DE60201910T2

DE60201910T2 - Optisches verbindersystem

Info

Publication number: DE60201910T2
Application number: DE60201910T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Morfino; Mario Vesco
Original assignee: Fidia SpA
Current assignee: Fidia SpA
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: DE60201910D1; AU2002317495A1; BR0206054A; JP2005531081A; EP1402662B1; CA2431273C; ES2232763T3; CN100373823C; CN1529956A; US20040057662A1; EP1402662A1; WO2004004169A1; ATE282268T1; CA2431273A1

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Verbindungssystem, insbesondere durch optische Strahlen auf Infrarotfrequenz, für den Datenaustausch zwischen Vorrichtungen für die industrielle Automatisierung.
Heutzutage (siehe zum Beispiel die Unterlagen WO-A-01-78265 und US-A-5.495.357) wird bei Anwendungen der industriellen Automatisierung gewöhnlich eine Mehrzahl von Verbindungselementen verwendet (die Ein- und Ausgangslinien verschiedener externer Vorrichtungen wie Sensore usw. umfassen), die neben einander angeordnet sind (zum Beispiel auf einer DIN-Schiene) und miteinander durch ein Element für die Sammlung und Ordnung der Daten (das sogenannte "power terminal") verbunden sind, das seinerseits durch einen Feld-Bus die von den verschiedenen externen Geräten gesammelten Daten an eine zuvor angeordnete numerische Kontrolle sendet. Für Durchführung des Datenaustausches unter den verbundenen Elementen und dem Element für Sammelung und Ordnung der Daten wird normalerweise eine serielle Verbindung vorgesehen, die den Durchgang der verschiedenen Daten und auch die Einspeisung der verschiedenen Elemente ermöglicht. Die Elemente für die Verbindung, Sammlung und Ordnung der Daten befinden sich jeweils in einem Gehäuse unterschiedlicher Form und Abmessung, das auf einem Stab oder in anderer Weise installiert wurde.
Ein so aufgebautes System bereitet jedoch viel Probleme, vor allem – wenn eines der verbundenen Elemente defekt wird – ist es in einigen Fällen notwendig, die ganze Elementreihe auszubauen, da dieses Element nicht einzeln ausgezogen werden kann. In anderen Fällen, wenn das Element als Karte aus dem Gehäuse entnommen werden kann, unterbricht der Auszug die serielle Verbindungslinie und diese Linie – wenn man nicht über ein Element für sofortigen Ersatz verfügt – bleibt unterbrochen und deaktiviert mit den daraus entstehenden Folgen.
Weiterhin haben die Gehäuse, welche die verschiedenen Elemente enthalten, häufig einen komplizierten Aufbau und demzufolge sind die Kosten für den Druck sehr hoch. Bei einfacher Konfiguration fehlen häufig viele Funktionen in dem Gehäuse, die jedoch von der heutigen Automation verlangt werden.
Ein weiteres Problem des obigen Systems ist die Anwesenheit von "physischen" Kontakten der einzelnen Elemente für die Verbindung miteinander. Diese Kontakte verschleißen, verschmutzen und unterliegen anderen Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel elektromagnetische Störungen, die ihre Funktionstüchtigkeit beeinträchtigen mit Folgen für die anderen im System verbundenen Elemente.
Auch die durch die serielle Verbindung erfolgende Einspeisung ist ziemlich eingeschränkt, da dabei jeweils höchstens eine Anzahl von 8 oder 16 digitalen Ausgängen zu 250 mA untereinander angeschlossen werden kann. Überschreiten die für die Verbindung notwendigen Elemente diese Zahl, muss ein weiteres System vorgesehen werden, das in Reihe an das vorherige mit klaren Problemen für Kosten und Anschlüsse angeschlossen wird.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die obigen Probleme der früheren Technik zu lösen und ein System mit optischer Verbindung vorzusehen, das einfacher hergestellt, installiert, benutzt und gewartet werden kann, mit reduzierten Kosten sowohl bei Bau als bei Benutzung, und dass vor allem sehr viel effizienter und zuverlässiger ist als die bisherigen, zur Zeit vermarkteten Verbindungen.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Verbindungssystem, in dem die defekten oder unbrauchbaren Elemente schnell ersetzt werden können, und das sogar auf einige Elemente in der Reihe verzichten kann, ohne dadurch die Fähigkeiten des Datenaustauschs unter den vorhandenen Elementen zu beeinträchtigen. Es soll auch gegen elektromagnetische Störungen in der Linie unempfindlich sein, die häufig die Fehlerursache der heutigen Verbindungen sind. Mit einer Lösung dieses Typs werden die verschiedenen Elemente nach Benutzungsgruppen zu einer Serie zusammen gestellt, als Erleichterung und Sicherheitsverbesserung der Instandhalter.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Verbindungssysteme, wie oben beschrieben, das gegen Beeinflussung durch die Umwelt, wie zum Beispiel Schmutz, Lärm, Vibrationen usw. kaum empfindlich ist.
Die obigen und weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung, wie diese aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, werden mit einem optischen Verbindungssystem erhalten, wie in der Beanspruchung 1 beantragt. Bevorzugte Ausführungsformen und nicht banale Varianten der vorliegenden Erfindung bilden den Gegenstand der davon abhängigen Beanspruchungen.
Die vorliegende Erfindung wird besser durch einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die als nicht einschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen herangezogen werden, in denen:
1 die schematische Blockansicht einer Konfiguration von Elementen für die industrielle Automatisierung ist, für die das optische Verbindungssystem der vorliegenden Erfindung Anwendung findet;
2 die schematische Perspektive eines Gehäuses für die industrielle Automatisierung ist, das für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann;
3 die Ansicht des Gehäuses der 2 von unten ist;
4 eine schematische Seitenansicht einer Platte ist, auf der das optische Verbindungssystem sichtbar ist, das darauf angebracht ist;
5 die Frontansicht der Platte der 4 ist;
6 der Funktionsplan des optischen Verbindungssystems der Erfindung ist; und
7 das schematische Blockdiagramm der Hauptelemente, die für die Implementierung des Systems mit optischer Verbindung der vorliegenden Erfindung notwendig sind.
Mit Bezug auf die Abbildungen werden vereinfachte, aber nicht einschränkende Ausführungsformen des optischen Verbindungssystems der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die hiernach beschriebene Vorrichtung wird allgemein im Bereich der industriellen Automatisierung eingesetzt, es ist aber offensichtlich, dass sie auch wirksam in jeglichem Bereich angewandt werden kann, in dem ein effizienter Datenaustausch zwischen miteinander verbindbaren Vorrichtungen, die möglichst nahe liegen sollten, notwendig ist, die einen Bus für die Einspeisung und den Datenaustausch benutzen.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (die in den Zeichnungen nur allgemein beschrieben wird) sieht ein optisches Verbindungssystem für den Datenaustausch zwischen Vorrichtungen der industriellen Automatisierung vor, das aus mehreren Verbindungselementen 7, 9', 9'', ..., 9^N besteht. Ein jedes dieser Verbindungselemente 7, 9', 9'', ..., 9^N ist mit einem Paar optischer Übertragungsmittel 30, 32 und optischer Empfangsmittel 28, 34 ausgestattet: dieses Paar besteht aus einem optischen Übertragungsmittel 30, 32, das auf einer Hauptseite 10 der Verbindungsmittel 7, 9', 9'', ..., 9^N angeordnet ist, und aus einem optischen Empfangsmittel 28, 34 auf einer Hauptseite 12, gegenüberliegend den Empfangsmitteln 7, 9', 9'', ..., 9^N . Weiterhin ist jedes der Übertragungsmittel 30, 32 und der Empfangsmittel 28, 34 in der Lage, für den Datenaustausch mit einem betreffenden Empfangsmittel 28, 34 und Übertragungsmittel 30, 32 der anderen naheliegenden Verbindungselemente 7, 9', 9'', ..., 9^N zusammen zu arbeiten.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Abbildungen umfasst das optische Verbindungssystem für Datenaustausch unter Vorrichtungen der industriellen Automatisierung der vorliegenden Erfindung auch substantiell eine Anzahl von Verbindungselementen 7, 9', 9'', ..., 9^N , die jeweils mit wenigstens zwei Paaren optischen Übertragungsmitteln 30, 32 und Empfangsmitteln 28, 34 ausgestattet sind. Jedes Paar ist mit einem optischen Übertragungsmittel 30, 32 ausgestattet, das sich auf einer Hauptseite 10 der Verbindungselemente 7, 9', 9'', ..., 9^N befindet, und mit einem optischen Empfangsmittel 28, 34, das sich auf einer Hauptseite 12, entgegengesetzt zu den Verbindungsmitteln 7, 9', 9'', ..., 9^N befindet. Darüber hinaus – um stets die operative Funktionstüchtigkeit der Verbindungselemente 7, 9', 9'', ..., 9^N unabhängig von ihrer Montagerichtung (zum Beispiel auf einer DIN-Schiene) zu garantieren – ist jedes Paar optische Übertragungsmittel 30, 32 und optische Empfangsmittel 28, 34 auf den Hauptseiten 10, 12 der Verbindungsmittel 7, 9', 9'', ..., 9^N in entgegengesetzter Weise zum vorherigen Paar angeordnet, so dass sich auf jeder Hauptseite 10, 12 der Verbindungsmittel 7, 9', 9'', ..., 9^N ein Übertragungsmittel 30, 32 und danach ein Empfangsmittel 28, 34 befindet (wie besser in 5 zu sehen ist), auf das eventuell ein (nicht dargestelltes) Übertragungsmittel 30, 32 folgt und so fort. Auch in diesem Fall ist jedes Übertragungsmittel 30, 32 und Empfangsmittel 28, 34 in der Lage, den Datenaustausch mit einem betreffenden Empfangsmittel 28, 34 und Übertragungsmittel 30, 32 eines anderen naheliegenden Verbindungsmittel 7, 9', 9'', ..., 9^N auszuführen.
Zur Ermöglichung der Installation und Verbindung einer größeren Anzahl von Verbindungsmitteln 7, 9', 9'', ..., 9^N , je nach Anforderungen der Anwendung, kann wenigstens eines der Verbindungsmittel 7, 9', 9'', ..., 9^N auf einer kleineren Seite 14, rechtwinklig zu den Seiten 10, 12, auf denen sich die Übertragungsmittel 30, 32 und Empfangsmittel 28, 34 befinden, mit wenigstens einem weiteren Paar Übertragungsmittel 30, 32 und Empfangsmittel 28, 34 ausgerüstet sein (die nicht abgebildet sind). In dieser Weise können zwei nebeneinanderliegende Reihen Verbindungselemente 7, 9', 9'', ..., 9^N installiert werden und die Daten werden nicht nur innerhalb dieser beiden Reihen, sondern auch von einer Reihe zur anderen übertragen und empfangen, mit einer „rechtwinkligen" optischen Verbindung zwischen einem Element einer Reihe und dem darunter liegenden Element der anderen.
Wie bekannt, sind die Verbindungselemente 7, 9', 9'', ..., 9^N im Inneren der betreffenden Gehäuse 13 für industrielle Automatisierung angeordnet. Um die Benutzung mit der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, brauchen diese Gehäuse 13 keine besonders komplizierte oder kostspielige Form zu haben, es werden eher Gehäuse 13 benutzt, die so billig wie möglich sind. Die betreffenden Gehäuse 13 sind schematisch in 2 dargestellt und mit Mitteln 15 für die Verbindung mit Schienen ausgestattet (zum Beispiel DIN-Typ). Um diese Gehäuse 13 für diese Erfindung verwenden zu können, müssen nur die Löcher 16, 18, 20, 22 für die Übertragungsmittel 30, 32 und Empfangsmittel 28, 34 ausgeführt werden, um die gegenseitige Operativität sicher zu stellen. Klarerweise werden die Gehäuse 13 für die Verbindungsmittel 9', 9'', ..., 9^N , die auch für eine "rechtwinklige" Verbindung geeignet sind, auch Löcher 24, 26 nahe dem weiteren Paar Übertragungsmittel 30, 32 und Empfangsmittel 28, 34 haben, die sich auf Seite 14 befinden.
Vorzugsweise bestehen die optischen Übertragungsmittel 30, 32 und Empfangsmittel 28, 34 aus Übertrager und Empfänger mit optischen Strahlen auf Infrarotfrequenz, die insbesondere, aber nicht einschränkend, mit dem Protokoll IrDa arbeiten.
Mit diesem optischen Elementtyp kann auch ein operativer Kreis ausgeführt werden, wie schematisch in 7, dargestellt, der vorsieht, dass je ein Paar Übertrager 30, 32 und Empfänger 28, 34 mit einem betreffenden Kodierer/Entkodierer 36, 38 verbunden ist, der seinerseits mit Kontroll- und Verwaltungsvorrichtungen 40, 42 verbunden ist (gewöhnlich einer Karte 40 Typ UART und einem Mikroprozessor 42). Diese Kontroll- und Verwaltungsmittel 40, 42 sind durch eine I/O-Schnittstelle 44 für Einspeisung und Ein/Ausgang der Signale von den externen Vorrichtungen der industriellen Automatisierung (nicht dargestellt) mit einem Klemmenbrett 46 angeschlossen.
Alternativ können die optischen Übertragungsmittel 30, 32 und Empfangsmittel 28, 34 auch aus Übertragern und Empfängern mit Optikstrahlen auf Infrarotfrequenz, Laserstrahlen, Mikrowellen oder anderen optischen gleichwertigen Typen bestehen, auch unter Benutzung von sichtbarem Licht.
Für die Vervollständigung der operativen Verbindung des Systems der Erfindung kann die Einspeisung für jedes der Verbindungsmittel 7, 9', 9'', ..., 9^N getrennt vom optischen Verbindungssystem erfolgen, zum Beispiel durch Reihenanschluss unter Benutzung von Kabeln, oder durch Verwendung von abnehmbaren Klemmenbrettern, um die Vorgänge für Abtrennung und Neuanschluss der Versorgungen bei Ersatz oder Wartung der Verbindungselemente 7, 9', 9'', ..., 9^N und/oder Gehäuse 13 zu erleichtern.
Ebenfalls in bekannter Weise und wie in 1 dargestellt, bestehen die Verbindungsmittel 7, 9', 9'', ..., 9^N aus mehreren Ein- und Ausgangsmitteln 9', 9'', ..., 9^N für Daten, die (über die digitalen Ein- und Ausgänge 11', 11'', ..., 11^N , deren Anzahl 2, 4, 8 oder ähnlich sein kann) mit den externen Vorrichtungen der industriellen Automatisierung (nicht dargestellt) verbunden sind, und aus einem Element 7 für die Sammlung und Ordnung der Daten ("power terminal"), das operativ mit dem Ein- und Ausgang der Daten 9', 9'', ..., 9^N verbunden ist: wie ersichtlich ist dieses Element 7 in bekannter Weise durch einen Feld-Bus 3 mit einer numerischen Kontrolle 1 davor für die Datenverwaltung verbunden.
Mit dem wie oben beschriebenen System können folgende Vorteile erhalten werden:

1. Das System funktioniert noch, auch wenn ein Modul 9', 9'', ..., 9^N entfernt wurde.
2. Sollte auf Grund eines Verbindungsfehlers in der Installationsphase Hochspannung an eins der Module 9', 9'', ..., 9^N , gehen, wird dieses zwar beschädigt, aber die anderen, die galvanisch isoliert sind, funktionieren weiter.
3. Da die Module 9', 9'', ..., 9^N nicht unbedingt neben einander angeordnet werden müssen, können sie in logischer Weise auf Grund des behandelten Signaltyps oder ihrer Funktion aufgeteilt werden, mit darausfolgenden Erleichterungen für das Wartungspersonal und die Bediener.

Claims

Optisches Verbindungssystem für den Datenaustausch zwischen industriellen Automatisierungsvorrichtungen, das mehrere Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) enthält, charakterisiert durch die Tatsache, dass jedes der besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) mit wenigstens zwei Paaren optischen Übertragungsmitteln (30, 32) und Empfangsmitteln (28, 34) ausgestattet ist, wobei jedes Paar aus einem optischen Übertragungsmittel (30, 32) besteht, das sich auf einer Hauptseite (10) eines jeden der besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) befindet; und aus einem optischen Empfangsmittel (28, 34), das sich auf der Hauptseite (12) gegenüber einem jeden der besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) befindet. Für jedes Paar der optischen Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) ist auf den besagten Hauptseiten (10, 12) der besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) entgegengesetzt zum vorherigen Paar (10, 12) der besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) ein Übertragungsmittel (30, 32) vorgesehen, dem ein Empfangsmittel (28, 34) folgt; mit einem Übertragungsmittel (30, 32) als Option danach und so weiter, wobei jedes der besagten Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) für den Datenaustausch mit dem betreffenden Empfangsmittel (28, 34) und Übertragungsmittel (30, 32) eines anderen nahe liegenden Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) kooperiert.
Optisches Verbindungssystem laut Beanspruchung 1, charakterisiert durch die Tatsache, dass eines der besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) auf seiner kleineren Seite (14), rechtwinklig zu den Seiten (10, 12), auf denen sich die Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) befinden, mit wenigstens einem weiteren Paar Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) ausgestattet ist.
Optisches Verbindungssystem laut Beanspruchung 1, charakterisiert durch die Tatsache, dass die besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) sich im Inneren der betreffenden Gehäuse (13) für industrielle Automatisierung befinden, und dass jedes der besagten Gehäuse mit Löchern (16, 18, 20, 22) für die Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) versehen ist, um die gegenseitige Arbeitsfähigkeit zu ermöglichen
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 2, charakterisiert durch die Tatsache, dass die besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) sich im Inneren der betreffenden Gehäuse (13) für industrielle Automatisierung befinden, und dass jedes der besagten Gehäuse mit Löchern (16, 18, 20, 22) für die Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) versehen ist, um die gegenseitige Arbeitsfähigkeit zu ermöglichen und mit Löchern (24, 26) für das besagte wenigstens eine Paar weiterer Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34), um die gegenseitige Arbeitsfähigkeit zu ermöglichen.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 1, charakterisiert durch die Tatsache, dass die optischen Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) aus Übertragern und Empfängern von optischen Strahlen auf Infrarotfrequenz bestehen.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 5, charakterisiert durch die Tatsache, dass die besagten Übertrager und Empfänger mit optischen Strahlen auf Infrarotfrequenz mit dem Protokoll IrDa arbeiten.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 5 oder 6, charakterisiert durch die Tatsache, dass jedes Paar der besagten Übertrager (30, 32) und Empfänger (28, 34) mit einem betreffenden Kodierer/Entkodierer (36, 38) verbunden ist, der seinerseits mit Kontroll- und Verwaltungsmitteln (40, 42) angeschlossen ist, wobei diese Kontroll- und Verwaltungsmittel (40, 42) durch I/O-Schnittstelle (44) mit einem Klemmenbrett (46) für die Versorgung und den Ein/Ausgang der Signale von den externen Vorrichtungen der industriellen Automatisierung verbunden sind.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 7, charakterisiert durch die Tatsache, dass die besagten Kontroll- und Verwaltungsmittel (40, 42) aus einem Element Typ UART (40) und einem Mikroprozessor (42) bestehen.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 1, charakterisiert durch die Tatsache, dass die optischen Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) aus Übertragern und Empfängern mit optischen Laserstrahlen bestehen.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 1, charakterisiert durch die Tatsache, dass die optischen Übertragungsmittel (30, 32) und Empfangsmittel (28, 34) aus Übertragern und Empfängern mit optischen Strahlen auf Mikrowellenfrequenz oder durch sichtbares Licht bestehen.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 1, charakterisiert durch die Tatsache, dass die Versorgung der besagten Verbindungsmittel (7, 9', 9'', ..., 9^N ) getrennt vom besagten optischen Verbindungssystem erfolgt.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 11, charakterisiert durch die Tatsache, dass die Einspeisung durch in Reihe angeschlossene Kabel erfolgt.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 11, charakterisiert durch die Tatsache, dass die Einspeisung durch abnehmbare Verbindungsklemmenbretter erfolgt.
Optisches Verbindungssystem gemäß Beanspruchung 1, charakterisiert, durch die Tatsache, dass die besagten Verbindungsmittel, (7, 9', 9'', ..., 9^N ) aus einer Mehrzahl von zusätzlichen Datenein- und Ausgangselementen (9', 9'', ..., 9^N ) bestehen, die an externe Automatisierungsvorrichtungen angeschlossen sind (11', 11'', ..., 11^N ) und mit einem Element (7) für die Sammlung und Reihenfolge der Daten, das operativ mit obigen Datenein- und Ausgangselementen (9', 9'', ..., 9^N ) verbunden ist, dieses Element (7) für die Datensammlung und Reihenfolge ist durch einen Feld-Bus (3), mit einer numerischen Kontrolle (1) für die Datenverwaltung verbunden.