WO2002023133A1 - Sensorkopf, steuermodul und mehrfachsensor - Google Patents

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WO2002023133A1
WO2002023133A1 PCT/DE2001/003332 DE0103332W WO0223133A1 WO 2002023133 A1 WO2002023133 A1 WO 2002023133A1 DE 0103332 W DE0103332 W DE 0103332W WO 0223133 A1 WO0223133 A1 WO 0223133A1
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WO
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control module
sensor
sensor head
wire line
transmitted
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PCT/DE2001/003332
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French (fr)
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Thomas Brenner
Karl-Heinz Dausch
Manfred Schmitt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/04Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/20Pc systems
    • G05B2219/21Pc I-O input output
    • G05B2219/21118Two sensors on same line, superpose pulsed digital on analog signal
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/20Pc systems
    • G05B2219/25Pc structure of the system
    • G05B2219/25098Detect connected sensors, set parameters, gain automatically

Definitions

  • the present invention relates to a sensor head with a sensor element, the measurement signal of which can be fed to a comparator, by means of which the measurement signal can be compared with a threshold value and a binary output signal can be forwarded to a transmission circuit, a control module for at least two sensor heads and one consisting of a control module and at least one two sensor heads formed multiple sensor.
  • Sensors by means of which a binary output signal can be transmitted to a higher-level control module, so-called binary sensors, are used for.
  • B. used in automation in the automotive industry or in machine tool manufacturing in large numbers.
  • the sensors are connected to the controller or a decentralized peripheral module either via conventional parallel wiring or via a fieldbus system.
  • FIG. 1 A part of a parallel-wired system is shown schematically in FIG. It has a central unit 1 with an input / output module 2.
  • the central unit 1 and the module 2 are connected to one another and to a power supply module 4 via an internal control bus 3.
  • actuators e.g. solenoid valves
  • Two sensors 5 are shown to represent all other sensors, for which only connections 6 are indicated symbolically.
  • connection between the module 2 and the sensors 5 is generally made via a three-wire line 7. Two of these lines are used for energy supply, and the third signal is used to transmit the binary signal from the sensor 5 to the module 2.
  • the sensors are provided with protective measures such as reverse polarity protection and short-circuit protection, but this is relatively expensive.
  • each individual sensor 5 must be parameterized on-site by teach-in. If a sensor 5 becomes defective and has to be replaced, a new teach-in process is required, since the threshold value is only stored in sensor 5 itself.
  • the sensors 5 can be based on different functional principles. For example, they can be optical sensors 5. In operation, optical sensors 5 generally only periodically emit a correspondingly short light pulse in a short time window. The time window is controlled by an internal clock stage. Even the emitted light is only recorded in this time window. However, since all sensors 5 work autonomously and are normally not synchronized or triggered, there may be mutual interference if the time windows of two sensors 5 coincide and a sensor 5 detects the light pulse from another sensor 5 (crosstalk). ,
  • control pulses are transmitted to the individual sensors 5 from an additional control unit 9 via additional control lines 10. This allows the sensors 5 to be controlled in a staggered manner, so that crosstalk is practically impossible.
  • a disadvantage of the construction according to FIG. 1 is that the so-called control access ends at the input / output module 2. This means that the central unit 1 cannot recognize if e.g. B. there is a sensor error or the line to sensor 5 is interrupted.
  • FIG. 2 shows a control system similar to FIG. 1.
  • the output signals are transmitted via a fieldbus 11, that is to say a two-wire line common to all sensors 5.
  • the input / output module 2 is replaced by a fieldbus master 2 ', to which a separate fieldbus power supply 22' is assigned.
  • the fieldbus 11 can operate according to the so-called AS-i protocol, for example.
  • the fieldbus master 2 ' simply controls the data exchange between the central unit 1 and the actuators (also not shown in FIG. 2) and the sensors 5.
  • the fieldbus master 2' does not preprocess and link data.
  • the central unit 1 Due to the bidirectional data exchange between the fieldbus master 2 'and the sensors 5, it is in principle possible to transmit diagnostic information and parameter values, in particular the threshold values, in addition to the output signals. However, this must be controlled accordingly by the central unit 1. A targeted triggering of the sensors 5 is also possible in principle, but here too the central unit 1 must control this accordingly. In this case, the smallest possible trigger pulse interval the user program cycle time. Real-time object detection by sensors 5 is therefore practically impossible. As a result, the additional control unit 9 together with the additional control lines 10 must therefore also be provided in the implementation according to FIG.
  • the object of the present invention is to create a multiple sensor and its components, namely a sensor head and a control module, by means of which an independent, flexible and comfortable operation of the individual sensors or sensor heads of the multiple sensor is possible in a simple manner.
  • the object is achieved for the sensor head in that it can be supplied with electrical energy via a proprietary two-wire line, the output signal being able to be transmitted from the transmission circuit via the two-wire line to a higher-level control module external to the sensor head.
  • the task is also corresponding with a
  • Control module for at least two sensor heads solved in which the sensor heads can be supplied with electrical energy from the control module via proprietary two-wire lines, binary output signals from the sensor heads being able to be transmitted to the control module via the two-wire lines, the output signals being able to be forwarded to a higher-level central unit external to the control module.
  • the multiple sensor then consists of a control module and at least two sensor heads, each of which is connected to the control module via a proprietary two-wire line.
  • the output signal can be detected at defined times. If the reading of the binary output signals into the sensor heads with subsequent transmission to the control module can be triggered separately for each sensor head, the sensor heads can be triggered independently of one another. This makes it possible in particular to control the sensor heads at the same time or staggered in time.
  • control module detects sensor errors, if after a predetermined period of time after triggering reading of the binary output signals into the sensor heads with subsequent transmission to the control module, the binary output signals have failed, an error detection is possible.
  • the threshold value can be transmitted from the control module to the transmission circuit via the two-wire line, the threshold value can be set in a simple manner.
  • diagnosis within the sensor head is possible along with transmission of the diagnosis to the control module.
  • control module can also transmit the threshold value to the control module via the two-wire line, it is possible to teach in the threshold value only via one of the sensor heads and then to automatically forward the learned threshold value to all other connected sensor heads. If the transmission of information via the two-wire line is address-free, the data transmission is particularly efficient. The address-free transmission of information is possible because the two-wire lines are assigned to the respective sensor heads in a proprietary manner.
  • the sensor element can be of any design. However, it is often designed as an optical sensor element.
  • the two wires of the two-wire line can be connected without regard to the polarity.
  • the sensor head can be designed particularly cost-effectively.
  • the central unit can be relieved of data processing tasks and thus the cycle time can be shortened.
  • FIG. 3 shows a control system with a multiple sensor
  • FIG. 4 shows a sensor head
  • a multiple sensor consists of a control module 12 and a plurality of sensor heads 13. Only three sensor heads 13 are shown in FIG. 3, but in principle the number of sensor heads 13 is arbitrary.
  • the sensor heads 13 are connected to the control module 12 via proprietary two-wire lines 14. Via the two-wire lines 14, which are assigned to each sensor head 13 in a proprietary manner, both the sensor heads 13 are supplied with electrical energy and data are transmitted between the control module 12 and the respective sensor head 13.
  • the control module 12 is connected to the central unit 1 and the power supply module 4 via the control bus 3.
  • the central unit 1 is also connected to at least one output module 15 via the control bus 3. In the context of the present invention, however, this output module 15 is not important. Therefore, this will not be discussed further below.
  • each sensor head 13 has two connections 16 for the two-wire line 14.
  • a rectifier unit 17 is arranged directly downstream of the connections 16.
  • the two-wire line 14 is short-circuited for a short time. So there is a voltage dip.
  • the rectifier unit 17 is therefore followed by a voltage stabilizer 18.
  • the voltage stabilizer 18 consists of a reflux blocking diode 19, a backup capacitor 20 and a choke 21. Because of the voltage stabilizer 18, a stable voltage supply to the other components of the signal head 13, namely a transmission circuit 22, a DA converter 23, a comparator 24, an amplifier 25 and a control stage 26 possible.
  • Data transmitted by the transmission circuit 22 are read into a processing unit 34 via tap lines 33, each associated with a connection pair 31.
  • the output of data to the respective sensor heads 13 takes place via switching elements 35 which can be controlled by the processing unit 34.
  • control module 12 with a sensor head 13 is explained in more detail below in connection with FIG. 6.
  • the functional principle explained for one sensor head 13 can of course be transferred directly to the other sensor heads 13. Due to the proprietary assignment of the two-wire lines 14 to the respective sensor heads 13, the data transmissions are also independent of one another.
  • the triggering of reading in of a binary output signal described below can also be triggered separately with subsequent transmissions to the control module 12. In this case, simultaneous, staggered or purely stochastic control is possible in particular.
  • the control module 12 transmits a trigger pulse 36 to the transmission circuit 22 from time to time by correspondingly actuating the corresponding switching element 35.
  • the transmission circuit 22 then actuates the actuation stage 26. It therefore triggers reading of the binary output signal into the transmission circuit 22 and subsequently transmits the read output signal to the control module 12.
  • an acknowledgment signal 37 is first transmitted in each case via the two-wire line 14 in accordance with FIGS. 6b and 6c. Depending on the value of the output signal, the two-wire line 14 is short-circuited again briefly after the acknowledgment signal 37 or not.
  • the transmission circuit 22 is able, among other things, to carry out a diagnosis inside the sensor head.
  • the transmission circuit 22 outputs a delayed acknowledgment signal 37 '.
  • the control module 12 can thus distinguish between an error message from the transmission circuit 22 and a normal acknowledgment signal 37. If, on the other hand, no acknowledgment signal 37, 37 'is transmitted at all, the control module detects sensor errors after a predetermined, longer period of time after a trigger pulse 36. In this case, either the two-wire line 14 is interrupted or the sensor head 13 does not respond at all.
  • the transmission circuit 22 transmits a pulse sequence 38 shown in FIG. 6e.
  • the pulse sequence 38 is interpreted by the control module 12 as a request for the transmission of the threshold value.
  • the control module 12 therefore subsequently transmits a sequence of counting pulses 39 to the transmission circuit 22 according to FIG. 6f.
  • the number of counting pulses 39 results in the value to which the threshold value is to be set.
  • the transmission of the threshold value can take a certain time. However, this is tolerable, since the transmission of the threshold value is generally only required when the sensor head 5 is started up.
  • the control module 12 can also short-circuit the two-wire line 14 for a longer period of time 40, hereinafter referred to as long pulse 40.
  • the transmission of such a long pulse 40 to the transmission circuit 22 is used by the latter as a request for the transmission of the already interpreted threshold value interpreted.
  • the transmission circuit 22 then transmits a sequence of counting pulses 39 'to the control module 12 as shown in FIG. 6h.
  • the threshold value can again be given by the number of counting pulses 39'.
  • the threshold value is set directly in the sensor head 13, e.g. B. via the button 8, it is thus possible to set this once in a sensor head 13, then transmit it to the control module 12 and then transmit the threshold value from the control module 12 to the other sensor heads 13.
  • the output signals transmitted to the control module 12 are further transmitted from the control module 12 to the central unit 1.
  • the control module 12 determines an effective sensor signal for each sensor head 13 on the basis of the output signal transmitted by this sensor head and at least one further output signal previously transmitted by the same sensor head 13. This allows short-term faults to be effectively recognized and filtered out.
  • the control module 12 determines an effective sensor signal for each sensor head 13 on the basis of the output signal transmitted by this sensor head and at least one further output signal previously transmitted by the same sensor head 13. This allows short-term faults to be effectively recognized and filtered out.
  • only the last output signal, which was transmitted directly beforehand, or further output signals can also be used.
  • the sensor signals can optionally be further evaluated by the control module 12.
  • the sensor signals can e.g. B. logically linked with each other and the link result to the central unit 1. For example, from a signal follow two sensor heads 13 to the direction of rotation of a shaft and only this direction of rotation signal, ie an increment, are passed on to the central unit 1.
  • the signals can also be checked for plausibility and the result of the plausibility check can be forwarded to the central unit 1. If, for example, a sensor head 13 is assigned to a travel element with respect to each end position, if the sensor heads 13 and the travel element function properly, both sensor heads 13 must not simultaneously detect the presence of the travel element. If this is the case, there is an error that can be recognized by this plausibility check.
  • the sensor head 13 can be operated in a diagnostic manner, in which the lighting or Laser diode 27 a threshold value is determined, at which the output signal is just 1. When the limit threshold value is increased by 1, the output signal becomes 0. In this diagnostic mode, the strength of the measurement signal and thus indirectly the quality of the sensor element 28 can be detected. In the case of an optical sensor element 28, for example, the quality of the optics and / or contamination of the optics can be deduced.
  • This diagnostic operation is preferably only initiated by the control module by transmitting an appropriate command.
  • the further diagnosis is carried out automatically by the transmission circuit 22. Only the limit threshold value is transmitted back to the control module 12.

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Abstract

Ein Sensorkopf (13) weist ein Sensorelement (28) auf, dessen Messsignal einem Komparator (24) zuführbar ist. Dieser vergleicht das Messsignal mit einem Schwellwert und leitet ein binäres Ausgangssignal an eine Übermittlungsschaltung (22) weiter. Der Sensorkopf wird über eine proprietäre Zweidrahtleitung (14) mit elektrischer Energie versorgt. Über die Zweidrahtleitung (14) ist von der Übermittlungsschaltung (22) auch das Ausgangssignal an ein sensorkopfexternes, übergeordnetes Steuermodul (12) übermittelbar. An das Steuermodul (12) sind mindestens zwei solcher Sensorköpfe (13) anschließbar.

Description

Beschreibung
Sensorkopf, Steuermodul und Mehrfachsensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensorkopf mit einem Sensorelement, dessen Messsignal einem Komparator zuführbar ist, mittels dessen das Messsignal mit einem Schwellwert vergleichbar und ein binäres Ausgangssignal an eine Übermittlungsschaltung weiterleitbar ist, ein Steuermodul für mindes- tens zwei Sensorköpfe sowie ein aus einem Steuermodul und mindestens zwei Sensorköpfen gebildeten Mehrfachsensor.
Sensoren, mittels derer ein binäres Ausgangssignal an ein übergeordnetes Steuermodul übermittelbar ist, sogenannte bi- näre Sensoren, werden z. B. in der Automobilindustrie oder im Werkzeugmaschinenbau in großen Stückzahlen zur Automatisierung eingesetzt. Die Sensoren sind dabei mit der Steuerung bzw. einer dezentralen Peripheriebaugruppe entweder über konventionelle Parallelverdrahtung oder über ein Feldbussystem verbunden.
In FIG 1 ist schematisch ein Teil eines parallelverdrahteten Systems dargestellt. Es weist eine Zentraleinheit 1 mit einer Ein-/Ausgabebaugruppe 2 auf. Die Zentraleinheit 1 und die Baugruppe 2 sind über einen internen Steuerungsbus 3 miteinander sowie mit einer Stromversorgungsbaugruppe 4 verbunden. Nicht dargestellt in FIG 1 sind Aktuatoren (z. B. Magnetventile) , die in praktisch jeder Anlage vorhanden sind. Zwei Sensoren 5 sind stellvertretend für alle weiteren Sensoren dargestellt, für welche nur Anschlüsse 6 symbolisch angedeutet sind.
Die Verbindung zwischen der Baugruppe 2 und den Sensoren 5 erfolgt in der Regel über eine Dreidrahtleitung 7. Zwei die- ser Leitungen dienen der Energieversorgung, über die dritte wird das Binärsignal vom Sensor 5 zur Baugruppe 2 übermittelt. Bei der Montage uss darauf geachtet werden, dass die einzelnen Leitungen der Dreidrahtleitung 7 korrekt angeschlossen werden, da es sonst zu Fehlfunktionen, im Extremfall sogar zur Zerstörung, der Sensoren kommen kann.
In der Regel werden die Sensoren zwar mit Schutzmaßnahmen wie Verpolschutz und Kurzschlussschutz versehen, dies ist jedoch relativ kostenaufwendig.
Bei sogenannten intelligenten Sensoren ist es ferner möglich, über einen sogenannten Teach-In-Vorgang (z. B. durch Drücken einer Taste 8 am jeweiligen Sensor 5) eine Schaltschwelle, bei der der jeweilige Sensor 5 anspricht, gezielt einzustellen. Das vom Sensor 5 übermittelte Signal als solches bleibt jedoch nach wie vor binär.
Bei mehreren intelligenten Sensoren 5 in einer Anlage muss jeder einzelne Sensor 5 vor Ort durch Teach-In parametriert werden. Wird ein Sensor 5 defekt und muss ausgetauscht werden, so ist ein erneuter Teach-In-Vorgang erforderlich, da der Schwellwert nur im Sensor 5 selbst abgespeichert ist.
Die Sensoren 5 können auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien beruhen. Beispielsweise können sie optische Sensoren 5 sein. Optische Sensoren 5 senden im Betrieb in der Regel pe- riodisch nur in einem kurzen Zeitfenster einen entsprechend kurzen Lichtimpuls aus. Das Zeitfenster wird von einer sensorinternen Taktstufe gesteuert. Auch die Erfassung des ausgesendeten Lichts erfolgt nur in diesem Zeitfenster. Da aber alle Sensoren 5 autonom arbeiten und normalerweise nicht syn- chronisiert bzw. getriggert werden, kann es unter Umständen zu einer gegenseitigen Beeinflussung kommen, wenn die Zeitfenster zweier Sensoren 5 zufällig zusammenfallen und ein Sensor 5 den Lichtimpuls eines anderen Sensors 5 erfasst (Übersprechen) .
Das Problem des Übersprechens kann dadurch beseitigt werden, dass zusätzliche Steuereingänge an den betreffenden Sensoren 5 vorhanden sind. Über die zusätzlichen Steuereingänge werden den einzelnen Sensoren 5 von einer zusätzlichen Steuereinheit 9 über zusätzliche Steuerleitungen 10 Ansteuerimpulse übermittelt. Dadurch können die Sensoren 5 zeitlich gestaffelt angesteuert werden, so dass ein Übersprechen praktisch ausgeschlossen ist.
Ein Nachteil des Aufbaus gemäß FIG 1 besteht darin, dass der sogenannte Steuerungsdurchgriff bei der Ein-/Ausgabebaugruppe 2 endet. Das bedeutet, dass die Zentraleinheit 1 nicht erkennen kann, wenn z. B. ein Sensorfehler vorliegt oder die Leitung zum Sensor 5 unterbrochen ist.
FIG 2 zeigt ein ähnliches Steuerungssystem wie FIG 1. Im Ge- gensatz zu FIG 1 erfolgt hier jedoch die Übertragung der Ausgangssignale über einen Feldbus 11, also eine allen Sensoren 5 gemeinsame Zweidrahtleitung. Die Ein-/Ausgabebaugruppe 2 ist in diesem Fall durch einen Feldbusmaster 2' ersetzt, dem eine eigene Feldbusstromversorgung 22' zugeordnet ist. Der Feldbus 11 kann beispielsweise gemäß dem sogenannten AS-i- Protokoll arbeiten.
Der Feldbusmaster 2 ' steuert lediglich den Datenaustausch zwischen der Zentraleinheit 1 und den (auch in FIG 2 nicht dargestellten) Aktoren und den Sensoren 5. Eine Datenvor- verarbeitung und -Verknüpfung durch den Feldbusmaster 2 ' erfolgt nicht.
Aufgrund des bidirektionalen Datenaustausches zwischen dem Feldbusmaster 2' und den Sensoren 5 ist es prinzipiell möglich zusätzlich zu den AusgangsSignalen auch Diagnoseinformationen und Parameterwerte, insbesondere die Schwellwerte, zu übertragen. Dies muss jedoch in jedem Fall von der Zentraleinheit 1 entsprechend gesteuert werden. Auch eine gezielte Triggerung der Sensoren 5 ist prinzipiell möglich, auch hier muss dies aber von der Zentraleinheit 1 entsprechend gesteuert werden. In diesem Fall ergibt sich somit als kleinstmög- licher Triggerimpulsabstand die Anwenderprogrammzykluszeit. Eine Echtzeitobjekterfassung durch die Sensoren 5 ist damit praktisch nicht möglich. Im Ergebnis muss daher auch bei der Realisierung gemäß FIG 2 die zusätzliche Steuereinheit 9 nebst den zusätzlichen Steuerleitungen 10 vorgesehen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Mehrfachsensor und dessen Komponenten, nämlich einen Sensorkopf und ein Steuermodul zu schaffen, mittels derer auf ein- fache Weise ein voneinander unabhängiger, flexibler und komfortabler Betrieb der einzelnen Sensoren bzw. Sensorköpfe des Mehrfachsensor möglich ist.
Die Aufgabe wird für den Sensorkopf dadurch gelöst, dass er über eine proprietäre Zweidrahtleitung mit elektrischer Energie versorgbar ist, wobei von der Übermittlungsschaltung das Ausgangssignal über die Zweidrahtleitung an ein sensorkopfexternes übergeordnetes Steuermodul übermittelbar ist.
Hiermit korrespondierend wird die Aufgabe auch durch ein
Steuermodul für mindestens zwei Sensorköpfe gelöst, bei dem die Sensorköpfe über proprietäre Zweidrahtleitungen vom Steuermodul mit elektrischer Energie versorgbar sind, wobei über die Zweidrahtleitungen binäre AusgangsSignale der Sensorköpfe an das Steuermodul übermittelbar sind, wobei die Ausgangssignale an eine steuermodulexterne übergeordnete Zentraleinheit weiterleitbar sind.
Der Mehrfachsensor besteht dann aus einem Steuermodul und mindestens zwei Sensorköpfen, die über je eine proprietäre Zweidrahtleitung mit dem Steuermodul verbunden sind.
Wenn vom Steuermodul über die Zweidrahtleitung ein Einlesen des binären Ausgangssignals in die ÜbermittlungsSchaltung mit nachfolgendem Übermitteln an das Steuermodul auslösbar ist, ist das Ausgangssignal zu definierten Zeitpunkten erfassbar. Wenn das Einlesen der binären AusgangsSignale in die Sensorköpfe mit nachfolgendem Übermitteln an das Steuermodul für jeden Sensorkopf separat auslösbar ist, sind die Sensorköpfe unabhängig voneinander triggerbar. Damit ist es insbesondere möglich, die Sensorköpfe zeitgleich oder zeitlich gestaffelt anzusteuern.
Wenn vom Steuermodul auf Sensorfehler erkennbar ist, wenn nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach einem Auslö- sen eines Einlesens der binären Ausgangssignale in die Sensorköpfe mit nachfolgendem Übermitteln an das Steuermodul die binären Ausgangssignale ausgeblieben sind, ist eine Fehlererkennung möglich.
Wenn der Schwellwert vom Steuermodul über die Zweidrahtleitung an die Übermittlungsschaltung übermittelbar ist, ist der Schwellwert auf einfache Weise einstellbar.
Wenn die Übermittlung des Schwellwerts von der Übermittlungs- Schaltung über die Zweidrahtleitung vom Steuermodul anforderbar ist, ist beim Neuanschluss des Sensorkopfs an das Steuermodul eine automatische Parametrierung des Sensorkopfes möglich.
Wenn von der Übermittlungsschaltung über die Zweidrahtleitung auch eine Diagnosemeldung an das Steuermodul übermittelbar ist, ist eine sensorkopfinterne Diagnose nebst Übermittlung der Diagnose an das Steuermodul möglich.
Wenn von der Übermittlungsschaltung auf eine Anforderung des
Steuermoduls über die Zweidrahtleitung auch der Schwellwert an das Steuermodul übermittelbar ist, ist es möglich, den Schwellwert nur über einen der Sensorköpfe einzulernen und danach den gelernten Schwellwert automatisch an alle anderen angeschlossenen Sensorköpfe weiterzuleiten. Wenn die Übermittlung von Information über die Zweidrahtleitung adressierungsfrei erfolgt, ist die Datenübertragung besonders effizient. Die adressenfreie Übermittlung von Information ist dabei deshalb möglich, weil die Zweidrahtleitungen den jeweiligen Sensorköpfen proprietär zugeordnet sind.
Das Sensorelement kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Oftmals ist es aber als optisches Sensorelement ausgebildet.
Wenn zwischen der Übermittlungsschaltung und der Zweidrahtleitung eine Gleichrichtereinheit angeordnet ist, können die beiden Adern der Zweidrahtleitung ohne Beachtung der Polung angeschlossen werden.
Wenn für jeden Sensorkopf anhand des von diesem Sensorkopf übermittelten Ausgangssignals und mindestens eines vom selben Sensorkopf zuvor übermittelten Ausgangssignals ein wirksames Sensorsignal ermittelbar ist, kann der Sensorkopf besonders kostengünstig ausgestaltet werden.
Wenn die den Sensorköpfen zugeordneten Sensorsignale vom Steuermodul logisch miteinander verknüpfbar und/oder auf Plausibilität prüfbar sind und das Ergebnis der Verknüpfung und/oder der Plausibilitätsprüfung an die Zentraleinheit wei- terleitbar ist, kann die Zentraleinheit von Datenverarbeitungsaufgaben entlastet und so die Zykluszeit verkürzt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sic.h aus der nach- folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
FIG 1 und 2 Steuerungssysteme des Standes der Technik,
FIG 3 ein Steuerungssystem mit einem Mehrfachsensor, FIG 4 einen Sensorkopf,
FIG 5 ein Steuermodul und
FIG 6a - βh Signalverläufe einer Zweidrahtleitung. Gemäß FIG 3 besteht ein Mehrfachsensor aus einem Steuermodul 12 und mehreren Sensorköpfen 13. Dargestellt in FIG 3 sind dabei nur zwei Sensorköpfe 13, prinzipiell ist die Anzahl an Sensorköpfen 13 aber beliebig. Die Sensorköpfe 13 sind mit dem Steuermodul 12 über proprietäre Zweidrahtleitungen 14 verbunden. Über die Zweidrahtleitungen 14, die jedem Sensorkopf 13 proprietär zugeordnet sind, werden sowohl die Sensorköpfe 13 mit elektrischer Energie versorgt als auch Daten zwischen dem Steuermodul 12 und dem jeweiligen Sensorkopf 13 übermittelt.
Das Steuermodul 12 ist über den Steuerungsbus 3 mit der Zentraleinheit 1 und der Stromversorgungsbaugruppe 4 verbunden. Die Zentraleinheit 1 ist ferner über den Steuerungsbus 3 mit mindestens einer Ausgabebaugruppe 15 verbunden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt es aber auf diese Ausgabebaugruppe 15 nicht an. Auf diese wird daher nachstehend nicht weiter eingegangen.
Gemäß FIG 4 weist jeder Sensorkopf 13 zwei Anschlüsse 16 für die Zweidrahtleitung 14 auf. Den Anschlüssen 16 ist eine Gleichrichtereinheit 17 unmittelbar nachgeordnet . Zum Übermitteln von Informationen (auf die Einzelheiten wird später in Verbindung mit FIG 6 noch eingegangen werden) wird die Zweidrahtleitung 14 kurzfristig kurzgeschlossen. Es erfolgt also ein Spannungseinbruch. Zur Vermeidung von Energieversorgungseinbrüchen während dieser Zeiten ist der Gleichrichtereinheit 17 daher ein Spannungsstabilisator 18 nachgeordnet. Im einfachsten Fall besteht der Spannungsstabilisator 18 aus einer Rückflusssperrdiode 19, einem Stützkondensator 20 und einer Drossel 21. Aufgrund des SpannungsStabilisators 18 ist eine stabile SpannungsVersorgung der weiteren Komponenten des Signalkopfs 13, nämlich einer Übermittlungsschaltung 22, eines DA-Wandlers 23, eines Komparators 24, eines Verstärkers 25 und einer Ansteuerstufe 26, möglich. 1 1 1 1 Φ 1 CM -H
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der Datenübermittlung als auch bei einem Kurzschluss auf einen unkritischen Wert begrenzt. Ferner bewirken sie ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis .
Von der Übermittlungsschaltung 22 übermittelte Daten werden über je einem Anschlusspaar 31 zugeordnete Abgriffleitungen 33 in eine Verarbeitungseinheit 34 eingelesen. Die Ausgabe von Daten an die jeweiligen Sensorköpfe 13 erfolgt über Schaltelemente 35, die von der Verarbeitungseinheit 34 an- steuerbar sind.
Das Zusammenwirken des Steuermoduls 12 mit einem Sensorkopf 13 wird nachfolgend in Verbindung mit FIG 6 näher erläutert. Dabei ist selbstverständlich das für einen Sensorkopf 13 er- läuterte Funktionsprinzip auf die anderen Sensorköpfe 13 direkt übertragbar. Aufgrund der proprietären Zuordnung der Zweidrahtleitungen 14 zu den jeweiligen Sensorköpfen 13 sind die Datenübertragungen ferner unabhängig voneinander. Insbesondere ist somit auch das nachfolgend beschriebene Auslösen eines Einlesens eines binären Ausgangssignals mit nachfolgenden Übermitteln an das Steuermodul 12 separat auslösbar. Hierbei ist insbesondere eine gleichzeitige, eine zeitlich versetzte oder eine rein stochastische Ansteuerung möglich.
Gemäß FIG 6a übermittelt das Steuermodul 12 von Zeit zu Zeit durch entsprechendes Ansteuern des korrespondierenden Schaltelements 35 einen Triggerimpuls 36 an die Ubermittlungsschaltung 22. Diese steuert daraufhin die Ansteuerstufe 26 an. Sie löst also ein Einlesen des binären Ausgangssignals in die Übermittlungsschaltung 22 aus und übermittelt das eingelesene Ausgangssignal nachfolgend an das Steuermodul 12 weiter. Zum Übermitteln des AusgangsSignals an das Steuermodul 12 wird zunächst gemäß den Figuren 6b und 6c in jedem Fall ein Quittungssignal 37 über die Zweidrahtleitung 14 übertragen. Je nach dem Wert des Ausgangssignals wird ferner in kurzem zeitlichem Abstand nach dem Quittungssignal 37 die Zweidrahtleitung 14 nochmals kurzfristig kurzgeschlossen oder nicht. Die Übermittlungsschaltung 22 ist unter anderem in der Lage, eine sensorkopfinterne Diagnose durchzuführen. Falls diese sensorkopfinterne Diagnose ein nicht ordnungsgemäßes Funktionieren des Sensorkopfs 13 ergibt, gibt die Über ittlungs- Schaltung 22 gemäß FIG 6d ein verzögertes Quittungssignal 37' aus. Durch Erfassung der Zeit, die bis zum Übermitteln des Quittungssignals 37 bzw. des verzögerten Quittungssignals 37' vergeht, kann das Steuermodul 12 somit zwischen einer Fehlermeldung durch die Übermittlungsschaltung 22 und einem norma- len Quittungssignal 37 unterscheiden. Wenn hingegen überhaupt kein Quittungssignal 37, 37' übermittelt wird, erkennt das Steuermodul nach Ablauf einer vorbestimmten, längeren Zeitspanne nach einem Triggerimpuls 36 auf Sensorfehler. In diesem Fall ist entweder die Zweidrahtleitung 14 unterbrochen oder der Sensorkopf 13 reagiert überhaupt nicht.
Wenn der Sensorkopf 13 nach einem Anschließen an das Steuermodul 12 erstmals einen Triggerimpuls 36 erhält, übermittelt die Übermittlungsschaltung 22 eine in FIG 6e dargestellte Im— pulsfolge 38. Die Impulsfolge 38 wird von dem Steuermodul 12 als Anforderung zur Übermittlung des Schwellwerts interpretiert . Das Steuermodul 12 überträgt daher nachfolgend gemäß FIG 6f eine Folge von Zählpulsen 39 an die Ubermittlungsschaltung 22. Die Anzahl der Zählpulse 39 ergibt den Wert, auf den der Schwellwert einzustellen ist.
Die Übermittlung des Schwellwerts kann, je nach Zahl der mögliche Zählimpulse 39, einen gewisse Zeit in Anspruch nehmen. Dies ist aber tolerierbar, da die Übermittlung des Schwell- werts in der Regel nur bei der Inbetriebnahme des Sensorkopfs 5 erforderlich ist.
Gemäß FIG 6g kann das Steuermodul 12 ferner die Zweidrahtleitung 14 für eine längere Zeitspanne 40, nachfolgend Langpuls 40 genannt, kurzschließen. Die Übermittlung eines derartigen Langpulses 40 an die ÜbermittlungsSchaltung 22 wird von dieser als Anforderung zur Übermittlung des im Sensorkopf 5 be- reits hinterlegten Schwellwerts interpretiert. Die Ubermittlungsschaltung 22 überträgt daraufhin gemäß FIG 6h eine Folge von Zählpulsen 39' an das Steuermodul 12. Auch hier kann der Schwellwert wieder durch die Zahl der Zählpulse 39' gegeben sein. Bei einer Einstellung des Schwellwerts direkt im Sensorkopf 13, z. B. über den Taster 8, ist es somit möglich, diesen einmalig in einem Sensorkopf 13 einzustellen, ihn sodann an das Steuermodul 12 zu übermitteln und danach den Schwellwert vom Steuermodul 12 an die anderen Sensorköpfe 13 weiter zu übermitteln.
Die gesamte, obenstehend in Verbindung mit FIG 6 beschriebene Datenübertragung erfolgt über die dem jeweiligen Sensorkopf 13 proprietäre Zweidrahtleitung 14. Je nachdem, welches der Schaltelemente 29, 35 geschlossen wird, erfolgt eine Datenübertragung vom Sensorkopf 13 zum Steuermodul 12 oder umgekehrt. Ersichtlich werden dabei über die Zweidrahtleitung 14 ausschließlich Daten, nicht aber Adressen übertragen. Die Übermittlung von Information erfolgt also adressierungsfrei.
Die zum Steuermodul 12 übertragenen Ausgangssignale (evtl. auch die Diagnosesignale und Fehlererkennungen) werden vom Steuermodul 12 weiter an die Zentraleinheit 1 übermittelt. Zuvor ermittelt das Steuermodul 12 aber für jeden Sensorkopf 13 anhand des von diesem Sensorkopf übermittelten Ausgangssignals und mindestens eines weiteren, vom selben Sensorkopf 13 zuvor übermittelten AusgangsSignals ein wirksames Sensorsignal. Damit können kurzzeitige Störungen wirksam erkannt und ausgefiltert werden. Dabei kann z. B. nur das letzte, un- mittelbar zuvor übertragene Ausgangssignal oder es können auch weitere Ausgangssignale herangezogen werden.
Die Sensorsignale können vom Steuermodul 12 gegebenenfalls auch noch weitergehend ausgewertet werden. Insbesondere kön- nen die Sensorsignale z. B. logisch miteinander verknüpft werden und das Verknüpfungsergebnis an die Zentraleinheit 1 weitergeleitet werden. Beispielsweise kann aus einer Signal- folge von zwei Sensorköpfen 13 auf die Drehrichtung einer Welle geschlossen werden und nur dieses Drehrichtungssignal, also ein Inkrement, an die Zentraleinheit 1 weitergegeben werden. Auch können die Signale auf Plausibilität überprüft werden und das Ergebnis der Plausibilitätsprüfung an die Zentraleinheit 1 weitergeleitet werden. Wenn beispielsweise einem Verfahrelement bezüglich jeder Endstellung je ein Sensorkopf 13 zugeordnet ist, dürfen bei ordnungsgemäßem Funktionieren der Sensorköpfe 13 und des Verfahrelements nicht gleichzeitig beide Sensorköpfe 13 die Anwesenheit des Verfahrelements erkennen. Wenn dies doch der Fall ist, liegt ein durch diese Plausibilitätsprüfung erkennbarer Fehler vor.
Es ist ferner ein Diagnosebetrieb des Sensorkopfs 13 möglich, in dem bei definierter, konstanter Ansteuerung der Leuchtbzw. Laserdiode 27 ein Grenzschwellwert ermittelt wird, bei dem das Ausgangssignal gerade noch den Wert 1 hat. Bei Erhöhung des Grenzschwellwerts um 1 wird das Ausgangssignal zu 0. In diesem Diagnosebetrieb ist somit die Stärke des Messsig- nals und damit indirekt die Qualität des Sensorelements 28 erfassbar. Es kann also beispielsweise bei einem optischen Sensorelement 28 auf die Qualität der Optik und/oder eine Verschmutzung der Optik rückgeschlossen werden.
Vorzugsweise wird dieser Diagnosebetrieb vom Steuermodul durch Übertragung eines entsprechenden Befehls lediglich angestoßen. Die weitere Diagnose wird von der Ubermittlungsschaltung 22 selbsttätig durchgeführt. Lediglich der Grenzschwellwert wird an das Steuermodul 12 zurückübertragen.
Mittels des erfindungsgemäßen Mehrfachsensors ist auf einfache und kostengünstige Weise ein kompakter und komfortabler Aufbau binärer Sensorik möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorkopf mit einem Sensorelement (28), dessen Messsignal einem Komparator (24) zuführbar ist, mittels dessen das Mess- signal mit einem Schwellwert vergleichbar und ein binäres Ausgangssignal an eine Übermittlungsschaltung (22) weiterleitbar ist, wobei der Sensorkopf über eine proprietäre Zweidrahtleitung (14) mit elektrischer Energie versorgbar ist, wobei von der Übermittlungsschaltung (22) das Ausgangssignal über die Zweidrahtleitung (14) an ein sensorkopfexternes übergeordnetes Steuermodul (12) übermittelbar ist.
2. Sensorkopf nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vom Steuermodul (12) über die Zweidrahtleitung (14) ein Einlesen des binären Ausgangssignals in die Ubermittlungsschaltung (22) mit nachfolgendem Übermitteln an das Steuermodul (12) auslösbar ist.
3. Sensorkopf nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schwellwert vom Steuermodul (12) über die Zweidrahtleitung (14) an die Übermittlungsschaltung (22) übermittelbar ist.
4. Sensorkopf nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Übermittlung des Schwellwerts von der Ubermittlungsschaltung (22) über die Zweidrahtleitung (14) vom Steuermodul (12) anforderbar ist.
5. Sensorkopf nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass von der Übermittlungsschaltung (22) über die Zweidraht- leitung (14) auch eine Diagnosemeldung an das Steuermodul (12) übermittelbar ist.
6. Sensorkopf nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass von der ÜbermittlungsSchaltung (22) auf eine Anforderung des Steuermoduls (12) über die Zweidrahtleitung (14) der Schwellwert an das Steuermodul (12) übermittelbar ist.
7. Sensorkopf nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Übermittlung von Information über die Zweidrahtlei- tung (14) adressierungsfrei erfolgt.
8. Sensorkopf nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (28) als optisches Sensorelement (28) ausgebildet ist.
9. Sensorkopf nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen der Übermittlungsschaltung (22) und -der Zwei- drahtleitung (14) eine Gleichrichtereinheit (17) angeordnet ist.
10. Steuermodul für mindestens zwei Sensorköpfe (13), wobei die Sensorköpfe (13) über proprietäre Zweidrahtleitungen (14) vom Steuermodul mit elektrischer Energie versorgbar sind, wobei über die Zweidrahtleitungen (14) binäre AusgangsSignale der Sensorköpfe (13) an das Steuermodul übermittelbar sind, wobei die Ausgangssignale an eine Steuermodulexterne übergeordnete Zentraleinheit (1) weiterleitbar sind.
11. Steuermodul nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vom Steuermodul über die Zweidrahtleitungen (14) ein Einlesen der binären Ausgangssignale in die Sensorköpfe (13) mit nachfolgendem Übermitteln an das Steuermodul auslösbar ist.
12. Steuermodul nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Einlesen der binären AusgangsSignale in die Sensorköpfe (13) mit nachfolgendem Übermitteln an das Steuermodul für jeden Sensorkopf (13) separat auslösbar ist.
13. Steuermodul nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vom Steuermodul auf Sensorfehler erkennbar ist, wenn nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach einem Auslösen eines Einlesens der binären Ausgangssignale in die Sensorköpfe (13) mit nachfolgendem Übermitteln an das Steuermodul die binären Ausgangssignale ausgeblieben sind.
14. Steuermodul nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vom Steuermodul über die Zweidrahtleitungen (14) Schwellwerte an die Sensorköpfe (13) übermittelbar sind.
15. Steuermodul nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Übermittlung der Schwellwerte von den Sensorköpfen (13) über die Zweidrahtleitungen (14) vom Steuermodul anforderbar ist.
16. Steuermodul nach einem der Ansprüche 10 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass über die Zweidrahtleitungen (14) auch Diagnosemeldungen an das Steuermodul übermittelbar sind.
17. Steuermodul nach einem der Ansprüche 10 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass von ihm über die Zweidrahtleitungen (14) von den Sensorköpfen (13) Übermittlungen von Schwellwerten anforderbar sind.
18. Steuermodul nach einem der Ansprüche 10 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Übermittlung von Information über die Zweidrahtleitungen (14) adressierungsfrei erfolgt.
19. Steuermodul nach einem der Ansprüche 10 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für jeden Sensorkopf (13) anhand des von diesem Sensorkopf (13) übermittelten Ausgangssignals und mindestens eines vom selben Sensorkopf (13) zuvor übermittelten Ausgangssig- nals ein wirksames Sensorsignal ermittelbar ist.
20. Steuermodul nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die den Sensorköpfen (13) zugeordneten Sensorsignale vom Steuermodul logisch miteinander verknüpfbar und/oder auf Plausibilität prüfbar sind und dass das Ergebnis der Verknüpfung und/oder der Plausibilitätsprüfung an die Zentraleinheit (1) weiterleitbar ist.
21. Mehrfachsensor, bestehend aus einem Steuermodul (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 20 und mindestens zwei Sensorköpfen (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Sensorköpfe (13) mit dem Steuermodul (12) über je eine proprietäre Zweidrahtleitung (14) verbunden sind.
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