DE19516938C1 - Sensor-Aktuator-Bussystem - Google Patents

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.