DE19516938C1 - Sensor-Aktuator-Bussystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensoren und/oder Aktoren gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Anordnung ist aus der DE 38 04 073 C2 bekannt. Dort sind je
weils mehrere Sensoren an einen als Seriell-Seriell-Wandler oder als Seriell-Pa
rallel-Wandler ausgebildeten Gruppenbaustein angeschlossen. Die Gruppenbau
steine wiederum sind an eine Steuereinheit angeschlossen. Diese Anordnung er
möglicht den Anschluß einer Vielzahl von Sensoren an eine Steuereinheit.
Durch den Einsatz der Gruppenbausteine entsteht ein kaskadiertes Bussystem.
Die Gruppenbausteine haben dabei die Aufgabe, die Informationen der Sensoren
zu sammeln und an die Steuereinheit weiterzugeben. Dabei wird eine Schnittstel
lenanpassung vorgenommen, wodurch das Zeitverhalten zur Informationsüber
tragung geändert wird.
Die DE 43 22 249 A1 beschreibt ein Bussystem mit einem Busmaster-Gerät, an
welches mehrere Sensormodule über Busleitungen angeschlossen sind. Das
Busmastergerät ist von einem Steuergerät gebildet, welches die Signalüber
tragung im Bussystem steuert. Ein oder mehrere dieser Bussysteme sind an einen
übergeordneten Hauptbus angeschlossen, wobei die Kopplung des übergeord
neten Hauptbusses mit dem Bussystem über das jeweilige Busmastergerät
erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bussystem der eingangs genann
ten Art so auszubilden, daß eine Vielzahl von Sensoren oder Aktoren ohne
Schnittstellenanpassungen an die Steuereinheit anschließbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Ansprüchen 2-9 vorgesehen.
Erfindungsgemäß weisen die Gruppenbausteine sowie die Sensoren und Aktoren
jeweils identische Schnittstellenbausteine auf. Jeder Sensor oder Aktor liefert
über den Schnittstellenbaustein in Form von Datenworten Sensorsignale an den
jeweils übergeordneten Gruppenbaustein. Insgesamt empfängt ein Gruppenbau
stein die Signale von insgesamt N Sensoren oder Aktoren, die an diesen Grup
penbaustein angeschlossen sind. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Tech
nik bekannten Gruppenbaustein erfolgt dort keine bloße Sammlung und Weiter
gabe von Informationen sondern eine Verarbeitung der Signale in einer Signal
verarbeitungseinheit. Dort wird aus den von den Sensoren oder Aktoren
empfangenen Eingangssignalen ein Ausgangssignal gewonnen, welches dasselbe
Format wie das Ausgangssignal eines Sensors oder Aktors aufweist. Somit kann
dieses Ausgangssignal über denselben Schnittstellenbaustein wie bei einem
Sensor oder Aktor vom Gruppenbaustein an die Steuereinheit gesendet werden.
Die Signalverarbeitung kann beispielsweise bei der Überwachung von Steue
rungsprozessen darin bestehen, festzustellen, ob ein Sensor oder Aktor innerhalb
eines bestimmten Zeitintervalls durch einen Objekteingriff Signaländerungen
aufweist. Bei derartigen Überwachungsprozessen werden typischerweise durch
Objekteingriffe die Sensoren und Aktoren nicht gleichzeitig aktiviert, sondern
einzeln hintereinander.
In dem Gruppenbaustein werden dann nur die sich ändernden Informationen als
Ausgangssignale über den Schnittstellenbaustein an die Steuereinheit weitergege
ben, wobei die Ausgabe der Informationen über denselben Schnittstellenbaustein
wie bei einem Sensor oder Aktor erfolgt.
Somit verhält sich der Gruppenbaustein innerhalb des Bussystems der übergeord
neten Einheit gegenüber wie ein Sensor oder Aktor. Andererseits weist jeder
Gruppenbaustein ebenso wie die Steuereinheit eine Abfrageeinheit auf. Mittels
der Abfrageeinheit werden die an den Gruppenbaustein angeschlossenen Senso
ren oder Aktoren zyklisch abgefragt. Somit bilden ein Gruppenbaustein und die
daran angeschlossenen Sensoren oder Aktoren ein eigenes Bussystem, welches
mit der übergeordneten Steuereinheit kommuniziert. Auf diese Weise entsteht
ein kaskadiertes Bussystem, wobei die von den Schnittstellenbausteinen an die
Abfrageeinheiten der jeweils übergeordneten Einheiten übertragenen Datenworte
in ihren Formaten übereinstimmen.
Der Datenaustausch in den einzelnen Subsystemen ist insoweit identisch. In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Abfrageeinheiten der
Steuereinheit sowie der Gruppenbausteine sogar identisch. In diesem Fall arbeiten
die einzelnen Subsysteme identisch.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß eine große Anzahl von Sensoren oder Ak
toren an ein Bussystem anschließbar ist. Ist das Bussystem auf eine Teilnehmer
anzahl von M Teilnehmern begrenzt, so kann durch die Verwendung der Grup
penbausteine, an welche jeweils N Sensoren oder Aktoren anschließbar sind, die
maximale Anzahl der anzuschließenden Sensoren oder Aktoren auf M·N
gesteigert werden. Typischerweise ist bei Sensor-Aktor-Bussystemen die Anzahl
der Busteilnehmer M = N = 31.
Ein weiterer Vorteil dieses Bussystems besteht darin, daß die Zykluszeit des
Bussystems bei Hinzufügen der Gruppenbausteine unverändert bleibt. Lediglich
die Reaktionszeit des Bussystems wird verdoppelt, da die Sensoren und Aktoren
innerhalb eines Zyklus die Sensorsignale an die Gruppenbausteine liefern und
innerhalb eines zweiten Zyklus die verarbeiteten Signale vom Gruppenbaustein
an die Steuereinheit weitergeben werden.
Ferner ist vorteilhaft, daß in den Gruppenbausteinen keine Schnittstellenanpas
sung durchgeführt werden muß. Die Struktur des Bussystems ist somit einheit
lich. Der Betreiber des Bussystems kann ohne Anpassungen vorzunehmen Grup
penbausteine, Sensoren oder Aktoren an die Steuereinheit anschließen.
Schließlich ist vorteilhaft, daß bei dem erfindungsgemäßen Bussystem die Steu
ereinheit beträchtlich entlastet wird. Durch die Signalverarbeitungseinheit in den
Gruppenbausteinen gelangen nur die für die Funktion des Bussystems notwendi
gen Informationen zur Steuereinheit. Sämtliche überflüssigen Informationen wer
den bereits in den Gruppenbausteinen ausgefiltert.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Bussystems,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Gruppenbausteins.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines Bussystems 1 für Sensoren 2 und Aktoren 2 dar
gestellt. Das Bussystem 1 arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Der Master
ist von einer Steuereinheit 3 gebildet, welche die zentrale Steuerung des Bus
systems 1 übernimmt. Die Steuereinheit 3 kann von einem Personalcomputer
(PC), einer speicherprogrammierbaren (SPS) Steuerung oder dergleichen gebildet
sein. An die Steuereinheit 3 können insgesamt M Slaves über Busleitungen 4 an
geschlossen sein. Typischerweise beträgt die maximale Anzahl der Slaves M =
31.
In einer Initialisierungsphase werden den Slaves vom Master Adressen zugewie
sen. Während des Betriebs des Bussystems 1 werden die Slaves vom Master in
nerhalb einer vorgegebenen Zykluszeit zyklisch unter den zugewiesenen Adres
sen aufgerufen und abgefragt, worauf die Slaves Daten an den Master senden.
Die Zykluszeit beträgt typischerweise 5 ms.
Der Datenaustausch mit den Slaves wird im Master in einer Abfrageeinheit 5
durchgeführt. Von der Abfrageeinheit 5, welche die Schnittstelle zu den ange
schlossenen Slaves bildet, werden Datenworte in einem vorgegebenen Format
ausgesandt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Wortbreite eines
Datenwortes 4 Bit.
Erfindungsgemäß sind die über die Busleitungen 4 an die Steuereinheit 3 ange
schlossenen Slaves von Gruppenbausteinen 6 gebildet.
An die Gruppenbausteine 6 sind jeweils N Sensoren 2 oder Aktoren 2 ange
schlossen, wobei N wiederum maximal 31 betragen kann. Im folgenden wird ein
reines Sensorbussystem betrachtet, wobei die Sensoren 2 vorzugsweise von opto
elektronischen binären Sensoren 2, insbesondere Lichtschranken gebildet sind.
Die Sensoren 2 haben innerhalb des Bussystems 1 die Funktion von Slaves, wo
bei der zugehörige Master von dem jeweils übergeordneten Gruppenbaustein 6
gebildet ist. Die Busleitungen 4 sind vom Gruppenbaustein 6 auf einen Schnitt
stellenbaustein 7 im Sensor 2 geführt. Über diesen Schnittstellenbaustein 7 wer
den die Datenworte vom Gruppenbaustein 6 in den Sensor 2 eingelesen, worauf
der Sensor 2 als Antwort ein Datenwort an den Gruppenbaustein 6 sendet.
Die Gruppenbausteine 6 nehmen innerhalb des Bussystems 1 eine Doppelfunkti
on wahr. Bezüglich der Steuereinheit 3 arbeiten die Gruppenbausteine 6 als
Slaves. Hierzu weist jeder Gruppenbaustein 6 einen Schnittstellenbaustein 7 auf,
der mit den Schnittstellenbausteinen 7 der Sensoren 2 identisch ist.
Andererseits nimmt jeder Gruppenbaustein 6 bezüglich der an diesen Gruppen
baustein 6 angeschlossenen Sensoren 2 die Funktion eines Masters wahr. Hierzu
weist der Gruppenbaustein 6 ebenso wie die Steuereinheit 3 eine Abfrageeinheit
5 auf. Die Abfrageeinheit 5 des Gruppenbausteins 6 ist mit der Abfrageeinheit
der Steuereinheit 5 zumindest insoweit identisch, daß beide Abfrageeinheiten 5
von jeweils identischen Schnittstellenbausteinen 7 Datenworte mit identischen
Datenformat empfangen bzw. an die Schnittstellenbausteine 7 aussenden. Die
Telegrammfolge, d. h. die zeitliche Folge, mit der die Datenworte an die einzel
nen Slaves ausgesendet wird, kann applikationsabhängig variieren und für die
einzelnen Abfrageeinheiten 5 unterschiedlich gewählt werden.
Vorteilhafterweise sind die Abfrageeinheiten 5 der Steuereinheit 3 und der Grup
penbausteine 5 vollkommen identisch ausgebildet, d. h. die Abfrageeinheiten 5
stimmen im Hardwareaufbau völlig überein und arbeiten insbesondere auch
hinsichtlich der Telegrammfolgen bei der Datenübertragung identisch.
Der Schnittstellenbaustein 7 und die Abfrageeinheit 5 können als integrierte
Schaltkreise (IC) aufweisen. Die Abfrageeinheit 5 kann dabei in Form einer Ein
schubkarte für die als SPS-Steuerung oder den PC ausgebildet sein. Die Schnitt
stellenbausteine können als ASICS in den Gruppenbausteinen 6 sowie den
Sensoren 2 und Aktoren 2 integriert sein.
Das gesamte Bussystem 1 weist eine kaskadierte Struktur auf, welches ein von
der Steuereinheit 3 gesteuertes übergeordnetes Bussystem aufweist, sowie mehre
re von den Gruppenbausteinen 6 gesteuerte Sub-Bussysteme, deren Struktur mit
dem übergeordneten Bussystem identisch ist.
Der Aufbau eines Gruppenbausteins 6 ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt.
Der Gruppenbaustein 6 weist eine Entkopplungsschaltung 8 zur Stromversorgung
auf. Mittels dieser Entkopplungsschaltung 8 erfolgt die Stromversorgung des
Gruppenbausteins 6 und des zugehörigen Sub-Bussystems direkt aus dem über
geordneten Bussystem.
Alternativ kann die Stromversorgung des Gruppenbausteins 6 über eine externe
Spannungsquelle erfolgen.
Ferner weist der Gruppenbaustein 6 eine Signalverarbeitungseinheit 9 auf. Die
Signalverarbeitungseinheit 9 kann von einem Microcontroller oder dergleichen
gebildet sein.
In der Signalverarbeitungseinheit 9 werden die von den Sensoren 2 über die Ab
frageeinheit 5 eingelesenen Daten so verarbeitet, daß ein Ausgangssignal gewon
nen wird, welches das Format des Datenwortes aufweist, das über den Schnitt
stellenbaustein 7 des Gruppenbausteins 6 ausgegeben wird.
Die von den Sensoren 2 eingelesenen N Datenworte mit einer jeweiligen Wort
breite von 4 Bit sowie die Adressen der Sensoren 2 müssen in der Signalverar
beitungseinheit somit auf ein Datenwort der Wortbreite 4 Bit reduziert werden.
Die Art der Datenreduktion bestimmt sich aus der jeweiligen Problemstellung,
für die die Sensoren 2 eingesetzt werden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Anwendungsfall wird die Bewegung eines Ob
jektes 10 durch eine Anzahl von Sensoren 2 überwacht.
Die Sensoren 2 sind hierzu in einer vorgegebenen räumlichen Anordnung ange
bracht und entsprechend dieses Anordnung numeriert. Die Nummern der einzel
nen Sensoren 2 sind als Adressen in den Sensoren 2 selbst hinterlegt. Im vorlie
genden Fall wird das Objekt 10 längs einer Geraden bewegt. Die Bewegungs
richtung des Objekts 10 ist in Fig. 1 mit einem Pfeil gekennzeichnet. Die Senso
ren 2 sind dabei in Bewegungsrichtung des Objektes 10 angeordnet. Die Senso
ren 2 können von Lichtschranken oder Lichttastern oder dergleichen gebildet
sein.
Sobald das Objekt 10 in den Strahlengang eines Sensors 2 tritt, bewirkt dies eine
Signaländerung im Sensor 2. Bei einem Lichttaster oder einer Lichtschranke
wird beispielsweise das vom Sensor 2 emittierte Sendelicht vom Objekt 10 zum
Sensor 2 zurückreflektiert oder zurückstreut, so daß dessen Ausgangssignal von
"aus" auf "ein" wechselt.
Die Abstände der Sensoren 2 zueinander sind so gewählt, daß jeweils nur ein
Sensor 2 durch einen Objekteingriff beeinflußt wird. Die Sensoren 2 sind dabei
äquidistant zueinander angeordnet.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration meldet der zweite Sensor 2, der
dem ersten Gruppenbaustein 6 zugeordnet ist, das Ausgangssignal "ein". Alle an
deren Sensoren 2 melden den Signalzustand "aus" an den übergeordneten Grup
penbaustein 6.
Im ersten Gruppenbaustein 6 wird in der Signalverarbeitungseinheit 9 der "ein"-
Zustand des zweiten Sensors 2 registriert. Als Ausgangssignal wird die Adresse
des zweiten Sensors 2 an die Steuereinheit 3 weitergegeben. Die restlichen
Gruppenbausteine 6 melden keinen Objekteingriff und geben als Datenwort den
Zahlenwert Null an die Steuereinheit 3 weiter.
Auf diese Weise wird nur die für den Überwachungsprozeß notwendige Informa
tion, nämlich welcher der Sensoren 2 einen Objekteingriff gesendet hat, an die
Steuereinheit 3 weitergegeben. Durch die Signalverarbeitung in den Gruppenbau
steinen 6 wir die Steuereinheit 3 des Bussystems 1 demzufolge beträchtlich ent
lastet.
Ein weiterer Anwendungsfall ist die Längenbestimmung von Objekten 10 mittels
einer definierten räumlichen Anordnung von Sensoren 2. Die Konfiguration der
Sensoren 2 kann beispielsweise wie in Fig. 1 beschrieben gewählt werden.
Das Objekt ist in diesem Fall von einem länglichen, nicht dargestellten Gegen
stand gebildet, der von den Sensoren 2 quer zu deren Strahlachsen angeordnet
ist. Je nach Länge des Gegenstandes registriert eine bestimmte Anzahl von Sen
soren 2 den Gegenstand. Die Anzahl der vom Gegenstand beeinflußten Sensoren
2 gibt ein Maß für die Länge des Gegenstands.
In diesem Fall wird in den Signalverarbeitungseinheiten 9 die Anzahl der Senso
ren 2 ermittelt, deren Signalzustand auf "ein" geschaltet hat und an die Steuer
einheit 3 weitergegeben. Dort können die einzelnen Zahlen addiert werden, wo
durch die Gesamtlänge des Gegenstands ermittelt werden kann.
Dabei können die Gruppenbausteine 6 die Daten zyklisch an die Steuereinheit
3 weitergeben. Um eventuelle Störungen durch ungewollte Bewegungen des Ge
genstands zu eliminieren, können die Sensordaten auch in der Signalverarbei
tungseinheit 9 auch über mehrere Zyklen gemittelt und erst dann an die Steuer
einheit 3 weitergegeben werden.
Claims (9)
1. Anordnung von mehreren Sensoren und/oder Aktoren mit jeweils einem
Schnittstellenbaustein zur Weitergabe eines Signals an eine übergeordnete
Einheit in einem Bussystem, wobei jeweils N Sensoren oder Aktoren an
einen eine erste übergeordnete Einheit bildenden Gruppenbaustein
angeschlossen sind und die Gruppenbausteine, deren Anzahl M beträgt, an
eine eine zweite übergeordnete Einheit bildende Steuereinheit, welche eine
Abfrageeinheit aufweist, angeschlossen sind und von dieser zyklisch
abgefragt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gruppenbaustein (6)
einen Schnittstellenbaustein (7) aufweist, der identisch mit dem Schnittstel
lenbaustein (7) eines Sensors (2) oder Aktors (2) ist, daß jeder Gruppen
baustein (6) eine Abfrageeinheit (5) zur zyklischen Abfrage der ange
schlossenen Sensoren (2) oder Aktoren (2) aufweist, und daß in dem Grup
penbaustein (6) eine Signalverarbeitungseinheit (9) zur Wandlung der N
Eingangssignale der angeschlossenen Sensoren (2) oder Aktoren (2) in ein
dem Ausgangssignal eines Sensors (2) oder Aktors (2) entsprechendes
Ausgangssignal vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageein
heit (5) der Steuereinheit (3) identisch mit den Abfrageeinheiten (5) der
Gruppenbausteine (6) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer
vorgegebenen räumlichen Anordnung Sensoren (2) und/oder Aktoren (2)
besteht, daß die Sensoren (2) und/oder Aktoren (2) entsprechend der
räumlichen Anordnung numeriert sind, und daß diese Nummern im jeweils
übergeordneten Gruppenbaustein (6) als Adressen hinterlegt sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3 ist dadurch gekennzeichnet,
daß bei Aktivierung eines Sensors (2) oder Aktors (2) durch einen Objekt
eingriff die Nummer des Sensors (2) oder Aktors (2) über den Gruppen
baustein (6) an die Steuereinheit (3) übertragen wird.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sensoren (2) oder Aktoren (2) in Bewegungsrichtung eines Objektes
(10) zu dessen Positionserfassung angeordnet sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß
in einem Gruppenbaustein (6) innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls
die Anzahl der durch Objekteingriff aktivierten Sensoren (2) oder Aktoren
(2) erfaßt und als Datenwort über den Schnittstellenbaustein (7) an die
Steuereinheit (3) weitergegeben wird.
7. Anordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall
der Zykluszeit des Bussystems (1) entspricht.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sensoren (2) als binäre optoelektronische Sensoren (2) ausgebildet
sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gruppenbaustein (6) eine eigene Stromversorgung aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19516938A DE19516938C1 (de) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | Sensor-Aktuator-Bussystem |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19516938A DE19516938C1 (de) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | Sensor-Aktuator-Bussystem |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19516938C1 true DE19516938C1 (de) | 1996-12-19 |
Family
ID=7761427
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19516938A Revoked DE19516938C1 (de) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | Sensor-Aktuator-Bussystem |
Country Status (1)
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