das Schaltungsteil 52 stellt definierte Rampenzeiten zur Verfügung, mit der eine Änderung des Sollwertes der Kolbenstellung der Stetigventile 34 vorgenommen werden darf. Das Schaltungsteil 54 stellt eine Überdeckungseinstel­ lung zur Begrenzung der Kolbenstellung der Stetig­ ventile 34 bereit. Eine Verstärkungseinstellung zur Begrenzung der Kolbenstellung der Stetigventile 34 wird über das Schaltungsteil 56 bereitgestellt. Der Sollwert für die Kolbenstellung der Stetigventile kann dabei gemeinsam von der Auswerteelektronik 58 und dem Mikroprozessor 60 ermittelt werden.

Eine Überwachung der tatsächlichen Kolbenstellung der Stetigventile ist beispielsweise durch eine Auswertung einer gemessenen Kolbenstellung oder ei­ nes Magnetstroms möglich. Diese Meßwerte werden dabei von den an den Eingängen 65 und 66 ange­ schlossenen Meßmitteln der Sensoren vorgenommen und die hier ermittelten Größen in die Eingangs­ schaltung 16 eingelesen. Die speicherprogrammier­ bare Steuerung 12 kann somit über wählbare Parameter die Werte für die hier erforderlichen Rampenzeiten und optimal zwei Verstärkungen, zwei Überdeckungseinstellungen und Sollwerte für die Kolbenstellung der Stetigventile über das Feldbus­ kabel 22 dem Ein-/Ausgabeelement 14 übertragen. Die Schnittstelle 64 für die Ansteuerung des Sollwertes für die Kolbenstellung der Stetigventile kann dabei eine analoge Spannung oder ein analoger Strom sein. Die Ansteuerung der in den Stetigventilen ent­ haltenen Ventilmagneten kann dabei direkt erfolgen, das heißt, das Schaltungsteil 56 für die Verstärkungseinstellung und die Spannungswandler 62 sind dabei, wie in dem gezeigten Ausführungs­ beispiel dargestellt, direkt im Ein-/Ausgabeelement 14 integriert. Es ist jedoch auch denkbar, das genannte Schaltungsteil und den Spannungswandler in einer externen Elektronik unterzubringen, die je­ weils dem Stetigventil zugeordnet ist. Diese kann dabei entweder direkt im Ventil oder in einem Stecker, der die Stetigventile 34 mit dem Ein-/Aus­ gabeelement 14 verbindenden Steuerleitung 32 oder in einem externen Bauelement, beispielsweise einer sogenannten Europakarte, ausgeführt sein. Weiterhin kann anstelle der Ansteuerung des Sollwertes über eine analoge Spannung oder einen analogen Strom die Schnittstelle 64 als digitale Schnittstelle ausgelegt sein. Eine Umsetzung der digitalen Signalpegel erfolgt dann in einer den Stetigventilen 34 zugeordneten Ventilelektronik.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Sollwert für die Kolbenstellung der Stetigventile von der steuerprogrammierbaren Schaltung 12 in Aus­ wertung der von den Sensoren 40 gelieferten Meß­ werte vorgegeben. Es ist jedoch auch möglich, ver­ schiedene Sollwerte für Kolbenstellungen direkt in dem Ein-/Ausgabeelement 14 abzuspeichern. Dies könnte beispielsweise über den Mikroprozessor 60 realisiert werden. Die verschiedenen Kolbenstel­ lungen werden dann durch eine entsprechende Anwahl von der speicherprogrammierbaren Steuerung 12 über den Feldbus abgerufen.

Die gesamte in den Fig. 1 und 2 dargestellte Hy­ draulikanwendung kann somit von einem einzigen Ein-/Aus­ gabeelement 14 gesteuert werden, da das Ein-/Aus­ gabeelement 14 neben der Ansteuerung der Stetig­ ventile 34 gleichzeitig eine Ansteuerung der Schaltventile 28 über die Ausgänge 24 und eine An­ steuerung der Sensoren 40, die gegebenenfalls als Schalter ausgebildet sein können, über die Eingänge 36 realisiert. Die speicherprogrammierbare Steue­ rung 12 kann, wie im Beispiel nicht gezeigt, bei­ spielsweise mit Prozeßrechnern, intelligenten An­ triebssystemen und/oder Visualisierungssystemen verbunden sein, so daß sich eine komplette Hydrau­ likanwendung in einfacher Weise darstellen läßt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier genannten Hydraulikanwendungen, so sind selbstver­ ständlich alle weiteren ähnlichen Anwendungen, wie beispielsweise eine Pneumatikanwendung, mit dem Ein-/Ausgabeelement 14 ansteuerbar.

Claims (9)

1. Ein-/Ausgabeelement für Hydraulikanwendungen, das eine mit einem Feldbus verbindbare Eingangsschaltung sowie eine Steuerelektronik für an das Ein-/Ausgabe­ element anschließbare digitale Schaltelemente und/oder Stetigventile aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Signalaufbereitungsschaltung (50) für Stetigventile (34) wenigstens einen, mit der Ein­ gangsschaltung (16) verbundenen Mikroprozessor (60) enthält, der unabhängig von der Eingangsschaltung (16) eine Signalverarbeitung zur Ansteuerung der Ste­ tigventile (34) übernimmt.

2. Ein-/Ausgabeelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalaufbereitungsschaltung (50) für Stetigventile (34) mit der Eingangsschaltung (16) über eine Feldbusankopplung (48) verbunden ist und wenigstens ein Schaltungsteil (52) für eine Ram­ penerzeugung, ein Schaltungsteil (54) für eine Über­ deckungseinstellung, ein Schaltungsteil (56) für eine Verstärkungseinstellung und eine Sollwerteinstellung für eine Kolbenstellung der Stetigventile (34) auf­ weist.

3. Ein-/Ausgabeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stetigven­ tile (34) über eine Schnittstelle (64) mit dem Ein-/Aus­ gabeelement (14) verbindbar sind.

4. Ein-/Ausgabeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnitt­ stelle (64) eine analoge Spannung oder ein analoger Strom ist.

5. Ein-/Ausgabeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stetigven­ tile (34) direkt über die Schnittstelle (64) an­ steuerbar sind.

6. Ein-/Ausgabeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Stetigven­ tilen (34) eine externe Elektronik zugeordnet ist und diese indirekt über die Schnittstelle (64) ansteuer­ bar sind.

7. Ein-/Ausgabeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnitt­ stelle (64) eine digitale Schnittstelle ist.

8. Ein-/Ausgabeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauf­ bereitungsschaltung (50) Speicherelemente aufweist, in denen wählbare Kolbenstellungen der Stetigventile abspeicherbar sind.

9. Ein-/Ausgabeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein-/Aus­ gabeelement (14) Schnittstellen für digitale Schalt­ signale zur Ansteuerung der Schaltventile (28) und/oder Sensoren (40) enthält.