JP6865815B2 - 電流ループを介した電流変調データ伝送のための通信システム及び方法 - Google Patents

電流ループを介した電流変調データ伝送のための通信システム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、マスターデバイスと少なくとも1つのスレーブデバイスとの間の電流変調データ伝送のための通信システムに関する。さらに、本発明は、そのような通信システムにおいて使用するためのマスターデバイスおよびスレーブデバイス、ならびにそのような通信システムの構成を自動的に検出するための方法に関する。
自動化技術では、例えば、相互にデータを交換することができるように伝送媒体を介して相互接続される中央コントローラおよび複数のI/Oデバイスを備える通信システムを使用することが知られている。
自動車において実施される通信システムは、特許文献１から知られている。通信システムは、中央ユニットと、複数の制御モジュールとを有し、これらの制御モジュールは、デジタルデータを交換できるようにバスシステムによって接続されている。バスシステムは、制御モジュールに電力を供給するために、およびデジタルデータの伝送のために使用される単線システムとして構成される。デジタルデータは、直流電圧の電圧変調によって中央ユニットから制御モジュールに送信され、一方、制御モジュールから中央ユニットへのデータ信号の送信は、全負荷電流の変調によって達成される。
マスタースレーブ原理に従う、自動車乗員保護システムにおいて実施される通信システムも、特許文献２から知られている。ここで、上位の制御ユニットは、共通のデータバスを介して機能部と接続されている。この上位の制御ユニットは、データバスを介して機能ユニットにデータワードを送信し、データワードは、高電圧値と低電圧値との間で変化する電圧を有する単極電圧信号の形態である。したがって、電圧は常にデータバスに印加され、その結果、機能ユニットは、対応するインピーダンス負荷によって、電流パルスの形態のフィードバックを前記上位の制御ユニットに送信することができる。
先行特許出願である特許文献３は、電流ループを介して相互接続されたマスターデバイスと少なくとも1つのスレーブデバイスとの間の電流変調データ伝送のためのデータ伝送システムを開示している。
欧州特許第０８３６９６７号明細書 欧州特許第１１８０２７８号明細書 独国特許出願公開第１０２０１５１１１１１２．８号明細書
本発明は、システム構成を自動的に検出することができるように、既知のデータ伝送システムをさらに発展させることを目的とする。
本発明の出発点は、静止電流の変調によって電流ループを介してデータを伝送することができる先行特許出願である。静止電流原理によれば、所定の一定の静止電流が、アイドル状態で、すなわちデータ伝送システムの故障のない動作中に、回路を通って絶えず流れる。そのような通信システムに適した適用分野は、工業分野、特に安全指向自動化システムの分野を含むことができる。
本発明の重要なアイデアとして考えられることは、評価・制御ユニットによって作動可能な更なるスイッチング手段をスレーブデバイスに備えることであり、このスイッチング手段は、システム構成検知フェーズ中に一時的に閉じられ、それによって電流ループを短絡し、その後再び開かれる。
上記の技術的課題は、請求項1の特徴および独立請求項14から16の特徴によって解決される。
本発明は、添付の図面と併せて、いくつかの例示的な実施形態を参照して、より詳細に説明される。
マスターデバイスと少なくとも2つのスレーブデバイスとを備える通信システムの基本ブロック図を示す。 例示的な冗長構成されたスレーブデバイスのブロック図を示す。 さらなる例示的な冗長構成されたスレーブデバイスのブロック図を示す。 さらなる例示的な冗長構成されたスレーブデバイスのブロック図を示す。 例示的な冗長構成されたマスターデバイスのブロック図を示す。 さらなる例示的な冗長構成されたマスターデバイスのブロック図を示す。 図1に示す例示的な制御可能電流源の基本回路構成を示す。 電流源の調整された電流の例示的な時間プロファイルを示す。 電流源の出力電流の例示的な時間プロファイルを示す。 電流ループの例示的なロジック状態を示す。 出力電圧の時間プロファイルを示す。 2つの光カプラを含む例示的なスレーブデバイスのブロック図を示す。
図1は、マスターデバイス20から少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150n、およびその逆への電流変調データ伝送を可能にする例示的な通信システム10を示す。以下、マスターデバイスおよびスレーブデバイスを、単にマスターおよびスレーブとも称する。通信システム10は、例えば、工業的自動化システムの一部であってもよい。送信され得るデータは、例えば、状態変更要求信号またはシャットダウンコマンドなどの制御データ、プロセスデータ、パラメータ化データ、診断データ、構成データ、および/または安全関連データを含む。
例えば、通信システム10は、マスターデバイス20に直列に接続された2つのスレーブデバイス1501及び150nのみを含むとする。2つのスレーブ1501と150nの間の点々（・・・）は、2つを超えるスレーブがマスターに直列に接続可能であることを示す。したがって、例示的な通信システム10は、マスタースレーブシステムとして構成される。
通信システム10は、チェーンと同様に、マスターデバイス20とスレーブデバイス1501、150nとが接続される電流ループ140を備えている。電流ループ140は、特にデータバスとして有効である。
通信システム10の電力供給、特にマスターおよびスレーブデバイスの電力供給は、電流ループを介して、または好ましくは本発明の主題の一部を形成しない複数の別個の電力供給装置を介して達成することができる。好ましくは、マスター20およびスレーブ1501および150nは、それぞれ、独自の電源を有する。例えば、マスターデバイス20は、端子90、230、231を有し、外部電力供給源は、マスターデバイス20に電力を供給するために接続され得る。同様に、それぞれのスレーブデバイスに電力を供給するためのそれぞれの電源は、それぞれスレーブデバイス1501および150nの端子2201および220nで接続することができる。
マスターデバイス20は、電流ループ140の導線部141および142が接続され得る2つの接続端子または接続端子130および131を有する。接続端子131はグランドに接続され、接続端子130は信号端子として機能する。このようにして、スレーブ1501および150nとマスター20とは、以下にさらに説明するように、一対の接続端子130および131を介して相互接続される。
マスターデバイス20は、更に、図1にLOGICで示される第1の評価・制御ユニット60を有する。評価・制御ユニット60は、マイクロコントローラを含むことができる。
評価・制御ユニット60は、例えば、通信システム10のアイドル状態または動作状態を知らせる外部スイッチング状態を検出するように構成される。この目的のために、マスターユニット20は、外部スイッチング状態を供給するスイッチング手段30が接続され得る入力40を有することができる。例えば、スイッチング手段30は、非常停止スイッチであってもよい。スイッチング手段30によって生成された信号は、信号調整ユニット50を介して評価・制御ユニット60に供給される。さらに、マスターデバイス20は、電流ループ140に接続された電流源100を含み、特に、電流ループ140に一定の静止電流を注入するように構成される。実装に応じて、静止電流のレベルは、調整または制限され得る。電流源100は、実装に応じて、評価・制御ユニット60によって任意に制御され得る電圧制御電流源であり得る。制御電圧は、例えば、端子90に接続可能であり、接地にも接続される直流電圧源520(図7に示される)によって供給され得る。
電源を実現するための有利な制御可能な回路配置が図7に示されている。
電流源100は、定電流源であり、定電流源は、例えば、レギュレータのフィードバック入力FBへの電流制御電圧フィードバック530を有する、レギュレータおよびステップダウンコンバータを含むスイッチング電源500を備える。図7は、マスター20の入力90に接続できる電圧源520を示す。スイッチング電源500は、評価・制御ユニット60によって作動可能なスイッチ510を介して、およびON/OFF入力を介して、オンまたはオフに切り替えることができる。故障動作では、スイッチング電源500はスイッチオフされてもよいが、スイッチオフされる必要はない。言い換えれば、電流ループ140が短時間またはそれより少し長い時間だけ中断される場合、スイッチング電源500はスイッチオフされる必要はない。電流ループの短時間の中断によって引き起こされるマスター20の端子131および132における電圧の上昇は、図7に示される回路構成によって補償される。
電流制御電圧フィードバックのために、ダイオード540、コイル541、およびコンデンサ542を含むPI回路が、スイッチング電源500の出力SWに接続される。ダイオード540のアノード端子は接地され、カソード端子はスイッチング電源500の出力SWに接続される。抵抗器543および544を含む第1の分圧器は、コンデンサ542に並列に接続される。分圧器の中央タップは比較器548の非反転入力に接続され、抵抗器543の一方の端子は接地に接続され、抵抗器544の一方の端子はコイル541に接続される。コイル541の他方の端子は、スイッチング電源500の出力SWに接続されている。抵抗器546および547を含むさらなる分圧器が設けられ、その中央タップは比較器548の反転入力に接続されている。抵抗器547の一方の端子は比較器548の出力に接続され、比較器548はさらなる比較器549の非反転入力に接続されている。直列抵抗器545は、コイル541の端子および抵抗器546の端子に接続されている。さらなる分圧器は、3つの抵抗器550、551、および554を備える。抵抗器551の一方の端子はスイッチング電源500のFB入力に接続され、電流制御電圧フィードバック530の一部を形成する。抵抗器551の他方の端子はさらなる比較器549の出力に接続されている。ツェナーダイオード555のアノード端子は、電圧制限の目的でフィードバック端子FBに接続され、ツェナーダイオード555のカソード端子は、直列抵抗器545に接続される。抵抗器554は、更なる比較器549の出力とその反転入力との間に接続される。抵抗器550は、比較器549の反転入力と接地との間に接続される。ツェナーダイオード555のカソード端子とアースとの間には、電圧制限のためにコンデンサ553およびさらなるツェナーダイオード552が接続され、ツェナーダイオード552のアノード端子はアースに接続される。電流リミッタ560は、ツェナーダイオード552のカソード端子と接続点132との間に接続することができる。
さらに、マスターデバイス20は、電流ループ140に接続され、評価・制御ユニット60によって作動可能なスイッチング手段110を備える。スイッチング手段110は、例えば、情報を伝送する目的で、電流源100によって電流ループ140に注入される静止電流を変調する、すなわちオンおよびオフに切り替えるように、電流ループ140を閉じるかまたは遮断するように構成される。
さらに、マスターデバイス20は、電流ループ140に接続された電流検出手段120を備え、電流ループ140は、評価・制御ユニット60に接続されている。評価・制御ユニット60は、電流検出手段120によって測定される電流Imを評価するように構成される。さらに、評価・制御ユニット60は、例えば、評価結果に応答して定義された動作の実行を引き起こすように構成されてもよい。電流検出手段120は、電流ループに接続された抵抗121と、抵抗121に接続された差動アンプ122とによって実現することができる。差動アンプ122の出力は、評価・制御ユニット60の入力に接続される。差動アンプ122は、それ自体公知の方法で測定抵抗器121の両端間の電圧降下を測定し、この電圧降下は電流ループ140を流れる電流に比例する。あるいは、光カプラを、例示としてブロック600として、スレーブデバイス1501''''に関連して図9に示されるように、電流検出手段120として使用してもよい。
マスターデバイス20は、第1の評価・制御ユニット60によって制御され得る少なくとも1つの出力を有することができ、図1において出力端子71および72によって表される。出力は、評価・制御ユニット60によって作動可能なスイッチング手段、特に図1にスイッチ80および励磁コイル81によって表されるリレーによって実現することができる。励磁コイル81は、例えば、接続端子230および231に接続された電源によって給電することができる。出力端子71、72には図示しないアクチュエータを接続することができる。アクチュエータは、機械、自動化システムのロボットなどの機械部品であってよく、要求に応じて、または故障の場合に安全にスイッチオフされなければならない。
さらに、マスター20は、電流ループ140の入力、すなわち接続点132、および接地端子131に接続される電圧計240を含むことができる。電圧計240の出力は評価・制御ユニット60に接続されている。この場合、評価・制御ユニット60は、さらに、電圧計240によって測定される電圧Umを評価し、好ましくは、評価結果に応答して定義された動作を実行させるように構成される。このようにして、マスター20は、例えば、電流ループ140内のクロス回路を検出し、任意選択で、通信システム10全体をシャットダウンさせることができる。
図1に示されるスレーブデバイス1501および150nの構成は以下により詳細に説明するが、図示するこれらのスレーブデバイスは実質的に互いに類似する構成を有することができると仮定する。また、スレーブデバイス1501および150nは、同様の機能を実行することができる。これは、インデックス（添え番）のみが異なる同じ参照番号を用いて示される。したがって、この構成は、スレーブデバイス1501に関してのみ説明される。
スレーブデバイス1501は、一対の接続端子1801、1811を有し、電流回路140の導線部141、142を接続することができる。このようにして、スレーブデバイス1501は、マスターデバイス20の接続端子130、131に接続される。一対の接続端子1861および1871を介して、スレーブデバイス1501は、電流ループ140の導線部143および144に接続され、そして、スレーブデバイス150nの2つの対応する接続端子180nおよび181nにまで接続される。接続端子1801および1811は、電流ループ140の一部とみなすことができる導線部1451を介して内部的に接続される。スレーブデバイス1501の導線部142および導線部1451は、電流ループ140の帰路の一部を形成することに留意されたい。
さらに、スレーブデバイス1501は、評価・制御ユニット1601を備え、これは、第2の評価・制御ユニット1601とも呼ばれ得る。評価・制御ユニット1601は、同様に、マイクロコントローラによって実現され得る。
任意選択で、スレーブデバイス1501は、電流ループ140に接続され、電流ループ140を介してスレーブデバイス150nおよび/またはマスターデバイス20にデータを送信するために、第2の評価・制御ユニット1601によって提供される制御信号に応じて電流ループ140の総抵抗を変調するように構成された電圧変調器1901を備えることができる。電圧変調器1901は、評価・制御ユニット1601によって制御される電気抵抗によって、または制御可能なインピーダンスによって実装されてもよい。電流ループ140の総抵抗の変化および電流ループ140の入力における関連する電圧変化は、電圧計240によって測定され、マスター20の評価・制御ユニット60によって評価され得る。実装に応じて、評価・制御ユニット60は、評価結果に応答して定義された動作の実行を引き起こすことができる。
スレーブデバイス1501は、更に、電流ループ140に接続された電流検知手段1701を含み、電流ループ140は、第2の評価・制御ユニット1601に接続されている。電流検知手段1701は、電流ループ140に接続された測定抵抗1721を含み、測定抵抗1721の両端の電位降下は、差動アンプ1711によって検知される。差動アンプ1711は、評価・制御ユニット1601に接続されている。
スレーブデバイス1501の評価・制御ユニット1601は、電流検知手段1701によって測定された電流Imを評価するように構成される。実装に応じて、評価・制御ユニット1601は、評価結果に応じて、定義された動作の実行を引き起こしてもよい。
あるいは、電流検知手段1701は、図9に示すような光カプラ600によって実現されてもよい。光カプラ600は、スレーブデバイス1501の端子1801と1861との間に接続される光送信器601、例えばLEDダイオードを含む。光受信器602としてフォトトランジスタを使用することができる。フォトトランジスタ602は、電流ループ140の電流に依存する電流を評価・制御ユニット1601に供給する。
スレーブデバイス1501は、例えば、スレーブデバイス1501のアドレス、状態変更要求信号(シャットダウンコマンド)、または状態情報などの情報を、スレーブデバイス150nおよび/またはマスター20に電流変調方式で送信できるようにするために、電流ループ140に接続され、評価・制御ユニット1601からの制御信号に応じて開閉可能な、第2のスイッチング手段とも呼ばれるスイッチング手段2001を含む。このようにして、電流ループ140は、スレーブデバイス1501によって選択的に遮断され得る。電流ループ140の中断の持続時間は、伝送されるべき情報に依存し、それは、評価・制御ユニット1601に知られる。電圧変調器1901を設ける場合には、電圧変調器1901と接続端子1861との間にスイッチング手段2001を接続すればよい。
通信システム10の構成を自動的に検出できるようにするために、スレーブデバイス1501は、第3のスイッチング手段とも呼ばれる更なるスイッチング手段2501を含み、このスイッチング手段は、評価・制御ユニット1601によって作動可能であり、閉状態にあるときに電流ループ140を短絡するように構成されている。このために、スイッチング手段2501は、接続端子1861と1871との間に直接的に接続されていてもよい。
評価・制御ユニット1601は、システム構成検知フェーズの間、スイッチング手段2501を一時的に閉じ、次いで再び開くように構成される。スイッチング手段2501が閉じられる期間は、例えば固定的に予め定められてもよいし、イベント制御されてもよい。システム構成検知フェーズは、スレーブ接続モード、スレーブ・ループインモード、または教示モードとみなすこともでき、これは好ましくはマスター20の評価・制御ユニット60によって開始される。システム構成検知フェーズの動作は、以下でさらに詳細に説明される。
マスター20の評価・制御ユニット60は、スレーブデバイス1501および電流ループ140に接続されたそれぞれのさらなるスレーブデバイス150nの接続を検出するように構成される。例えば、評価・制御ユニット60は、スイッチング手段2501が開いていると、電流ループ140の総抵抗は増加するのでそれによりスレーブデバイス1501の接続を検出する。電流ループ140の入力131、132によって引き起こされる電圧変化は、電圧計240によって測定され、1つのスレーブの接続として評価・制御ユニット60によって解釈することができる。
スレーブデバイス1501は、第2の評価・制御ユニット1601によって制御可能であり、出力端子1841および1851によって表される少なくとも1つの第2の出力を有することができる。制御可能な出力は、例えば、リレーとして実装されるスイッチ2101によって表されている。やはり、ロボット、マシンなどのアクチュエータが、出力端子1841および1851に接続され得る。
これに代えて、またはこれに加えて、スレーブデバイス1501は、入力端子183によって表される少なくとも1つの入力を有してもよい。入力において、センサ、例えば、位置スイッチ、光グリッド等が接続され、これらは、プロセスを監視することができる。このように実装されたスレーブは、通信システム10のI/O加入者として有効である。
電流ループ140は、終端手段270、好ましくは規定されたサイズの電気抵抗器によって終端されることに留意されたい。図1に示すように、スレーブデバイス150nが電流ループ140の最後の加入者である場合、終端装置270は、スレーブデバイス150nの接続端子186nと187nとの間に直接的に接続される。このケースでは、電流ループ140の帰路は、さらに、接続端子181nと187nとの間に延在する導線部145nを含む。
図1に示されるような通信システムが安全指向アプリケーションで使用可能であるために、マスターデバイス20および少なくともいくつかのスレーブデバイスが安全指向加入者として構成されることが好ましい。以下に、そのいくつかの実施形態を説明する。
図2は、冗長的に構成されたスレーブデバイス1501'の第1の例を示す。単に任意選択である電圧変調器1901を除いて、スレーブデバイス1501のすべてのコンポーネントを含む。
更に、スレーブデバイス1501'は、LOGIC2とも呼ばれる更なる評価・制御ユニット290を有する。スレーブデバイス1501'は、評価・制御ユニット290によって制御可能な第2の出力280、281を有する。これは、2つの出力端子280と281との間のスイッチング手段215によって回路的に表されている。スイッチング手段215は、スイッチング手段2101と同様に、リレーとして実装されてもよい。アクチュエータ、例えば機械部品を第1の出力184、185および第2の出力280、281に接続することができることに、すでに留意されたい。スイッチング手段2101及び215の両方が閉じられるときのみ、装置部分は作動準備完了となる。2つのスイッチング手段2101および215の一方が開放されると、装置部分は遮断される。評価・制御ユニット290に接続されたさらなる入力282を設けることができる。入力1831と同様に、センサ、例えば非常停止スイッチを第2の入力282に接続することもできる。
冗長構成されたスレーブデバイス1501'は、さらに、例えば測定抵抗1721に接続された差動アンプを含む第2の電流検知手段300を含む。第2の電流検出手段300の差動アンプの出力は、第2の評価・制御ユニット290に接続される。
接続端子1801と1861との間に延在する電流ループ140の順方向経路には、第2の評価・制御ユニット290によって制御されるさらなるスイッチング手段310が設けられている。例えば、さらなるスイッチ装置310は、接続端子1801と測定抵抗1721との間の電流ループにループされる。スイッチング手段310は、電流変調されたデータを伝送するために、評価・制御ユニット290によって開閉される。
さらなるスイッチング手段320がスイッチング手段2501と直列に接続されていて、特にシステム構成検知フェーズ中に電流ループ140を短絡する。スイッチング手段320は、第2の評価・制御ユニット290によって制御される。2つのスイッチング手段2501および320が閉じているときのみ、電流ループ140はスレーブデバイス1501'に対して短絡される。なお、スイッチング手段2501とスイッチング手段320とは並列に接続されていてもよい。また、2つのスイッチング手段の一方を省略してもよい。
図3は、冗長的に構成されたスレーブデバイス1501''のさらなる実施形態を示す。図2の冗長スレーブデバイス1501'と異なるのは、スイッチング手段310が電流ループ140の順方向経路にループされず、むしろスイッチング手段311として戻り経路1451にループされるという点でだけである。
図4は、冗長的に構成されたスレーブデバイス1501'''のさらなる実施形態を示す。これもまた、スレーブデバイス1501のコンポーネントを備える。
スレーブデバイス1501'および1501''と図4に示すスレーブデバイスとの間の本質的な違いは、さらなる電流検知手段330が電流ループ140の順方向経路ではなく、戻り経路にループされていることである。
上記の冗長電流検出手段330は、測定抵抗331と、その出力が冗長評価・制御ユニット350に接続されている差動アンプ332とを備えることができる。測定抵抗331は、接続端子1811と1871との間の電流ループ140の順方向経路に接続されている。
さらなるスイッチング手段340が測定抵抗331と接続端子1871との間に接続されている。スイッチング手段340は、スイッチング手段201の他に冗長的に設けられ、同じ目的、すなわち、例えば、電流ループを介して電流変調方式でデータを伝送する役割を果たす。スイッチ340は、評価・制御ユニット350によって制御される。評価・制御ユニット350はまた、スイッチング手段2501と直列に接続されるスイッチング手段320を制御する。
図2および図3に示した変形例と同様に、スレーブデバイス1501'''は、評価・制御ユニット350によって制御可能なさらなる出力360、361を有する。これは、やはりリレーとして実装することができるスイッチング手段370によって表される。アクチュエータ(図示せず)が、第1の入力1841、1851、および第2の入力360、361の両方に接続されることに留意されたい。更なる入力362を設けることができ、これにもセンサを接続することができる。さらなる出力360、361およびさらなる入力362は、評価・制御ユニット350に接続される。
図5は、図1に示すマスターデバイス20のコンポーネントを含む冗長構成のマスターデバイス20'の一例を示す。さらに、それは、さらなるコンポーネントを含む。
特に、マスターデバイス20'は、電流ループ140の戻り経路にループされる冗長電流検出手段410および冗長スイッチング手段420を含む。電流検出手段410は、電流検出手段120と同様に、測定抵抗411および差動アンプ412を備えることができる。測定抵抗411は、接地と接続端子131との間に冗長スイッチング手段420と直列に接続される。差動アンプ412の出力は、第2の評価・制御ユニット380に接続される。第1の評価・制御ユニット60（LOGIC １）と同様に、評価・制御ユニット380の入力は、信号調整ユニット430を介して、例えば非常停止スイッチ30が接続されている入力40に接続することができる。スイッチング手段420は、電流源100によって注入される静止電流を変調することによってデータを変調するために、評価・制御ユニット380によって作動され得る。
マスターデバイス20'は、例えば、リレーに内部的に接続されるさらなる出力390、391を有し得る。リレーは、スイッチング手段400およびコイル手段401によって概略的に示されており、コイル手段401は、やはり冗長評価・制御ユニット380によって制御することができる。安全関連アクチュエータは、第1の出力71、72および第2の出力390、391に接続することができる。アクチュエータは、両方の出力が閉じている、すなわちイネーブルされている場合にのみ動作可能である。出力の一方が開放またはディスエーブルされると、アクチュエータはスイッチオフされる。
好ましくは、第2の電圧計245が、接続点132と接地との間に接続されてもよい。電圧計245の出力も冗長評価・制御ユニット380に接続される。有利には、2つの評価・制御ユニット60および380は、例えば測定された電圧を比較するために、互いに通信することができる。電圧計240、245によって測定された電圧が一致しない場合、マスターデバイス20'は、例えば、通信システムをシャットダウンさせることができる。
図6は、第1の電流検出手段120と同様に、電流ループ140の順方向経路にループされた冗長電流検出手段440を有することによって、図5に示すマスターデバイス20'とは異なる冗長構成のマスターデバイス20"のさらなる例を示す。
冗長電流検出手段440は、既存の測定抵抗121に接続される差動アンプを含む。冗長電流検出手段440の差動アンプの出力信号は第2の評価・制御ユニット380に供給される。
ここで、図5および図6にそれぞれ示す冗長電流検出手段410および440を、光カプラの形態で設けることもできることに留意されたい。
図9は、前述した例示的なスレーブデバイス1501''''を示し、これは、順方向経路にループされたスイッチング手段2001が光カプラ610によって置き換えられ、図1に示された電流検出手段1701が光カプラ600によって置き換えられるという点で、図1に示されたスレーブデバイス1501とは異なる。
スイッチング手段として機能する光カプラ610は、例えば、発光ダイオード612の形態の光送信器を含み、発光ダイオード612は、評価・制御ユニット1601の出力に接続される。電流ループ140の順方向経路に接続されたエミッタ−コレクタ経路を有するフォトトランジスタ611を、光受信器として使用することができる。
次に、図1に示す例示的な通信システム10の動作をより詳細に説明する。
最初に、通信システム10が適正に動作する、すなわち、スイッチ30、スイッチ510、マスターデバイス20のスイッチング手段110、及び2つのスレーブデバイス1501及び150nのスイッチング手段2001及び200nが閉じられ、一方、スイッチング手段2501及び250nが開いていると仮定する。その結果、図7に詳細に示す電流源100は、閉電流ループ140に一定の静止電流を注入する。従って、電流検知手段120、1701、170nは全て同じ静止電流を測定し、これは各評価・制御ユニット60、1601、160nにより適正な動作として解釈される。動作中、マスター20とスレーブ1501および150nとの間では、実装された通信プロトコールに基づいて、マスター20によりスイッチング手段2001を、スレーブデバイス1501によりスイッチング手段200nを、または、スレーブデバイス150nによってスイッチング手段110を、開閉することによって、データを交換することができる。このようにして、所定の長さの電流パルスを一定の静止電流に導入することができる。電流検知手段120、1701、170nは、それぞれ、このような変調された静止電流を検知するように構成されている。変調された静止電流の評価は、評価・制御ユニット60、1601および160nにおいて行われる。このようにして、加入者間で、例えば、アドレス、処理データ、構成データ、制御コマンド等を交換することが可能である。
ここで、スレーブデバイス1501の入口1831に接続された非常停止スイッチがオペレータによって作動されたと仮定する。スレーブデバイス1501の評価・制御ユニット1601は、非常停止スイッチ1831の作動を臨界状態と解釈し、評価・制御ユニット1601は、状態変更要求信号を生成するために、スイッチング手段2001に、電流ループ140を所定の期間中中断させる。状態変更要求信号は、例えば安全状態が要求されたこと、また、例えば特定のアクチュエータの停止、を知らせる。実装に応じて、評価・制御ユニット1601は、例えばマスター20からの要求に応じて、即座に、またはスイッチ2101を開くことによって、出力1841、1851を安全状態に移し、これによって、非常停止スイッチの作動に応答し得る。このようにして、出力に接続されたアクチュエータをシャットダウンすることができる。
なお、このとき、マスター20の評価・制御ユニット60は、状態変更要求信号を生成するためにスイッチング手段110を駆動することができる。また、評価・制御ユニット160nは、スレーブ150nのスイッチング手段200nを駆動して、状態変更要求信号を生成するように構成することもできる。
スイッチング手段2001の開放による電流ループ140の遮断は、電流ループを通る電流の流れも遮断する、すなわち、所定の長さの電流パルスが、いわば、一定の静止電流から切り取られる。この所定の長さの「負の」電流パルスは、スレーブデバイス150nの電流検出手段171nおよびマスター20の電流検出手段120によって検出され、それぞれ対応する評価・制御ユニット60および160nによって状態変更要求信号として解釈される。検出された状態変更要求信号に応答して、マスター20の評価・制御ユニット60は、出力71、72を安全状態に移行させる。これは、例えば、リレー80、81を開くことによって達成される。同様に、評価・制御ユニット160nは、例えばスイッチング手段210nを開くことにより、スレーブデバイス150nの1841、1851を安全状態に移行させる。出力が半導体出力として実施される場合、安全状態は、半導体出力がロー状態に設定されることを意味する。
実装に応じて、評価・制御ユニット60、1601、および160nは、状態変更要求信号を検出すると、スイッチング手段110、スイッチング手段2001、およびスイッチング手段200nを開くことができる。スレーブデバイスは、さらに、それぞれ、スイッチング手段2501および250nを閉じることができる。これにより、通信システム10を確実に安全状態に保つことができる。換言すれば、通信システムはロックされる。したがって、動作状態への意図しないリセットが防止される。有利なことに、システム構成検知フェーズとも呼ばれるループインモードは、マスターデバイス20によって開始することができ、特に、どの加入者が状態変更要求信号を生成したかを見つけるために使用することができる。
また、通信システム10が安全状態になると、すなわち、マスター20の出力71、72およびスレーブデバイス1501、150nの出力がそれぞれ安全状態になると、スイッチング手段2501、250nは、最初は閉じられず、開いたスイッチング手段110、2001、200nは所定の時間後に再度閉じられる場合が考えられる。このようにして、通信システム10が安全状態に保たれている場合でも、静止電流の電流変調によって加入者間でデータを伝送できることが達成される。しかしながら、このことは、通信システム10が安全である限り、電流パルスを静止電流から切り離してはならないことを保証しなければならないことを意味し、この電流パルスは、さもなければ、評価・制御ユニット60、1601、及び160nによって、それぞれの出力をリセットするための指令として解釈される。この場合、ループインモードを開始するために、マスター20の評価・制御ユニット60は、所定の期間の間、スイッチング手段を開き、その結果、この所定の期間の間、静止電流が遮断される。この「負の」電流パルス、すなわち、静止電流が流れていないことは、評価・制御ユニット1601および160nによるループインフェーズを実行するための要求として解釈することができる。この所定の長さの負の電流パルスに応答して、評価・制御ユニット1601および160nは、スイッチング手段2501および250nならびにスイッチング手段2001および200nを閉じる。マスター20のスイッチング手段110も閉じられる。この状態は、電流ループ140の入力131、132における関連する電圧変化に起因して、マスター20の電圧計240によって検出され得る電流ループ140の全抵抗の変化をもたらし、評価・制御ユニット60によって評価され得る。ここで、通信システム10は、以下に説明するループインモードにはいる。
マスター20の評価・制御ユニット60は、スイッチング手段110を駆動して、例えば、所定の時間に1回開き、次いでそれを再び閉じることによって、第1の電流変調信号を生成する。第1の電流変調された信号は、必ずしも必要ではないが、チェーンにおいてマスター20のすぐ下流にあるスレーブデバイス1501をアドレスすることができる。しかし、スイッチング手段2501が閉じているので、第1の電流変調された信号は、スレーブデバイス1501の電流検出手段1701によってのみ検出され、スレーブデバイス1501の評価・制御ユニット1601によって、対応するループイン信号として解釈される。
スレーブデバイス1501の評価・制御ユニット1601は、特定のレスポンス情報を生成するために、所定の周期の間、スイッチング手段2001を開くか、または所定の律動で開閉するように構成されてもよい。レスポンス情報は、スレーブデバイス1501のアドレスと、スレーブデバイス1501が以前に状態変更要求信号を生成したことの情報を含むことができる。このようなレスポンス情報は、マスター20の電流検出手段120によって検出され、評価・制御ユニット60によって評価される。なお、スレーブ1501の評価・制御ユニット1601は、レスポンス情報の送信直後にスイッチング手段2501を再び開くようにしてもよい。これに代えて、スレーブ1501の評価・制御ユニット1601は、最初にスイッチング手段2501を開き、そのあと電流変調信号としてレスポンス情報を送信するように構成することも考えられる。ただし、スレーブ1501のレスポンス情報は、下流のスレーブデバイス150nにも渡される。このとき、スレーブ150nの評価・制御ユニット160nは、このレスポンス情報はマスター20ではなく、それ自体が対象としていることを検出するように構成されてもよい。
マスター20は、スレーブデバイス1501からレスポンス情報を受信し、評価するとすぐに、スレーブデバイス1501が電流ループ140にループバックされ、システム状態変更を要求したことを知る。
評価・制御ユニット60は、スレーブデバイス1501のレスポンス情報を受信し、評価すると、第1の電流変調信号に等しくてもよい第2の電流変調信号をスイッチング手段110によって生成する。しかし、代替的に、第2の電流変調信号は、さらなるスレーブデバイス150nがマスター20に知られている場合、そのアドレスを含んでもよく、あるいは第1の電流信号とは単に異なった持続時間を有してもよい。スレーブデバイス150nが第2の電流変調信号を受信し、評価すると、評価・制御ユニット160nは、例えば、スイッチング手段200nを駆動することによって、スレーブデバイス150nのアドレスを含むレスポンス情報を生成することができる。なお、評価・制御ユニット160nは、レスポンス情報の送信後または送信前に、スイッチング手段250nを再開してもよい。スレーブデバイス150nのレスポンス情報から、マスターデバイス20は、第2のスレーブデバイス150nが再度電流ループ140にループされたことを認識する。
この手順は、すべてのスレーブデバイスが応答信号をマスター20に送信し、したがって現在のループにループされるまで繰り返される。
この時点で、電流ループ140の全抵抗はスレーブデバイスの各ループインと共に変化するので、マスター20は電圧計240を通して電流ループの入力131、132における電圧変化からスレーブデバイスのループインを検出することもできることに留意されたい。
全てのスレーブデバイスがループインされ、通信システム10が再び動作の準備ができると、評価・制御ユニット60は、スイッチング手段110を作動させることによって、いわゆる解除信号を電流ループ140に注入することができる。解除信号は、全てのスレーブデバイス1501および150nによって受信され、この時点で、スイッチング手段2001および200nは閉じられ、そしてスイッチング手段2501および250nは再度開かれる。
この時点で、オペレータは、通信システム10の適切な動作をマスターデバイス20に信号で知らせ、次いで、マスターデバイス20は、対応する解除信号を生成することができることに留意されたい。解除信号に応じて、評価・制御ユニット1601はスイッチング手段2101を再開させ、一方、評価・制御ユニット160nはスイッチング手段210n、したがってスレーブデバイス150nの出力184n、185nを再開または再度スイッチオンさせる。半導体出力の場合、このような出力はハイレベルに設定される。
ここで、図1に示す通信システムを初めて運用する場合を想定する。このために、すべてのスイッチング手段、すなわちスイッチング手段110、2001、200n、2501、および250nが閉じられる。
システム構成を自動的に検出できるようにするために、教示モードとしても知られるシステム構成検知フェーズがマスター20によって開始される。教示モード中にスレーブデバイス1501、150nからマスターにアドレスが転送されない限り、スイッチ2001、200nはシステム構成検知フェーズ中閉じたままである。
最初に、マスター20の評価・制御ユニット60は、例えば、所定の期間スイッチ110を開くことによって、所定の長さの第1の電流パルスを生成する。0A（ゼロアンペア）の静止電流に対応するこの第1の電流パルスは、スイッチ2501および250nが閉じられているので、スレーブデバイス1501によってのみ見ることができる。評価・制御ユニット1601は、第1の電流パルスを解釈し、システム構成検知フェーズが開始されたと結論付ける。
スレーブデバイス1501が電流ループ140にループされていることをマスター20に知らせるために、評価・制御ユニット1601は、スイッチング手段2501を開放させる。その結果、静止電流がスレーブデバイス150nにも流れるので、電流ループの全抵抗が変化する。関連する電圧変化は、マスター20の電圧計240によって電流ループ140の入力131、132において検出され、スレーブデバイス1501のループインとして評価・制御ユニット60によって解釈される。
例えば、マスター20が電圧計240を含まない場合、スレーブデバイス1501は、例えばスレーブデバイス1501 のスイッチ2001を規定された時間開くことによって、それがループインされるべきことをマスター20に知らせることができる。これに代えて、スレーブデバイス1501は、スイッチング手段2001を開閉することにより、スレーブデバイス1501のアドレスを任意に含むレスポンス情報をマスター20に送信するようにしてもよい。対応して変調された静止電流は、電流検出手段120を介してマスターデバイス20によって受信され、それに応じて評価・制御ユニット60によって評価される。
マスターデバイス20がスレーブデバイス1501のループインを検出すると、スイッチング手段110を再度駆動することにより、電流ループ140にさらなる電流パルスを発生する。このさらなる電流パルスが第1の電流パルスと同一であるかは、スレーブデバイス1501によって確認され、スレーブデバイス150nによってシステム構成検知フェーズの開始として識別される。これにより、スレーブデバイス1501は、マスターデバイス20により正しく検出されたことを認識することができる。さらに、このようにして、電流ループ140内のその位置を制御することもできる。受信電流パルスの数は、チェーン内のスレーブデバイス1501の下流のスレーブデバイスの数に対応するからである。
このさらなる電流パルスに応じて、評価・制御ユニット160nは、スイッチング手段250nを開放させる。結果として、規定された終端抵抗器270は電流ループ140にループされ、電流ループ140の全抵抗を変化させ、マスター20の電流ループ140の入力に突然の電圧変化をもたらす。この場合も、マスター20は、この電圧変化を、さらなるスレーブ150nのループインとして識別する。例えば、マスター20が電圧計240を有しない場合、スレーブデバイス150nは、例えば、一定期間スイッチング手段200nを開くことによってマスター20にループインする信号を送ることができる。これに代えて、スレーブデバイス150nは、スイッチング手段200nを開閉することにより、スレーブデバイス150nのアドレスを任意に含むレスポンス情報をマスター20に送信するようにしてもよい。対応して変調された静止電流は、電流検出手段120を介してマスターデバイス20によって受信され、それに応じて評価・制御ユニット60によって評価される。
2つ以上のスレーブデバイスが電流ループ140に接続される場合、上述の手順は、全てのスレーブが検出されるまで繰り返される。マスター20は、例えば、電流ループ140の入力において電圧変化が検出されなかったこと、またはマスター20によって生成された最後の「負の」電流パルスに応答してさらなるスレーブデバイスから応答信号が受信されなかったことなどによって、システム構成検知フェーズの終了を認識することができる。
システム構成検知フェーズが完了すると、成功した場合、オペレータによってマスター20に肯定応答することができる。システム構成検知フェーズが成功した後、マスター20は、接続されたスレーブの数、および任意選択でそれらのアドレスを知る。
上述のループイン方法および上述のシステム構成検知フェーズは、特定のステータス情報、例えば、スレーブデバイスが状態変更を要求したことに関する情報をスレーブデバイスから問い合わせるたびに実行することができる。
ここで、再び、図7に示される電源100の例示的な回路構成を参照する。
既に述べたように、図7による回路構成は、電流ループ140が短時間もしくはそれより少し長い時間開かれていても、電流源100がスイッチオンされたままであることを可能にする。電流源の動作は、図8aから図8dに関連してより詳細に説明される。
図8cは、電流ループにループインされたスイッチング手段110、2001、200nによって引き起こされるときのロジック状態変化の形態で、通信システム10の連続動作状態を示す。ハイレベルは、電流ループ140が閉じていることを示し、ローレベルは、電流ループが遮断されていることを示す。最初の3つのパルス対は、システム構成検知フェーズまたは教示フェーズを表し、それに続くわずかに長いハイレベルは教示フェーズの終了を知らせる。後続の長いハイレベルは、故障のない動作での動作モードを知らせる。後続の長い低レベルは、通信システム10が安全状態にあること、すなわち、電流ループ140が中断されていることを示す。
図8bは、図8cに示されたロジックのスイッチング状態に従って電流ループ140が遮断され閉じられたときの静止電流として電流ループ140を流れる出力電流Ioutを示す。出力電流Ioutは極大値に制限される。
図8dから分かるように、接続点132とアース接続131との間に印加される出力電圧Uoutは、電流ループ140が開くたびに増加する。出力電圧がしきい値に達すると直ちに、図7に示す回路構成は、調整電流Iregを調整可能な値まで急激に低下させる。これにより、電流ループが遮断された場合のマスター20の消費電力を低減することができる。直列抵抗器545を通る電流に対応する調整された電流の時間プロフィールが図8aに示されている。
換言すれば、図7に示す回路構成は、電流ループ140の入力131、132に印加される電圧の関数として、直列抵抗器545を通って流れる調整電流を調整し、電流ループが開いている間、マスターにおける電力消費を低減することができる。
本発明の態様は、図面と併せて以下に要約される。
通信システム10は、マスターデバイスと少なくとも1つのスレーブデバイスとの間の電流変調データ伝送のために提供される。一例として図1に示すように、通信システム10は、以下のa)〜c)の特徴を有する。
a) 電流ループ140。
電流ループ140は、データ伝送および任意選択で電源のために構成される。
b) マスターデバイス20。
マスターデバイス20は、以下のb1)〜b4)を含む。
b1) 第1の評価・制御ユニット60。
b2) 第1のスイッチング手段110。
第1のスイッチング手段110は、電流ループ140に接続され、第1の評価・制御ユニット60によって作動可能であり、データを送信するために電流ループ140を開閉するように構成されている。
b3) 電流源100。
電流源100は、電流ループ140に接続され、特に故障のない動作中に、電流ループ140に一定の静止電流を注入するように構成されている。
b4) 第1の電流検出手段120。
第1の電流検出手段120は、第1の評価・制御ユニット60に接続された電流ループ140に接続されている。第1の評価・制御ユニット60は、第1の電流検出手段120によって検出された電流を評価するように構成され、第1の評価・制御ユニット60は、さらに、例えば、評価結果に応答して、定義された動作の実行を引き起こすように構成されてもよい。
c) 少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150n。
スレーブデバイス1501、150nは、電流回路140に接続され、以下のc1)〜c4)を有する。
c1) 第2の評価・制御ユニット1601、160n。
c2) 第2のスイッチング手段2001、200n。
第2のスイッチング手段2001、200nは、電流ループ140に接続され、第2の評価・制御ユニット1601、160nによって作動可能であり、データ伝送のために電流ループ140を開閉するように構成されている。
c3) 第3のスイッチング手段2501、250n。
第3のスイッチング手段2501、250nは、第2評価・制御ユニット1601、160nによって作動可能であり、第2評価・制御ユニット1601、160nは、電流ループ140が閉状態のときに短絡するように構成される。第2の評価・制御ユニット1601、160nは、スレーブ接続フェーズまたはスレーブ・ループインフェーズとも呼ばれるシステム構成検知フェーズ中に第3のスイッチング手段2501、250nを一時的に閉じ、次いで再び開くように構成され、第1の評価・制御ユニット60は、少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nが電流ループ140に接続されたとき、すなわち、少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nがいつ電流ループ140にループしたかを検出するように構成される。
c4) 第2の電流検出手段1701、170n。
第2の電流検出手段1701、170nは、第2の評価・制御ユニット1601、160nに接続された電流ループ140に接続されている。第2の評価・制御ユニット1601、160nは、第2の電流検出手段1701、170nによって検出された電流を評価するように構成されている。例えば、第2の評価・制御ユニット1601、160nは、評価結果に応じて、定義された動作を実行させるように構成されてもよい。
定義された動作は、例えば、マスターデバイスから少なくとも1つのスレーブデバイスへの、または少なくとも1つのスレーブデバイスからマスターデバイスへのアドレス、ステータス情報または制御コマンドの転送、出力の無効化、または通信システムの部分的もしくは完全なシャットダウンなどの情報の転送を意味すると理解することができる。
電流ループ140は、特に、マスターデバイス20と少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nとの間の通信インターフェースとして機能する。このようにして、各加入者は、短時間で通信システム10の状態変化に応答することができる。電流ループの使用および電流レベルの評価のおかげで、EMC効果によって引き起こされる電圧変動は、通信システム10の機能を妨害しない。その結果、システムの十分なロバスト性を達成することができる。
電流ループ140の入力131、132における電圧変化を検出できるようにするために、マスターデバイス20は、電流ループ140の入力に接続することができる第1の評価・制御ユニット60に接続された電圧計240を備えることができる。第1の評価・制御ユニット60は、電圧計240によって測定された電圧を評価するように構成される。さらに、オプションとして、評価結果に応答して定義された動作を実行またはトリガするように構成されてもよい。電流ループ140の入力131、132における電圧変化は、例えば、少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nの第3のスイッチ2501、250nが閉じられ、再び開かれたとき、または電流ループ140が何らかの理由で中断されたときに生じる。
電流検出手段に関する多数の実施形態が考えられる。好ましくは、マスターデバイス20の第1の電流検出手段120と、少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nの第2の電流検出手段1701、170nとは、それぞれ、第1および第2評価・制御ユニット60、1601、160nに接続されている、
i) 光カプラ、または
ii) 測定抵抗121、1721、172n、及び、差動アンプ122、1711、171n
を備える。
例えば、マスターデバイス20は、センサ30を接続することができる少なくとも1つの第1の入力40を有することができる。センサは、非常停止スイッチであってもよい。代替的に又は追加的に、少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nは、第2の評価・制御ユニット1601、160nに接続され、センサ、例えば両手スイッチも同様に接続され得る少なくとも1つの第2の入力1831、183nを有することもできる。
I/O装置として利用できるようにするために、マスターデバイス20は、第1の評価・制御ユニット60によって制御可能であり、アクチュエータを接続することができる少なくとも1つの第1の出力70、71を有することができる。代替的にまたは任意選択的に、少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nは、第2の評価・制御ユニット1601、160nによって制御可能な、アクチュエータを接続することができる少なくとも1つの第2の出力1841、1851、184n、185nを有することができる。
例えば、通信システム10を安全状態に移行できるようにするために、マスターデバイス20の第1の評価・制御ユニット60は、状態変更要求信号を生成するために規定された方法で第1のスイッチング手段110を駆動することができる。好ましくは、この目的のために、電流ループ140は、所定の最小持続時間の間、第1のスイッチング手段110によって開かれる。また、電流ループは、故障が治るまで開いたままにすることも考えられる。
これに代えて、またはこれに加えて、第2の評価・制御ユニット1601、160nは、状態変更要求信号を生成するために、少なくとも1つのスレーブデバイスの第2のスイッチング手段2001、200nを所定の方法で駆動することができる。
要求された状態変化に応答できるようにするために、マスターデバイス20の第1の評価・制御ユニット60は、第1の出力または第1の出力に接続されたアクチュエータを安全状態に移行することによって、受信された状態変更要求信号に応答するように構成され得る。第2の評価・制御ユニット1601、160nは、第2の出力または第2の出力に接続されたアクチュエータを安全状態に移行させることによって、受信された状態変更要求信号に応答するように構成されてもよい。
安全状態を達成するために、マスターデバイス20の第1の評価・制御ユニット60は、受信された状態変更要求信号に応答して第1のスイッチング手段110を開くように構成されてもよい。第2の評価・制御ユニット1601、160nは、受信された状態変更要求信号に応答して第2のスイッチング手段2001、200nを開くように構成される。
場合によっては、たとえ出力が安全状態のままでなければならないとしても、電流ループ140を介してデータを転送することが望ましい。したがって、有利には、第1の評価・制御ユニット60は、第1の出力70、71を安全状態に保ち、同時に、データ伝送のために電流ループ140を閉じた状態に保つように構成され得る。同様に、第2の評価・制御ユニット1601、160nは、第2の出力1841、1851、184n、185nを安全状態に保ち、同時に、データ伝送のために電流ループ140を閉じた状態に保つように構成することができる。
好ましくは、第1の評価・制御ユニット60は、システム構成検知フェーズ中に第1のスイッチング手段110を閉じ、所定のシステム情報を電流ループ140に注入するように構成され得る。システム構成検知フェーズは、特定のイベントに応答してマスターデバイス20によって、またはオペレータによって自動的に開始され得る。このために、少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nの第2の評価・制御ユニット1601、160nは、システム構成検知フェーズ中に第2及び第3のスイッチング手段2001、2501、200n、250nを閉じ、所定のシステム情報が受信されたときに第3のスイッチング手段2501、250nを再び開くように構成することができる。
有利には、電流源100は、調整可能な電力レベルの電流を供給するように構成される。
省エネで確実に切り替え可能な電流源100は、好ましくは、レギュレータと、レギュレータへの電流制御電圧フィードバック530を備えたステップダウンコンバータとを備えたスイッチング電源500を含む。
好ましくは、マスターデバイス20と少なくとも1つのスレーブデバイス1501、150nとの間で転送され得るデータは、制御データ、処理データ、パラメータ化データ、診断データ、例えばアドレス、状態変更要求コマンド、肯定応答信号等を含むスレーブベースの状態データ、および安全関連データを含む。
通信システム10が安全用途に利用可能であるために、マスターシステム20と少なくとも1つのスレーブシステム1501、150nは、冗長であるように構成されることが好ましい。冗長に構成されたスレーブデバイス1501の例が図2〜4に示されており、冗長に構成されたスレーブデバイス1501の変形例は、1501'、1501''、および1501'''で示されている。冗長に構成されたマスターデバイス20の例が図5および図6に示されており、冗長に構成されたマスターデバイス20の変形例は、それぞれ参照番号20'および20"によって示されている。特に、マスターデバイス20'、20"は、以下のさらなる特徴を有する。
a) さらなる第1の評価・制御ユニット380。
b) さらなる第1のスイッチング手段420。
さらなる第1のスイッチング手段420は、電流ループ140に接続され、電流ループ140を開閉するように構成された第1の評価・制御ユニット380によって作動可能でる。
c) さらなる第1の電流検出手段410または440。
さらなる第1の電流検出手段410または440は、さらなる第1の評価・制御ユニット380に接続される電流ループ140に接続され、さらなる第1の評価・制御ユニット380は、さらなる第1の電流検出手段410または440によって検出された電流を評価し、例えば、評価に応答して定義された動作の実行または開始を引き起こすように構成される。
代替的にまたは追加的に、少なくとも1つのスレーブデバイス1501'、1501''、および1501'''は、以下のさらなる特徴a)〜d)を有し得る。
a) さらなる第2の評価・制御ユニット290、または350。
b) さらなる第2のスイッチング手段310または340。
さらなる第2のスイッチング手段310または340は、電流ループ140に接続され、それぞれさらなる第2の評価・制御ユニット290または350によって作動可能である。
c) さらなる第3のスイッチング手段320。
さらなる第3のスイッチング手段320は、さらなる第2の評価・制御ユニット290または350によって作動可能である（さらなる第3のスイッチング手段320は、第3のスイッチング手段2501、250nと直列または並列に接続されてもよいが、2つのスイッチング手段の一方を省略することもできる。）。さらなる第2の評価・制御ユニット290または350は、システム構成検知フェーズの間に、さらなる第3のスイッチングユニット320を一時的に閉じ、次いで再び開くように構成され、また、第1の評価・制御ユニット60およびさらなる第1の評価・制御ユニット380は、それぞれ、少なくとも1つのスレーブデバイス1501'、1501''、または1501'''がいつ電流ループ140に接続されるかを検出するように構成される。
d) さらなる第2の電流検出手段300または330。
さらなる第2の電流検出手段300または330は、電流ループ140に接続され、また、さらなる第2の評価・制御ユニット290または350にそれぞれ接続されている。さらなる第2評価・制御ユニット290または350は、さらなる第2の電流検出手段300または330によって検出された電流を評価するように構成され、例えば、評価結果に応じて定義された動作を実行させる。
電流ループ140は、好ましくは、終端手段270によって終端される。特に、終端手段は、規定されたサイズの電気抵抗器である。
本発明の一態様によれば、請求項2〜13のいずれか一項に記載の通信システム10で使用されるように構成されたマスターデバイス20が提供される。このマスターデバイス20は、特に、以下の特徴a)〜e)を有する。
a) 第1の評価・制御ユニット60。
b) 第1のスイッチング手段110。
第1のスイッチング手段110は、電流ループ140に接続可能であり、第1の評価・制御ユニット60によって作動可能であり、データを送信するために電流ループ140を開閉するように構成されている。
c) 電流源100。
電流源100は、電流ループ140に接続可能であり、電流ループ140に一定の静止電流を注入するように構成されている。
d) 第1の電流検出手段120。
第1の電流検出手段120は、第1の評価・制御ユニット60に接続された電流ループ140に接続可能であり、第1の評価・制御ユニット60は、第1の電流検出手段120によって検出された電流を評価し、評価結果に応答して定義された動作を実行または開始するように構成される。
e) 電圧計240。
電圧計240は、第1の評価・制御ユニット60に接続され、電流ループ140の入力に接続することができる、第1の評価・制御ユニット60は、電圧計240によって測定された電圧を評価するように構成される。さらに、第1の評価・制御ユニット60は、例えば、評価結果に応答して、定義された動作の実行を引き起こすように構成されてもよい。
他の態様によれば、請求項1から13のいずれか一項に記載の通信システム10で使用されるように構成されたスレーブデバイス1501、150nが提供される。これらのスレーブデバイス1501、150nは、特に以下の特徴a)〜d)を有する。
・ 評価・制御ユニット1601、160n。
b) 第1のスイッチング手段2001、200n。第1のスイッチング手段2001、200nは、電流ループ140に接続可能であり、評価・制御ユニット1601、160nによって作動可能であり、データ伝送のために電流ループ140を開閉するように構成されている。
c) 第2のスイッチング手段2501、250n。
第2のスイッチング手段2501、250nは、評価・制御ユニット1601、160nによって作動可能であり、電流ループ140が閉状態にあるとき、電流ループ140を短絡するように構成されている。評価・制御ユニット1601、160nは、システム構成検知フェーズ中に、第2のスイッチング手段2501、250nを一時的に閉じ、次いで再び開くように構成される。
d) 電流検出手段1701、170n。
電流検出手段1701、170nは、電流ループ140に接続可能であり、評価・制御ユニット1601、160nに接続され、評価・制御ユニット1601、160nは、電流検出手段1701、170nによって検出された電流を評価するように構成される。さらに、評価・制御ユニット1601、160nは、例えば、評価結果に応じて、定義された動作を実行させるように構成されてもよい。
さらなる態様によれば、請求項1から13のいずれか一項に記載の通信システム10の構成を自動的に検出するための方法が提供され、この方法は、特に、以下のステップを含む。
a) マスターデバイス20の第1のスイッチング手段110を閉じ、電流ループ140に接続された第1のスレーブデバイス1501の第2のスイッチング手段2001および第3のスイッチング手段2501を閉じ、それによって第3のスイッチング手段2501が電流ループ140を短絡する。
b) マスターデバイス20によって、電流ループ140を介して第1の電流変調信号を送信し、この信号は、第1のスレーブデバイス1501によって受信および評価される。
c) 第1の電流変調された信号を評価した後、第3のスイッチ2501を第1のスレーブデバイス1501によって開く。
d) マスターデバイスにおいて、第1のスレーブデバイス1501が電流ループ140に接続されているかどうかを検出する。
第1のスレーブデバイス1501の接続は、第1の電流変調信号に応じて、第3のスイッチング手段2501の開放の前または後に、第1のスレーブデバイス1501からマスターデバイス20に状態情報を送信し、それによって、第1のスレーブデバイス1501が電流ループ140に接続されていることをマスターデバイス20に知らせることによって検出することができる。任意選択で、状態情報は、第1のスレーブデバイスが状態変更を要求したことをマスターデバイス20に知らせる、さらなる情報を含むことができる。これに代えて、またはこれに加えて、上記ステップd)において、マスターデバイス20は、第3のスイッチング手段2501の開放が電流ループ140の全抵抗を定義された方法で変化させるので、第3のスイッチング手段2501の開放に応じて、第1のスレーブデバイス1501が電流ループ140に接続されていることを検出してもよい。この変化は、電流ループ140の入力における電圧変化をもたらし、この電圧変化は、マスターデバイス20によって検出することができる。
通信システム10と同様当該方法も拡張縮小可能である。このために、少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス150nが、第1のスレーブデバイス1501と直列の電流ループ140にループされることができ、第1のスレーブデバイス1501は、マスターデバイス20と少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス150nとの間に配置される。このケースでは、ステップa)は、少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス150nの第2のスイッチング手段200nおよび第3のスイッチング手段250nを閉じることを含み、それによって、少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス150nの第3のスイッチング手段250nは、電流ループ140を短絡する。
そして、当該方法は、ステップd)に続いて、以下のさらなるステップを含む。
e) マスターデバイス20によって、第2の電流変調された信号を、電流ループ140を介して送信し、この信号は、さらなるスレーブデバイス150nによって受信され、評価される。
f) 第2の電流変調信号が評価されると、さらなるスレーブデバイス150nによって、さらなるスレーブデバイス150nの第3のスイッチ250nを開く。
g) マスターデバイスにおいて、さらなるスレーブデバイス150nが電流ループ140に接続されているかどうかを検出する。
さらなるスレーブデバイスは、さらなるスレーブデバイス150nの第3のスイッチング手段が開く前または開いた後に、第2の電流変調信号に応じて、さらなるスレーブデバイス150nからマスターデバイス20への状態情報を伝送することにより「接続されている」と検出されてもよく、状態情報は、マスターデバイス20に、さらなるスレーブデバイス150nが電流ループ140に接続されていることを知らせる。任意選択で、状態情報は、さらなるスレーブデバイスが状態変更を要求したことをマスターデバイス20に知らせるさらなる情報を含むことができる。代替的にまたは追加的に、ステップg)において、マスターデバイス20は、第3のスイッチング手段250nの開放が電流ループ140の全抵抗を定義された方法で変化させるので、さらなるスレーブデバイス150nの第3のスイッチング手段250nの開放に応答して、第1のスレーブデバイス150nが電流ループ140に接続されていることを検出してもよい。この変化は、電流ループ140の入力における電圧変化をもたらし、この電圧変化は、マスターデバイス20によって検出することができる。
有利な方法ステップは、第1のスレーブデバイス1501によってシステム状態変更を要求できること、第1のスレーブデバイス1501によって要求されたシステム状態変更をマスターデバイス20に伝えられうること、システム状態変更をさらなるスレーブデバイス150nによって要求できること、、そして、さらなるスレーブデバイス150nによって要求されたシステム状態変更をマスターデバイス20に伝えることができることを含む。
例えば、通信システム10全体が安全状態にある場合、ステップd)の実行後、通信システム10は、マスターデバイス20の制御下で、定義されたシステム状態にセットされ、好ましくは動作状態にリセットされる。このプロセスは、通信システムの解放とも呼ばれる。同様に、ステップg)の実行後、通信システム10は、マスターデバイス20の制御下で、定義されたシステム状態にセットされ、好ましくは動作状態にリセットされる。

Claims (22)

  1. マスターデバイスと少なくとも1つのスレーブデバイスとの間の電流変調データ伝送のための通信システム(10)であって、
    a) 電流ループ(140)と、
    b) 以下のb1)〜b4)を備えるマスターデバイス(20) と、
    b1) 第1の評価・制御ユニット(60) 、
    b2) 前記電流ループ(140)に接続され、前記第1の評価・制御ユニット(60)によって作動可能な第1のスイッチング手段(110)であって、データを送信するために前記電流ループ(140)を開閉するように構成された第1のスイッチング手段(110) 、
    b3) 前記電流ループ(140)に接続され、一定の静止電流を前記電流ループ(140)に注入するように構成された電流源(100) 、
    b4) 前記電流ループ(140)に接続され、前記第1の評価・制御ユニット(60)に接続された第1の電流検出手段(120)であって、前記第1の評価・制御ユニット(60)は、当該第1の電流検出手段(120)によって検出された電流を評価するように構成されている、第1の電流検出手段(120) 、
    c) 前記電流ループ(140)に接続され、以下のc1)〜c4)を備える少なくとも1つのスレーブデバイス(1501、150n)と、
    c1) 第2の評価・制御ユニット(1601、160n) 、
    c2) 前記電流ループ(140)に接続され、前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)によって作動可能であり、データ伝送のために前記電流ループ(140)を開閉するように構成された第2のスイッチング手段(2001、200n) 、
    c3) 前記第2評価・制御ユニット(1601、160n)によって作動可能であり、前記電流ループ(140)を閉状態のとき短絡させるように構成された第3のスイッチング手段(2501、250n)であって、前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)は、システム構成検知フェーズの間に、一時的に閉じ、次いで、当該第3のスイッチング手段(2501、250n)を再び開くように構成された第3のスイッチング手段(2501、250n) 、
    c4) 前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)に接続されている第2の電流検出手段(1701、170n)であって、前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)が、当該第2の電流検出手段(1701、170n)によって検出された電流を評価するように構成されている第2の電流検出手段(1701、170n) 、 を備え、
    前記第1の評価・制御ユニット(60)は、前記少なくとも1つのスレーブデバイス(1501、150n)がいつ前記電流ループ(140)に接続されるかを検出するように構成されている通信システム(10)。
  2. 請求項1に記載の通信システムであって、
    前記マスターデバイス(20)は、前記電流ループ(140)の入力に接続され得る前記第1の評価・制御ユニット(60)に接続された電圧計(240)を備え、
    前記第1の評価・制御ユニット(60)は、前記電圧計(240)によって測定された電圧を評価するように構成されている通信システム。
  3. 請求項1または2に記載の通信システムであって、
    前記第1の電流検出手段(120)および前記少なくとも1つのスレーブデバイス(1501、150n)の前記第2の電流検出手段(1701、170n)は、それぞれ、i) 光カプラ、またはii) 測定抵抗(121、1721、172n)および前記第1および第2の評価・制御ユニット(60、1601、160n)に、それぞれ接続されている差動アンプ(122、1711、171n)、
    を備える通信システム。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の通信システムであって、
    前記マスターデバイス(20)は、前記第1の評価・制御ユニット(60)に接続された少なくとも1つの第1の入力(40)を有し、
    前記少なくとも1つのスレーブデバイス(1501、150n)は、前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)に接続された少なくとも1つの第2の入力(1831、183n)を有し、
    センサが、前記第1の入力(40)および前記第2の入力(1831、183n)のそれぞれに接続可能である、通信システム。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の通信システムであって、
    前記マスターデバイス(20)は、前記第1の評価・制御ユニット(60)によって制御可能な少なくとも1つの第1の出力(70、71)を有し、
    前記少なくとも1つのスレーブデバイス(1501、150n)は、前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)によって制御可能な少なくとも1つの第2の出力(1841、1851、184n、185n)を有する、通信システム。
  6. 請求項5に記載の通信システムであって、
    前記マスターデバイス(20)の前記第1の評価・制御ユニット(60)は、状態変更要求信号を生成するために、規定された方法で前記第1のスイッチング手段(260)を制御することができ、
    前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)は、状態変更要求信号を生成するために、規定された方法で前記第2のスイッチング手段(2001、200n)を制御することができ、
    前記マスターデバイス(20)の前記第1の評価・制御ユニット(60)は、受信された状態変更要求信号に応答して、前記第1の出力(70、71)を安全状態に移行するように構成され、
    前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)は、受信した状態変更要求信号に応じて、前記第2の出力(1841、1851、184n、185n)を安全状態に移行するように構成される、通信システム。
  7. 請求項6に記載の通信システムであって、
    前記マスターデバイス(20)の前記第1の評価・制御ユニット(60)は、受信された状態変更要求信号に応答して、前記第1のスイッチング手段(110)を開くように構成され、
    前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)は、受信した状態変更要求信号に応じて前記第2のスイッチング手段(2001、200n)を開くように構成されている、通信システム。
  8. 請求項6または7に記載の通信システムであって、
    前記第1の評価・制御ユニット(60)は、前記第1の出力(70、71)を安全状態に保ち、同時に前記電流ループ(140)を介したデータ伝送を可能にするように構成され、
    前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)は、前記第2の出力(1841、1851、184n、185n)を安全状態に保ち、同時に、前記電流ループ(140)を介したデータ伝送を可能にするように構成されている、通信システム。
  9. 請求項１〜8のいずれか一項に記載の通信システムであって、前記第1の評価・制御ユニット(60)は、システム構成検知フェーズ中に、前記第1のスイッチング手段(110)を閉じ、所定のシステム情報を前記電流ループ(140)に注入するように構成され、
    前記少なくとも1つのスレーブデバイス(1501、150n)の前記第2の評価・制御ユニット(1601、160n)は、システム構成検知フェーズ中に、前記第2および第3のスイッチング手段(2001、2501、200n、250n)を閉じ、所定のシステム情報を受信したときに、前記第3のスイッチング手段(2501、250n)を再び開くように構成される、通信システム。
  10. 請求項１〜9のいずれか一項に記載の通信システムであって、前記電流源100は、調整可能な電力レベルの定電流を供給するように構成される、通信システム。
  11. 請求項１〜10のいずれか一項に記載の通信システムであって、
    前記電流源(100)は、スイッチング電源(500)として構成され、前記スイッチング電源(500)は、レギュレータと、当該レギュレータへの電流制御電圧フィードバック(530)を有するステップダウンコンバータとを備える、通信システム。
  12. 請求項１〜11のいずれか一項に記載の通信システムであって、
    前記マスターデバイス(20'、20")は、
    さらなる第1の評価・制御ユニット(380)と、
    前記電流ループ(140)に接続され、前記さらなる第1の評価・制御ユニット(380)によって作動可能な、前記電流ループ(140)を開閉するように構成されたさらなる第1のスイッチング手段(420)と、
    前記電流ループ(140)に接続され、前記さらなる第1の評価・制御ユニット(380)に接続されたさらなる第1の電流検出手段(410、440)と、
    を備え、及び/又は、
    前記少なくとも1つのスレーブデバイス(1501、1501'、1501''、1501''')は、
    さらなる第2の評価・制御ユニット(290、350)と、
    前記電流ループ(140)に接続され、前記さらなる第2の評価・制御ユニット(290、350)によって作動可能な、さらなる第2のスイッチング手段(310、311、340)と、
    前記第3のスイッチング手段(2501、250n)と直列または並列に接続され、前記さらなる第2の評価・制御ユニット(290、350)によって作動可能なさらなる第3のスイッチング手段(320)と、
    前記電流ループ(140)に接続され、前記さらなる第2の評価・制御ユニット(290、350)に接続されたさらなる第2の電流検出手段(300、330)と、
    を備え、
    前記さらなる第1の評価・制御ユニット(380)は、当該さらなる第1の電流検出手段(440)によって検出された電流を評価するように構成され、
    前記さらなる第2の評価・制御ユニット(290、350)は、システム構成検知フェーズ中に、前記さらなる第3のスイッチング手段(320)を一時的に閉じ、次いで再び開くように構成され、前記第1の評価・制御ユニット(60)および前記さらなる第1の評価・制御ユニット(380)は、それぞれ、前記少なくとも1つのスレーブデバイス(150 1 、150 n )がいつ前記電流ループ(140)に接続されるかを検出するように構成され、
    前記さらなる第2の評価・制御ユニット(290、350)は、当該さらなる第2の電流検出手段(300、330)によって検出された電流を評価するように構成されている、
    通信システム。
  13. 請求項１〜12のいずれか一項に記載の通信システムであって、
    前記電流ループ(140)は、終端手段(270)によって終端される通信システム(10)。
  14. 請求項2、又は、請求項2を直接的あるいは間接的に引用する請求項3〜13のいずれか一項に記載の通信システム(10)で使用されるように構成されたマスターデバイス(20、20'、20")であって、
    前記第1の評価・制御ユニット(60)は、前記電圧計（240）によって測定される電圧に応答して前記電流ループ（140）内のクロス回路を検出するよう構成されている、マスターデバイス(20、20'、20")。
  15. 請求項1〜13のいずれかに記載の通信システム(10)で使用されるように構成されたスレーブデバイス(1501、150n、1501'、1501''、1501''') 。
  16. 請求項1から13のいずれかに記載の通信システムの構成を自動的に検出するための方法であって、
    a) マスターデバイス(20)の第1のスイッチング手段(110)を閉じ、電流ループ(140)に接続された第1のスレーブデバイス(1501)の第2および第3のスイッチング手段(2001、2501)を閉じ、それによって、第3のスイッチング手段(2501)が電流ループ(140)を短絡するステップと、
    b) 前記マスターデバイス(20)を用いて、第1のスレーブデバイス(1501)によって受信および評価される第1の電流変調信号を前記電流ループ(140)を介して送信するステップと、
    c) 前記第1の電流変調信号が評価されると、前記第1のスレーブデバイス(1501)によって第3のスイッチング手段(2501)を開くステップと、d)前記マスターデバイスにおいて、前記第1のスレーブデバイス(1501)が前記電流ループ(140)に接続されているかどうかを検出するステップと、を備える方法。
  17. 請求項16に記載の方法であって、
    前記第1の電流変調信号に応じて、前記第1のスレーブデバイス(1501)から前記マスターデバイス(20)へ、前記第1のスレーブデバイス(1501)が前記電流ループ(140)に接続されていることを前記マスターデバイス(20)に知らせる状態情報を送信するステップ、及び/又は、
    前記ステップd)において、前記マスターデバイス(20)によって、前記第3のスイッチング手段(2501)の開放に応じて、前記第1のスレーブデバイス(1501)が前記電流ループ(140)に接続されていることを検出するステップを、備える方法。
  18. 請求項16または17に記載の方法であって、
    少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス(150n)が、前記第1のスレーブデバイス(1501)と直列の前記電流ループにループされ、前記第1のスレーブデバイス(1501)は、前記マスターデバイス(20)と少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス(150n)との間に配置されており、
    前記ステップa)は、前記少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス(150n)の第2および第3のスイッチング手段(200n、250n)を閉じ、それによって、前記少なくとも1つのさらなるスレーブデバイス(150n)の前記第3のスイッチング手段(250n)は、前記電流ループ(140)を短絡するステップを含み、
    工程d)に続いて、
    e) マスターデバイス(20)によって、前記さらなるスレーブデバイス(150n)によって受信および評価される、第2の電流変調信号を、前記電流ループ(140)を介して送信するステップと、
    f) 前記第2の電流変調信号が評価されると、前記さらなるスレーブデバイス(150n)によって、前記さらなるスレーブデバイス(150n)の第3のスイッチング手段(250n)を開くステップと、
    g) 前記マスターデバイスにおいて、前記さらなるスレーブデバイス(150n)が前記電流ループ(140)に接続されているかどうかを検出するステップと、
    をさらに含む方法。
  19. 請求項18に記載の方法であって、
    前記第2の電流変調信号に応じて、前記さらなるスレーブデバイス(150n)から前記マスターデバイス(20)へ、前記さらなるスレーブデバイス(150n)が前記電流ループ(140)に接続されていることを前記マスターデバイス(20)に知らせる状態情報を送信するステップ、及び/又は、
    ステップg)において、前記マスターデバイス(20)によって、かつ、前記さらなるスレーブデバイス(150n)の第3のスイッチング手段(250n)の開放に応じて、さらなるスレーブデバイス(150n)が電流ループ(140)に接続されていることを検出するステップ、を備える方法。
  20. 請求項17または19に記載の方法であって、
    前記第1のスレーブデバイス(1501)からシステム状態変更を要求することができ、前記第1のスレーブデバイス(1501)によって要求された前記システム状態変更は、前記マスターデバイス(20)に知らせることができ、
    前記さらなるスレーブデバイス(150n)によってシステム状態変更を要求することができ、前記さらなるスレーブデバイス(150n)によって要求されたシステム状態変更は、マスターデバイス(20)に知らせることができる方法。
  21. 請求項16または17に記載の方法であって、
    前記ステップd)の実行後、前記通信システム(10)を、前記マスターデバイス(20)の制御下で、定義されたシステム状態に設定する方法。
  22. 請求項18または19に記載の方法であって、
    前記ステップg)の実行後、前記通信システム(10)を、前記マスターデバイス(20)の制御下で、定義されたシステム状態に設定するステップを含む方法。
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