DE19947501A1

DE19947501A1 - Aktuator-Sensor-Interface-Slave

Info

Publication number: DE19947501A1
Application number: DE1999147501
Authority: DE
Inventors: Bernd Fuesl; Andreas Gohr; Peter Schoepe
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2019-10-02
Also published as: DE19947501B4; DE19947501C5

Abstract

Beschrieben und zeichnerisch erläutert ist ein Aktuator-Sensor-Interface-Slave (1) mit zwei Anschlüssen (1, 2) zum Anschluß des Aktuator-Sensor-Interface-Slaves (1) an eine Aktuator-Sensor-Interface-Leitung (4), mit einem Aktuator-Sensor-Interface-IC (7), mit einer Ein-/Ausgangsschalung (8, 9) und mit mehreren Ausgängen (10) und mehreren Eingängen (11) zum Anschluß von Aktuatoren (12) und Sensoren (13). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zwischen den Anschlüssen (2, 3) und dem Aktuator-Sensor-Interface-IC (7) ein Transformator (14) zur galvanischen Trennung zwischen der Aktuator-Sensor-Interface-Leitung (4) und den Aktuatoren (12) und den Sensoren (13) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aktuator-Sensor-Interface-Slave mit zwei Anschlüssen zum Anschluß des Aktuator-Sensor-Interface-Slaves an eine Aktuator-Sensor-Interface- Leitung, mit einem Aktuator-Sensor-Interface-IC, mit einer Ein-/Ausgangsschaltung und mit mehreren Ausgängen und/oder Eingängen zum Anschluß von Aktuatoren und/oder Sensoren.

Vor mehreren Jahren haben eine größere Anzahl namhafter Aktuator-, Sensor- und Steuerungshersteller sowie zwei Hochschuleinrichtungen mit der industriellen Ge meinschaftsentwicklung eines Aktuator-Sensor-Interface-Systems begonnen, wel ches als AS-Interface-System bezeichnet wird; nachfolgend wird für Aktuator-Sen sor-Interface stets abgekürzt AS-Interface gesagt. Das AS-Interface-System wird als neuartige Schnittstelle für die industrielle Kommunikation eingesetzt und belegt den Bereich unterhalb der bisherigen Feldbussysteme. Es verbindet analoge und/oder binäre Aktuatoren und Sensoren über eine Sammelleitung mit der ersten Steuerungs ebene, z. B. einer SPS oder einem PC.

Das AS-Interface-System besteht aus mehreren AS-Interface-Slaves, einem AS-Interfa ce-Master und einer AS-Inerface-Leitung. Kernstück des AS-Interface-Slaves ist ein AS-Interface-Chip mit einem AS-Interface-IC, mit dem die Aktuatoren bzw. Sensoren an die AS-Interface-Leitung digital angekoppelt werden. Der AS-Interface-Chip wird konstruktiv entweder in ein Modul eingebaut, an das dann konventionelle Aktuato ren und Sensoren angeschlossen werden, oder er wird direkt in den Aktuator bzw. Sensor eingebaut; es wird von Sensoren/Aktuatoren mit externem ASI bzw. mit inte griertem ASI gesprochen. Der AS-Interface-Master bildet die Schnittstelle zwischen den Aktuatoren/Sensoren und dem Kern der Steuerung, beispielsweise einer SPS oder einem PC. Die AS-Interface-Leitung ist im allgemeinen ein ungeschirmtes Zwei-Lei ter-Flachbandkabel oder ein Standard-Rundkabel, über das gleichzeitig Energie und Signale übertragen werden. In jedem Abfragezyklus werden Informationen vom Ma ster zu jedem Slave und zurück seriell übertragen. Sie können als Ein- oder als Aus gabedaten benutzt werden (vergl. "ASI Das Aktuator-Sensor-Interface für die Auto mation", W. Kriesel, O. W. Madelung, Carl Hanser Verlag München Wien, 1994).

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit AS-Interface-Slaves zum Anschluß von Sensoren/Aktuatoren mit externem ASI. Diese AS-Interface-Slaves weisen eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen auf, wobei diese galvanisch von der AS-Interface-Leitung getrennt sein müssen. Die galvanische Trennung zwischen der AS-Interface-Leitung, d. h. dem AS-Interace-Netz, und externen Geräten ist jedenfalls dann Pflicht, wenn mit einer externen Spannung für die externen Geräte, insbesonde re für Aktuatoren, gearbeitet wird.

Bei bekannten AS-Interface-Slaves erfolgt die galvanische Trennung entweder in nerhalb der Ein-/Ausgangsschaltung oder zwischen dem AS-Interface-IC und der Ein-/Ausgangsschaltung (vgl. "ASI Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automa tion", Seite 60, Bild 3.7). Als Trennbauelemente zur Realisierung der galvanischen Trennung werden dabei insbesondere Optokoppler verwendet, die bei geringer An forderung an die Übertragungsgeschwindigkeit kostengünstig und als Mehrfach koppler erhältlich sind. Da die Zykluszeit des AS-Interface-Systems beim Vollausbau eines Systems mit 31 Slaves bei 5 ms liegt, die Ausgangs- bzw. Eingangssignale an den AS-Interface-Slaves somit nur alle 156 µs übertragen werden, sind derartige "Standard-Optokoppler" ausreichend. Soll das AS-Interface-Slave mehrere Ein- und Ausgänge aufweisen, sind bei den bisherigen AS-Interface-Slaves auch mehrere Op tokoppler erforderlich. Dadurch treten zum einen Platzprobleme auf, wenn eine in der Regel festgelegte Größe für das Gehäuse des AS-Interface-Slaves nicht überschritten werden soll, erhöhen sich zum anderen mit der Anzahl der notwendige Optokoppler auch die Kosten für das AS-Interface-Slave. Diese Probleme erhöhen sich zum einen mit der Anzahl der Ein-/Ausgänge des AS-Interface-Slaves, zum anderen mit der An forderung, auch schnellere Signale von hochfrequenten Sensoren auswerten zu kön nen, da dann teurere Optokoppler mit einer größeren Wandbreite von beispielsweise 1 Mhz verwendet werden müssen, die nur als Einfachkoppler erhältlich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das eingangs be schriebene AS-Interface-Slave derart weiterzuentwickeln, daß auch der Anschluß von einer Vielzahl von Aktuatoren oder/und Sensoren kostengünstig möglich ist, insbe sondere auch der Anschluß von Sensoren mit hochfrequenten Sensorsignalen.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß zwischen den Anschlüssen und dem Aktuator-Sensor-Interface- IC ein Trennbauelement zur galvanischen Trennung zwischen der Aktuator-Sensor- Interface-Leitung und den Aktuatoren und/oder Sensoren vorgesehen ist. Durch die Verlagerung des Trennbauelements vor den AS-Interface-IC ist unabhängig von der Anzahl der Ein- bzw. Ausgänge nur noch ein einziges Trennbauelement erforderlich.

Als Trennbauelement wird vorzugsweise ein Transformator verwendet, wobei dem Transformator ein Gleichspannungsentkopplungsnetzwerk, insbesondere ein Kon densator, in Reihe vorgeschaltet ist. Der Transformator muß dabei eine Durchschlag festigkeit von mindestens 500 V zwischen der Primärseite- und der Sekundärseite ha ben. Da dem AS-Interface-Informationssignal eine Gleichspannung von z. B. ca. 30 V überlagert ist, wird dem Transformator der Kondensator als Gleichspannungs entkopplungsnetzwerk in Reihe vorgeschaltet. Der Transformator, der nur einen ge ringen Gleichstromwiderstand hat, liefert somit einen hinsichtlich der Mindestimpe danz ausreichend hohen Wechselstromwiderstand und der Kondensator - der nur einen geringen Wechselstromwiderstand hat - liefert den ausreichend hohen Gleich stromwiderstand.

Vorteilhafterweise wird dem Kondensator eine LED und eine Diode parallel geschal tet. Die LED dient dabei als Indikator, um dem Benutzer den korrekten Anschluß des AS-Interface-Slaves an die AS-Interface-Leitung zu signalisieren, während die Diode als Verpolschutz für die LED dient.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das AS-Inter face-Slave zusätzlich zu den beiden Anschlüssen zum Anschluß an eine Aktuator- Sensor-Interface-Leitung zwei Anschlüsse für eine externe Spannungsquelle auf. Diese externe Spannungsquelle dient dann zum einen zur Versorgung aller Schal tungsteile des AS-Interface-Slaves, insbesondere des AS-Interface-ICs, zum anderen zur Versorgung der an die Ausgänge des AS-Interface-Slaves angeschlossenen Ak tuatoren.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere dann, wenn keine ex terne Spannungsquelle vorgesehen ist, nicht nur das AC-Nutzsignal sondern auch die Versorgungsgleichspannung von der Primärseite auf die Sekundärseite transformiert werden. Als Trennbauelement kann dann ein DC-DC-Wandler mit galvanischer Tren nung oder ein Optokoppler verwendet werden.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße AS-In terface-Slave auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung be vorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsskizze eines ersten Ausführungsbeispiels des erfin dungsgemäßen AS-Interface-Slaves und

Fig. 2 eine Variante eines Teils der Schaltung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsskizze eines AS-Interface-Slaves 1 als Teil eines AS-Inter face-Systems. Der AS-Interface-Slave 1 ist über zwei Anschlüsse 2, 3 mit einer AS-In terface-Leitung 4 verbunden, die den AS-Interface-Slave 1 mit einem AS-Interface- Master 5 verbindet. Über die AS-Interface-Leitung 4 wird sowohl die Energievertei lung an die einzelnen AS-Interface-Slaves 1 als auch der Datenverkehr vom AS-Inter face-Master 5 zum AS-Interface-Slave 1 bzw. umgekehrt abgewickelt. Hierzu ist die AS-Interface-Leitung 4 mit einem Netzwerk 6 verbunden. Kernstück des AS-Interfa ce-Slaves 1 bzw. des die Elektronik aufnehmenden AS-Interface-Chips ist das AS-In terface-IC 7. Das AS-Interface-IC 7 ist mit einer Ausgangsschaltung 8 und einer Ein gangsschaltung 9 verbunden, die wiederum mit Ausgängen 10 bzw. mit Eingängen 11 verbunden sind und an die Aktuatoren 12 bzw. Sensoren 13 angeschlossen wer den können.

Zur galvanischen Trennung zwischen der AS-Interface-Leitung 4 und den Aktuato ren 12 bzw. Sensoren 13 ist ein Transformator 14 zwischen den Anschlüssen 2, 3 und dem AS-Interface-IC 7 angeordnet. Der Transformator 14 überträgt somit das auf der AS-Interface-Leitung 4 aufmodulierte AC-Datensignal. Da der Transformator 14 nur einen sehr geringen Gleichstromwiderstand hat, ist dem Transformator 14 ein Kon densator 15, welcher einen hohen Gleichspannungswiderstand hat, zur Gleichspan nungsentkopplung in Reihe vorgeschaltet.

Dem Kondensator 15 ist eine LED 16 und eine Diode 17 parallel geschaltet, wobei die LED 16 als Indikator dient, um dem Benutzer den korrekten Anschluß des AS-Interface-Slaves 1 an die AS-Interface-Leitung 4 zu signalisieren. Die Diode 17 dient le diglich als Verpolschutz für die LED 16. Ein Aufleuchten der LED 16 zeigt dem Be nutzer somit die Betriebsbereitschaft des AS-Interface-Slaves 1 und das Vorhanden sein von DC-Spannung auf der AS-Interface-Leitung 4.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das AS-Interface-Slave 1 zusätzlich zwei Anschlüsse 18, 19 zum Anschluß einer externen Spannungsquelle auf. Eine sol che externe Spannungsquelle mit z. B. 24 V wird in der Regel dann benötigt, wenn das AS-Interface-Slaves 1 mehrere Ausgänge 10 und mehrere Eingänge 11 aufweist, an die mehrere Aktuatoren 12 und Sensoren 13 angeschlossen werden sollen, wobei insbesondere die Aktuatoren 12 häufig eine höhere Stromaufnahme brauchen als ih nen über die AS-Interface-Leitung 4 zur Verfügung gestellt werden kann. Zur Hoch frequenzentkopplung der externen Spannungsquelle von der AS-Interface-Leitung 4 sind Induktivitäten 20, 21 vorgesehen.

Im übrigen ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Transistor 22 vorgesehen, der zur Einhaltung der Impedanz des AS-Interface-Slaves 1 bei Ausfall der externen Spannung dient, weil bei Wegfall dieser externen Spannung die geringe Impedanz des AS-Interface-ICs 7 im AS-Interface-Netz, d. h. an den Anschlüssen 2, 3 wirksam würde. Hierdurch würde das AS-Interface-Netz unter Umständen unzulässig belastet.

Im Ausführungsbeispiel vorgesehene Zener-Dioden 23, 24 und 25 dienen als Schutzbeschaltung für das AS-Infterface-IC 7 bei transienten Spannungsimpulsen. Die Zener-Diode 23 sperrt positive Störspannungsspitzen, während die Zener-Diode 24 negative Störspannungsspitzen begrenzt. Durch die Zener-Diode 25 wird die Spannung an der Anode der Zener-Diode 24 auf minimal -0,7 V und maximal +39 V begrenzt. Dadurch liegen am Pluseingang 26 des AS-Interface-ICs 7 minimal 0 V - und somit mehr als die zulässigen -0,5 V - an.

Ein im Ausführungsbeispiel eingangsseitig vorgesehenes Filter 27 dient ebenso wie die Induktivitäten 20 und 21 zur Hochfrequenzentkopplung der externen Span nungsquelle.

Schließlich dient ein Kondensator 28 zur Stabilisierung der Spannung der im einzel nen nicht dargestellten externen Spannungsquelle, die an die zusätzlichen An schlüsse 18, 19 angeschlossen bzw. anzuschließen ist. Stabilisierung meint dabei, daß ansonsten beim Senden von - von den Sensoren 13 kommenden - Sendeimpulsen un erwünschte Spannungseinbrüche vermieden werden.

Fig. 2 zeigt einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsskizze des erfindungsge mäßen AS-Interface-Slaves 1. Der Unterschied zwischen der Schaltung gemäß Fig. 1 und der Schaltung gemäß Fig. 2 besteht darin, daß bei der Schaltung gemäß Fig. 2 der Kondensator 28 dem Transformator 14 und dem AS-Interface-IC 7 parallel geschaltet ist. Auch bei dieser Schaltung dient der Kondensator 28 zur Stabilisierung der Span nung der externen Spannungsquelle, wie zuvor erläutert.

Das erfindungsgemäße AS-Interface-Slave 1 ist besonders in vorteilhafter Weise ein setzbar bei einer Ausführung eines AS-Interface-Slaves 1 mit mehreren Ausgängen 10 und Eingängen 11, wobei die Eingänge 11 zum Anschluß von Sensoren 13 mit hoch frequenten Sensorsignalen vorgesehen sind, beispielsweise zum Anschluß von Dreh gebern mit Signalen, die eine Frequenz 200 kHz haben. Insbesondere kann ein sol ches AS-Interface-Slave 1 vier Ausgänge 10, vier normale Eingänge 11 und vier schnelle Eingänge 12 für Drehgeber aufweisen.

Claims

1. Aktuator-Sensor-Interface-Slave mit zwei Anschlüssen (2, 3) zum Anschluß des Aktuator-Sensor-Interface-Slaves (1) an eine Aktuator-Sensor-Interface-Leitung (4), mit einem Aktuator-Sensor-Interface-IC (7), mit einer Ein-/Ausgangsschalung (8, 9) und mit mehreren Ausgängen (10) und/oder mehreren Eingängen (11) zum Anschluß von Aktuatoren (12) und/oder Sensoren (13), dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen den Anschlüssen (2, 3) und dem Aktuator-Sensor-Interface-IC (7) ein Trenn bauelement zur galvanischen Trennung zwischen der Aktuator-Sensor-Interface-Lei tung (4) und den Aktuatoren (12) und/ oder Sensoren (13) vorgesehen ist.

2. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennbauelement ein Transformator (14) ist und dem Transformator (14) ein Gleichspannungsentkopplungsnetzwerk vorgeschaltet ist.

3. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Transformator (14) primärseitig ein Kondensator (15) in Reihe vorgeschaltet ist.

4. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (15) eine LED (16) und eine Diode (17) parallel geschaltet sind.

5. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzlich zu den beiden Anschlüssen (2, 3) zum Anschluß an eine Aktuator-Sensor-Interface-Leitung (4) Anschlüsse (18, 19) für eine externe Span nungsquelle vorgesehen sind.

6. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Induktivität (20), insbesondere eine Drossel, zur Hochfrequenzent kopplung der externen Spannungsquelle von der Aktuator-Sensor-Interface-Leitung (4) vorgesehen ist.

7. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß ein Transistor (22) zur Einhaltung der Impedanz des Aktuator-Sensor-Inter face-Slaves (1) bei Ausfall der externen Spannungsquelle vorgesehen ist.

8. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennbauelement ein DC-DC-Wandler mit gal vanischer Trennung ist, beispielsweise ein Optokoppler.

9. Aktuator-Sensor-Interface-Slave nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen dem Trennbauelement und dem Aktuator-Sensor-Inter face-IC (7) Dioden, insbesondere Zener-Dioden (23, 24, 25), als Schutzbeschaltung des Aktuator-Sensor-Interface-IC (7) vorgesehen sind.