DE102020113663A1

DE102020113663A1 - Geräteeinheit, Mastereinheit und eine Verbindungsanordnung zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard

Info

Publication number: DE102020113663A1
Application number: DE102020113663.3A
Authority: DE
Inventors: Werner Hoch; Fabian Schorrer
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-11-25

Abstract

Bei einer Geräteeinheit, Mastereinheit und eine Verbindungsanordnung zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard ist eine Impedanz-Anpassungs-Schaltung vorgesehen, die eine Kommunikation über größere Kabellängen von mehr als 20 m ermöglicht, ohne dass dadurch Bitfehler entstehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Geräteeinheit, Mastereinheit und eine Verbindungsanordnung zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 2 bzw. 7.
IO-Link ist ein herstellerübergreifendes standardisiertes Kommunikationssystem zur Anbindung von intelligenten Sensoren und Aktoren an eine Steuerung. Dieses Kommunikationssystem ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung Singledrop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) normiert.
Dieser Standard definiert sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit dem Master in Datenaustausch treten.
Ein IO-Link-System besteht aus einem IO-Link-Master, der über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem oder mehreren IO-Link-Devices (IO-Link Modulen), die nachfolgend auch als Geräteeinheiten bezeichnet werden, verbunden ist. Der IO-Link-Master stellt die Schnittstelle zur überlagerten Steuerung (z. B. SPS) über einen Feldbus zur Verfügung und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Geräten (8).
Ein IO-Link-Master kann einen oder mehrere IO-Link-Ports haben, an jedem Port kann aber nur ein IO-Link-Device angeschlossen werden. IO-Link verwendet Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und ist somit kein Feldbus im klassischen Sinne.
Ein IO-Link-Device ist ein intelligenter Sensor oder Aktor. Intelligent heißt im Hinblick auf IO-Link, dass ein Gerät z. B. eine Seriennummer oder Parameterdaten (z. B. Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien) besitzt, die über das IO-Link-Protokoll lesbar bzw. schreibbar sind. Das Ändern von Parametern kann damit z. T. im laufenden Betrieb durch die SPS erfolgen.
Die Konfigurations-Parameter der Sensoren und Aktoren sind gerätespezifisch, daher gibt es für jedes Gerät Parameterinformationen in Form einer IODD (IO Device Description).
Mit Hilfe von IO-Link können Sensoren automatisch parametriert, Anlagenzustände diagnostiziert und Messwerte verlustfrei übertragen werden.
Aus den Druckschriften EP2211464A1 , DE102012009494A1 und DE102014106752A1 sind verschiedene IO-Link Kommunikationsschaltungen und IO-Link Kommunikationsverfahren bekannt.
Aus der Druckschrift DE102007032845A1 sind ein Bus-Repeater und ein Verfahren zur Ankopplung zweier Bus-Segmente über einen Bus-Repeater allgemein für Feldbusse bekannt.
Aus der DE19710137A1 ist ein Verfahren zur Erweiterung eines ASi Bussystems bekannt.
IO-Link erlaubt gemäß Spezifikation eine Verbindung zwischen Master und Device von max. 20 m Kabellänge. Bei längeren Verbindungen kann es zu Bit-Fehlern kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Geräteeinheit, Mastereinheit und eine Verbindungsanordnung zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard die den IO-Link Spezifikationen entspricht und die auch größere Kabellängen von mehr als 20 m ermöglicht, ohne dass dadurch Bitfehler entstehen können
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, 2, 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Eine wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, bei einer Geräteeinheit zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation mit einer Mastereinheit gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard, am Signalanschluss C/Q der IO-Link-Schnittstelle eine Impedanz-Anpassungs-Schaltung vorgesehen ist, die das Schaltsignal im SIO-Modus nicht beeinträchtig und die Reflektionen der Kommunikationssignale im IO-Link-Modus verringert.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 Geräteeinheit und Mastereinheit
1a Blockdiagramm IO-Link Device
1b Pin Belegung am Port eines IO-Link Devices
1c IO-Link Device als Sensor
1d schematisierte Schaltungsanordnung zu 1
2 Spannungs-Zeit-Diagramm
3 Schaltungsanordnuung mit verbesserter Leitungsimpedanz
4 Spannungs-Zeit-Diagramm
5a ertes Ausführungsbeispiels der Erfindung
5b zweites Ausführungsbeispiels der Erfindung
6 Verbindungsanordnung mit Repeatereinheiten gemäß der Erfindung
7 Spannungs-Zeit-Verlauf bei einem Wake-up-Request
8 IO-Link-Gerät

1 zeigt eine Geräteeinheit (Device) und eine Mastereinheit (Master) gemäß den IO-Link-Spezifikationen.
Die Geräteeinheit weist einen IO-Link-Schnittstelle mit zwei Versorgungsanschlüssen L+/L- zur Energieversorgung der Geräteeinheit sowie einen Signalanschluss C/Q zur Signalübertragung auf.
Schematisch ist die Verbindung zwischen der Geräteeinheit und der Mastereinheit, als Kabel mit 3 Adern dargestellt, jedoch nicht längengetreu sondern nur für jede Ader als reine Kapazität. Die Signallaufzeiten variieren mit der Länge der Verbindung.
Die Endstufen sind sowohl geräteseitig wie auch masterseitig jeweils als Stromquellen dargestellt, deren Auslegung in den Spezifikationen definiert sind. Im Prinzip handelt es sich bei den Stromquellen um Schalter mit einer definierten Strombegrenzung.
Die Impedanz einer ungeschirmten Verbindung beträgt ca. 60-80 Ohm (C/Q-Leitung gegenüber L+ und L-)
Die Impedanzen der IO-Link-Schnittstellen sind nicht an diese Leitungsimpedanzen angepasst. Bei der Kommunikation kommt es aufgrund der fehlenden Anpassungen bei dem jeweiligen Sender bzw. Empfänger (Geräteeinheit bzw. Mastereinheit) zu Leitungsreflexionen.
Diese Leitungsreflexionen können mehrere Ursachen:

• Impedanz des Senders ist niedrig (sehr viel kleiner als die Leitungsimpedanz)
• Impedanz des Empfängers ist niedrig (sehr viel kleiner als die Leitungsimpedanz)
• Impedanz des Empfängers ist sehr hoch (sehr viel größer als die Leitungsimpedanz)

Der IO-Link-Empfänger ob Geräteeinheit oder Mastereinheit ist per Definition ein hochohmiger Eingang.
Reflexionen oder Überschwinger werden ggf. über Schutzbauelemente (z.B. Zener- und Suppressordioden) abgeleitet. Sendet die Mastereinheit über den niederohmigen Ausgang ein digitales Signal an die Geräteeinheit, die einen hochohmigen Eingang besitzt, dann wird das Signal mit der gleichen Polarität zurückreflektiert. Da der Ausgang der Mastereinheit niederohmig ist, wird das digitale Signal mit der entgegengesetzten Polarität zurückreflektiert. Dadurch können Mehrfachreflexionen entstehen, die je nach Gegebenheiten langsam abklingen.
1a zeigt ein Blockdiagramm eines IO-Link Devices mit einer Sensor/Aktor-Einheit, einem Mikrocontroller µC und einer IO-Link-Schnittstelle (IO-Link PHY) mit einer Port-Einheit für die externen Anschlüssen L+, L- (GND)und C/Q.
1c zeigt ein typisches IO-Link Device als Sensor mit einem Mikrocontroller. Im SIO-Modus ist entweder der oberer oder der untere Schalter So, Su der output stage geschlossen.
In dieser Figur wird die Problematik erkennbar. Der Receiver erkennt die Digitalsignale nur wenn die beiden Schalter So, Su offen sind.
Die Aufforderung an das IO-Link-Device vom SIO-Modus in den IO-Link Modus umzuschalten erfolgt masteseitig über den Wakeup Request.
Liegt der C/Q Ausgang auf L+ Potential so legt der Master seinen C/Q Ausgang auf L- Potential. Dadurch fließt ein Kurzschlusstrom in der output stage, der detektierbar ist.
Gleiches gilt wenn der C/Q Ausgang auf L- Potential liegt!
1b zeigt die Pin Belegung am Port eines IO-Link Devices.
1d zeigt eine gegenüber 1 vereinfachte schematisierte Schaltungsanordnung einer herkömmlichen IO-Link Kommunikation zwischen einem IO-Link Master und einem IO-Link Device mit jeweils einer herkömmlichen Endstufe hE1 bzw. hE2
2 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm gemäß der Schaltungsanordnung gemäß 1 bzw. 1c Das zeitlich verzögerte Signal, ist das reflektierte Signal mit Oszillationen, die auch als Überschwinger bezeichnet werden. Da erste Signalmaximum nach der abfallenden Flanke könnte beim Empfänger zu einem Bitfehler führen, wenn die zeitliche Verschiebung ca- ½ Bit beträgt.
3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die besser an die Leitungsimpedanz der Verbindungsleitung angepasst wäre. Sowohl auf der Senderseite als auch auf der Empfängerseite ist jeweils ein Widerstand R26, R27 vorgesehen. Der Wert der Widerstände beträgt jeweils ca. 40 Ω was in etwa der Leitungsimpedanz von 60 Ω entspricht.
4 zeigt die entsprechenden Signalverläufe ebenfalls in einem Spannungs-Zeit-Diagramm. Überschwinger, die zu Bitfehler führen könnten, sind nicht mehr vorhanden. Es sind zwar noch Überschwinger vorhanden, aber keine der Signalspannungen übersteigt die Schaltschwellen des IO-Link-Empfängers.
Diese Schaltungsanordnung entspricht jedoch nicht den IO-Link-Spezifikationen.
Mit einem Serienwiderstand R26 am C/Q Signalanschluss könnte eine Geräteeinheit das Schaltsignal nicht mehr entsprechend der SPS Norm IEC61131-2 generieren, weil der Spannungsabfall mit dem zusätzlichen Widerstand zu groß wäre.
Außerdem könnte die Mastereinheit kein sensorseitig als Wake-Up-Request interpretierbares Signal generieren, weil bei einem Strom von 500 mA die gesamte Spannung am Serienwiderstand R27 abfallen würde Bei 500mA und 400hm → 20V Spannungsabfall. Das ist zwar nicht die gesamte Spannung, aber der Spannungsabfall ist einfach zu groß. Der Zweite Widerstand auf der Gegenseite ist u.U. auch noch vorhanden, was die Signalspannung weiter verringert.
5a zeig ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Sowohl in der Geräteeinheit wie auch in der Mastereinheit sind zwei Endstufen E1, E2 vorgesehen. Die eine Endstufe E1 ist für den SIO-Modus die andere Endstufe E2 für den IO-Link-Modus vorgesehen.
Befindet sich die Geräteeinheit im SIO-Modus und die Mastereinheit generiert einen Wakeup-Request so nimmt die Geräteeinheit diesen Wakeup-Request wahr und beide Einheiten versetzen die beiden Endstufen E1 in einen hochohmigen Zustand. Damit erfolgt die IO-Link Kommunikation ausschließlich über die Endstufen E2, die jeweils einen Serienwiderstand R26 bzw. R27 aufweisen.
5b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Schaltung ist jeweils der Serienwiderstand R28 bzw. R29 mittels eines Schalters U4, U5 überbrückbar.
Im SIO-Modus sind die beiden Schalter U4, U5 geschlossen, im IO-Link Modus jeweils offen.
Im SIO-Modus wird der masterseitig generierte Wakeup-Request detektiert und beide Einheiten schalen in den IO-Link Modus um.
Der wesentliche Vortei, den die Erfindung bietet, ist dass sowohl die Schaltsignale im SIO-Modus wie auch die Digitalsignale im IO-Link Modus entsprechend der IO-Link Spezifikation übertragen werden und gleichzeitig störende Reflektionen bei der Übertragung der Digitalsignale vermieden werden.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Hierbei besteht eine Verbindungsanordnung für eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation zwischen einer Geräteeinheit, mit einer Mastereinheit gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard, aus einer ersten Repeatereinheit und einer zweiten Repeatereinheit, die über eine Verbindungsleitung L3 miteinander verbunden sind. Die Länge des Kabels L3 ist dabei nicht auf 20 m begrenzt.
Da die Digitalsignale auf dem Kabel L3 quasi reflexionsfrei übertragen werden, weil die Impedanzen der jeweiligen Schnittstellen auf die Impedanzen des Übertragungskabels angepasst sind, können einfach auch längere Entfernungen überbrückt werden.
In 7 zeigt den Spannungs-Zeit-Verlauf bei einem masterseitigen Wake-up-Request. Ist der Port des Masters auf IO-Link Modus eingestellt, versucht der IO-Link Master mit dem angeschlossenen IO-Link Device zu kommunizieren. Dazu sendet der IO-Link Master ein definiertes Signal (Wake up Impuls) und wartet auf die Antwort des IO-Link Devices. Die Wake-up-Prozedur ist u. a. in den IO-Link Communication Specification Version 1.0 January 2009 Order No: 10.002 beschrieben.
Ist der Sensor im IO-Link Modus, dann gilt Folgendes für eine typische Wake-up-Prozedur:

IO-Link sieht prinzipiell nur schaltende Ausgänge vor.

Der Schaltausgang C/Q am IO-Link Device liefert maximal 200 mA.
Der zugehörige IO-Link Master weist einen digitalen Eingang nach IEC 61131-2 auf. Dieser digitale Eingang arbeitet als Stromsenke von 5 bis 15 mA, je nach anliegendem Spannungspegel.
Die Erkennungspegel für ein High / Low Signal liegen zwischen 10,5 bis 13 V (High) und 8 bis 11,5 V (Low).
Um die C/Q Leitung in den hochohmigen Zustand zu überführen, wird ein Strom / Spannungsereignis von 80µs Dauer und maximal 500 mA in der entgegengesetzten Polarität auf der C/Q-Leitung vom Master eingeprägt.
Das IO-Link Device erkennt dies als Kurzschluss und deaktiviert die Treiberstufe des Ausganges. Damit ist die Leitung hochohmig, d.h. nur die Stromsenke im IO-Link Master ist aktiv. Die Kommunikation kann jetzt gestartet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2211464 A1 [0009]
DE 102012009494 A1 [0009]
DE 102014106752 A1 [0009]
DE 102007032845 A1 [0010]
DE 19710137 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm IEC 61131-9 [0002]

Claims

Geräteeinheit zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation mit einer Mastereinheit gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard, wobei im IO-Link Kommunikationsstandard zwei Arbeitsmodi definiert sind, einem ersten SIO-Modus bei dem ein Schaltsignal von der Geräteeinheit zur Mastereinheit übertragen wird und einem zweiten IO-Link-Modus bei dem die Mastereinheit über Digitalsignale mit der Geräteeinheit kommuniziert wobei im laufenden Betrieb die Mastereinheit eine Änderung des Arbeitsmodus vom SIO-Modus auf IO-Link-Modus durch einen Request-Signal anfordern kann, wobei die Geräteeinheit eine IO-Link Schnittstelle mit zwei Versorgungsanschlüssen L+/L- zur Energieversorgung der Geräteeinheit und einen Signalanschluss C/Q zur Signalübertragung entsprechend dem gewählten Arbeitsmodus aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Signalanschluss C/Q eine Impedanz-Anpassungs-Schaltung vorgesehen ist, die das Schaltsignal im SIO-Modus nicht beeinträchtig und die Reflektionen der Kommunikationssignale im IO-Link-Modus verringert, damit auch bei Entfernungen von über 20 m zwischen Geräteeinheit und Mastereinheit bei der digitalen Kommunikation keine Bitfehler auftreten.
Mastereinheit zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation mit einer Geräteeinheit gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard, wobei im IO-Link Kommunikationsstandard zwei Arbeitsmodi definiert sind, einem ersten SIO-Modus bei dem ein Schaltsignal von der Geräteeinheit zur Mastereinheit übertragen wird und einem zweiten IO-Link-Modus bei dem die Mastereinheit über Digitalsignale mit der Geräteeinheit kommuniziert wobei im laufenden Betrieb die Mastereinheit eine Änderung des Arbeitsmodus vom SIO-Modus auf IO-Link-Modus durch einen Request-Signal anfordern kann, wobei die Mastereinheit eine IO-Link Schnittstelle mit zwei Versorgungsanschlüssen L+/L- zur Energieversorgung einer Geräteeinheit und einen Signalanschluss C/Q zur Signalübertragung entsprechend dem gewählten Arbeitsmodus aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Signalanschluss C/Q eine Impedanz-Anpassungs-Schaltung vorgesehen ist, die das Schaltsignal im SIO-Modus nicht beeinträchtig und die Reflektionen der Kommunikationssignale im IO-Link-Modus verringert, damit auch bei Entfernungen von über 20 m zwischen Geräteeinheit und Mastereinheit bei der digitalen Kommunikation keine Bitfehler auftreten.
Einheit gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch, gekennzeichnet, da die Impedanz-Anpassungs-Schaltung bewirkt, dass im IO-Link Modus die Impedanz an die Leitungsimpedanz der Signalleitung angepasst ist und im geschalteten Zustand im SIO-Modus (Ein-Zustand) die Impedanz niederohmig ausgeführt ist.
Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz-Anpassungs-Schaltung einen Serienwiderstand mit einer schaltbaren Überbrückung aufweist, wobei im SIO-Mode der Serienwiderstand überbrückt und im IO-Link-Modus nicht überbrückt ist.
Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel geschalteten Endstufen vorgesehen sind, wobei die Endstufen alternativ betrieben werden, und eine erste Endstufe für den SIO-Modus aktivierbar ist und eine zweite Endstufe für den IO-Link-Modus aktivierbar ist, wobei der Signalanschluss C/Q der zweiten Endstufe zur Impedanz-Anpassung einen Serienwiderstand aufweist.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz-Anpassungs-Schaltung einen Kondensator aufweist, der mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden ist.
Verbindungsanordnung für eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation zwischen einer Geräteeinheit mit einer Mastereinheit gemäß dem IO-Link Kommunikationsstandard dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsanordnung aus einer ersten Repeaterteileinheit und einer zweiten Repeaterteileinheit besteht, die jeweils eine IO-Link Schnittstelle mit zwei Versorgungsanschlüssen L+/L- zur Energieversorgung der Geräteeinheit und einen Signalanschluss C/Q zur Signalübertragung entsprechend dem gewählten Arbeitsmodus aufweist, wobei am Signalanschluss C/Q eine Impedanz-Anpassungs-Schaltung vorgesehen ist, die das Schaltsignal im SIO-Modus nicht beeinträchtig und die Reflektionen der Kommunikationssignale im IO-Link-Modus verringert, damit auch bei Entfernungen von über 20 m zwischen den Repeaterteilen bei der digitalen Kommunikation keine Bitfehler auftreten.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz-Anpassungs-Schaltung bewirkt, dass im IO-Link Modus die die Impedanz an die Leitungsimpedanz der Signalleitung angepasst ist und im geschalteten Zustand im SIO-Modus (Ein-Zustand) niederohmig ausgeführt ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz-Anpassungs-Schaltung einen Serienwiderstand mit einer schaltbaren Überbrückung aufweist, wobei im SIO-Mode der Serienwiderstand überbrückt und im IO-Link-Modus nicht überbrückt ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel geschalteten Endstufen vorgesehen sind, wobei die Endstufen alternativ betrieben werden, und eine erste Endstufe für den SIO-Modus aktivierbar ist und eine zweite Endstufe für den IO-Link-Modus aktivierbar ist, wobei der Signalanschluss C/Q der zweiten Endstufe zur Impedanz-Anpassung einen Serienwiderstand aufweist.