DE4440280C2 - An einen Bus anschließbares Ein-, Ausgabemodul - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein an einen Bus anschließbares Ein-, Ausgabemodul, das wenigstens einen Ausgang für analoge Spannungen, die durch auf dem Bus übertragene Signale vorgebbar sind, und wenigstens einen Ausgang für analoge Ströme aufweist, die ebenfalls durch auf dem Bus übertragene Signale vorgebbar sind.

Ein Ein-, Ausgabemodul der zuvor bezeichneten Art ist beispielsweise aus EP 0 301 736 A1 bekannt. Die Analogausgänge des bekannten Ein-, Ausgabemoduls umfassen einen Ausgang für anloge Spannungen, z. B 0-10 V, und einen Ausgang für analoge Ströme, z. B. 4-20 mA, wobei die Analogwerte durch auf dem Bus übertragene digitale Bit-Ströme vorgebbar sind. Dabei werden die Analogwerte durch eine Spannungseinstellungsschaltung, die zwischen Betriebsspannungsquelle und einem Feldgerät geschaltet ist, erzeugt, wobei über den Aufbau dieser Einstellungsschaltung keine näheren Angaben zu finden sind.

Automatisierungssysteme setzen sich vielfach aus einzelnen Baugruppen oder Modulen zusammen, die an einen Bus angeschlossen sind, über den Daten zwischen den Baugruppen oder Modulen übertragen werden. Die Baugruppen oder Module können räumlich verteilt angeordnet sein. Der Bus ist z. B. als serieller Feldbus ausgebildet. Wenigstens einige der Baugruppen empfangen Signale von Gebern oder Sensoren aus einem Prozeß und geben Steuersignale an Aktoren oder Anzeigeelemente des Prozesses aus. Vielfach handelt es sich bei den Steuersignalen um analoge Ströme oder Spannungen. Diese Ströme oder Spannungen müssen zumeist potentialgetrennt von den Signalen des Busses ausgegeben werden. Für die Potentialtrennung sind im allgemeinen Optokoppler an den Busschnittstellen vorgesehen.

Für die Spannungs- und Stromausgänge werden jeweils getrennte Anschlüsse bzw. Klemmen vorgesehen. Je ein analoger Spannungs- und Stromausgang kann als ein Ausgangskanal betrachtet werden.

Eine Baugruppe eines Automatisierungsgeräts mit in Reihe angeordneten Anschlußelementen für von außen an die Baugruppe herangeführte Leitungen ist bereits durch die Deutsche Patentanmeldung P 44 10 171.6 vorgeschlagen worden. In dieser Patentanmeldung ist eine mit Bauelementen wenigstens einer elektrischen Schaltung bestückte Leiterplatte beschrieben, auf der für die Ein- und/oder Ausgabe von Signalen und/oder Betriebsspannungen von oder zu Aktoren drei Steckverbinderleisten in Abständen parallel mit gleichem Aufbau fluchtend zueinander angeordnet sind.

Jeweils drei Kontaktelemente je aus einer Steckverbinderleiste sind längs einer geraden Linie angeordnet und jeweils für die Signaleingabe, die Signalausgabe oder für Betriebsspannungen vorgesehen. Die Leiterplatte ist in einem zweiteiligen Gehäuse angeordnet, von dem der rückwärtige Teil auf eine Tragschiene aufschnappbar ist und der vordere Teil mit Ausnehmungen einerseits für den Zugang zu den Steckverbinderleisten und andererseits als Fenster für auf der Leiterplatte angeordnete optische Anzeigeelemente versehen ist. Die Anzeigeelemente sind jeweils längs der Linie im Abstand von den Kontaktelementen der Steckverbinderleisten angeordnet und zeigen Pegel auf den Kontaktelementen an. Auf den Steckverbindern sind Gegensteckverbinderleisten befestigbar, an deren Kontaktelementen die Enden der von außen herangeführten Leitungen befestigt sind.

Die US-PS 4,940,930 bezieht sich auf eine digital einstellbare Analog-Stromquelle. Dabei ist ein Ausgang für analoge Ströme über einen Widerstand an eine Betriebsspannungsquelle gelegt. Der Widerstand ist an seinen beiden Anschlüssen mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang über einen zusätzlichen Widerstand an Betriebsspannung gelegt ist. Über die Steuerung des Transistors in die Sättigung ist aus US 4,940,930 nichts zu entnehmen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Ein-, Ausgabemodul mit wenigstens einem Ausgang für durch Signale des Busses steuerbare analoge Spannungen und wenigstens einem Ausgang für durch Signale steuerbare analoge Ströme zu entwickeln, bei dem der Ausgang für analoge Ströme dann, wenn keine solchen Ströme benötigt werden, für andere Zwecke auf einfache Weise umgestellt werden kann.

Das Problem wird bei einem Ein-, Ausgabemodul der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Anordnung kann der Ausgang für analoge Ströme auch zur Abgabe einer Betriebsspannung für Stromverbraucher verwendet werden. Derartige Betriebsspannungen werden vielfach für Sensoren wie Nährungsinitiatoren, Lichtschranken und dergleichen benötigt, deren Ausgangssignale jeweils an den bzw. die Eingänge des Moduls gelegt werden können.

Bei vielen Anwendungsfällen ist hierbei kein eigenes Netzgerät für die Sensoren oder Aktoren erforderlich. Damit verringert sich auch der Aufwand, der für die Betriebsmittel eines Prozesses notwendig ist. Die Wahl der Betriebsart des Ausgangs geschieht auf einfache Weise mittels eines Steuersignals. Dieses Steuersignal kann am Modul durch ein Stellelement erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, im Ein-, Ausgabemodul Stellelemente, z. B. Speicher vorzusehen, die an ihren Ausgängen das Steuersignal erzeugen, wenn sie durch einen auf den Bus übertragenen Befehl entsprechend eingestellt sind. Der analoge Spannungsausgang steht auch dann zur Verfügung, wenn der Stromausgang eine Betriebsspannung abgibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der in Reihe mit dem Transistor angeordnete Widerstand mit einem Anschluß unmittelbar und mit dem anderen Anschluß in Reihe mit einem weiteren Widerstand jeweils mit dem invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, der ausgangsseitig an die Steuerelektrode des Transistors angeschlossen ist und an dessen nichtinvertierenden Eingang wahlweise das den analogen Strom im Ausgangskreis erzeugende Signal als analoges Signal oder das die Sättigung des Transistors bewirkende Potential anlegbar ist. Diese Anordnung bildet eine Stromspiegelschaltung, die in der ersten Betriebsweise, in der das analoge Signal dem einen Eingang zugeführt wird, einen analogen Strom im Kreis mit der Reihenschaltung des Transistors und des Widerstands erzeugt. Dieser Strom ist dem Quotienten aus demjenigen Widerstand, der in Reihe mit dem Transistor liegt, und dem weiteren Widerstand proportional. In der anderen Betriebsweise wird das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers so eingestellt, dass der Transistor in die Sättigung getrieben wird, wodurch nahezu das volle Potential der Betriebsspannungsquelle am Ausgang für Verbraucher verfügbar ist.

Vorzugsweise ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen Widerstand einerseits mit einem vom Steuersignal leitend steuerbaren Schalter am Massepotential anlegbar und andererseits über eine Diode mit einer spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden, deren Eingang eine analoge Spannung zuführbar ist. Diese Anordnung erzeugt am Ausgang einen der analogen Spannung am Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle proportionalen Strom.

Die Diode entkoppelt die spannungsgesteuerte Stromquelle in der zweiten Betriebsweise vom nichtinvertierenden Eingang des Operationsver­ stärkers, so daß der Ausgang eine Betriebsspannung abgibt. Das Ein-, Ausgabemodul erzeugt zuerst eine analoge Spannung, die in den analo­ gen Strom in der ersten Betriebsweise umgewandelt wird. Ein der analo­ gen Spannung entsprechender Digitalwert wird insbesondere über den Bus übertragen und mittels eines Digital/Analog-Wandlers in die analoge Spannung umgesetzt, die an den Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle angelegt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

In der Zeichnung ist ein Ein-, Ausgabemodul 1 im Prinzipschaltbild dar­ gestellt. Das Ein-, Ausgabemodul 1 wird insbesondere im Rahmen eines Automatisierungssystems eingesetzt, um Signale eines Prozesses zu er­ fassen und Signale an Stellelemente des Prozesses auszugeben. Mit den weiteren Teilnehmern des Automatisierungssystems ist das Ein-, Ausga­ bemodul 1 über einen Bus 2 verbunden. Im Ein-, Ausgabemodul 1 ist eine Steuerlogik 3 vorgesehen, die z. B. einen Mikroprozessor oder Mi­ krocontroller enthält. Die Steuerlogik 3 empfängt Signale vom Bus 2 und gibt Signale an den Bus 2 aus, um den Datenaustausch mit anderen Teilnehmern am Bus 2 abzuwickeln. Auf die Verarbeitung von Eingangs­ signalen am Modul wird bei der vorliegenden Erfindung nicht näher ein­ gegangen. Die Verarbeitung kann herkömmlich sein. Das Ein-, Ausgabe­ modul 1, das als Baugruppe ausgebildet ist, kann eine Vielzahl von Ein-, Ausgabeanschlüssen aufweisen. In der Fig. 1 sind nur zwei Ausgabean­ schlüsse 4, 5 dargestellt, die jeweils einen Masseanschluß enthalten, der nicht näher bezeichnet ist.

Der Anschluß 4 ist für die Ausgabe eines analogen Spannungssignals bestimmt. Der Anschluß 4 ist mit dem Ausgang eines Operationsver­ stärkers 6 verbunden, der als invertierender Verstärker mit einem Wi­ derstand 7 vor dem invertierenden Eingang und einem Rückkopplungs­ widerstand 8 zwischen Ausgang und invertierendem Eingang geschaltet ist. Der nichtinvertierende Eingang ist an Masse gelegt.

Das Ein-, Ausgabemodul 1 enthält ein Netzgerät 9, das aus der Netzspannung eine Betriebsgleichspannung für elektronische Bauelemente im Ein-, Ausgabemodul 1 erzeugt. Das Netzgerät 9 gibt an einem Ausgang 10 eine positive und an einem Ausgang 11 eine negative Gleichspannung aus. Ein, der positiven und negativen Betriebsspannung gemeinsamer Pol des Netzgeräts 9 ist an Masse gelegt. Der Operationsverstärker 6 ist mit einem Betriebsspannunngsanschluß an den Ausgang 10 und mit dem anderen Betriebsspannungsanschluß 11 an den Ausgang 11 angeschlossen.

Dem Widerstand 7 wird vom Ausgang 12 eines Digital/Analog-Umsetzers 13 gespeist, der an seinen Eingängen mit der Steuerlogik 3 verbunden ist. Am Ausgang 4 wird daher eine der Ausgangsspannung des Digi­ tal/Analog-Umsetzers 13 entsprechende verstärkte Spannung an einen nachgeschalteten Verbraucher ausgegeben.

Mit dem Ausgang 12 ist weiterhin ein Anschluß eines Widerstands 14 verbunden, dessen anderer Anschluß an den invertierenden Eingang ei­ nes weiteren Operationsverstärkers 15 in dem Ein-, Ausgabemodul 1 an­ geschlossen ist. Der Operationsverstärker 15 ist mit seinen Betriebs­ spannungsanschlüssen ebenso wie der Operationsverstärker 6 an die Ausgänge 10, 11 des Netzgeräts 9 gelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 15 ist an Masse gelegt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist mit der Gate-Elektrode ei­ nes Feldeffekttransistors 16 verbunden, der im folgenden als FET 16 be­ zeichnet wird. Der FET 16 ist ein Sperrschicht-FET mit N-Kanal. Die Source-Elektrode des FET 16 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 verbunden. Der Operationsverstärker 15 bildet zusammen mit dem FET 16 eine spannungsgesteuerte Stromquelle.

Die Drain-Elektrode des FET 16 ist mit der Kathode einer Diode 17 ver­ bunden, deren Anode an einen Anschluß eines Widerstands 18 gelegt ist, dessen anderer Anschluß mit dem nichtinvertierenden Eingang eines zu­ sätzlichen Operationsverstärkers 19 im Ein-, Ausgabemodul 1 verbunden ist.

Die Betriebsspannungsanschlüsse des Operationsverstärkers 19 sind ebenso wie die Betriebsspannungsanschlüsse der Operationsverstärker 6, 15 jeweils mit den Ausgängen 10, 11 des Netzgeräts 9 verbunden.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 19 ist an die Steuerelektrode ei­ nes Isolierschicht-Feldeffekttransistors 20 vom Anreicherungstyp ver­ bunden. Der Feldeffekttransistor 20 wird im folgenden mit FET 20 be­ zeichnet.

Die Drain-Elektrode des FET 20 ist mit dem Ausgabeanschluß 5 verbun­ den. Die Source-Elektrode des FET ist über einen Widerstand 21 mit dem Ausgang 10 des Netzgeräts 9 verbunden. Die Source-Elektrode des FET 20 ist weiterhin an den invertierenden Eingang des Operationsverstär­ kers 19 gelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstär­ kers 19 ist über einen Widerstand 22 mit dem positiven Ausgang 10 des Netzgeräts 9 verbunden.

An die Anode der Diode 17 ist ein kontaktloser Schalter 23 mit einem Anschluß gelegt. Der Schalter 23 ist mit einem Steuersignal leitend und nichtleitend steuerbar. Das Steuersignal kann z. B. an einem Einstellele­ ment 24 des Ein-, Ausgabemoduls 1 eingestellt werden. Es ist auch mög­ lich, das Steuersignal auf dem Bus 2 zu übertragen und von der Steuerlogik 3 an den Schalter 23 auszugeben.

Der Operationsverstärker 19 ist mit den Widerständen 18, 21, 22 und dem FET 20 in einer Stromspiegelschaltung angeordnet. Wenn der Schalter 23 nichtleitend ist, fließt über den FET 16, die Diode 17 und die Widerstände 18, 22 ein Strom, der in der Zeichnung mit dem Pfeil I₁ bezeichnet ist. Der Operationsverstärker 19 und der FET 20 verursachen einen über den FET 20 und den Widerstand 21 zum Ausgang 5 und von dort zu einem Verbraucher fließenden Strom I₂, der nach folgender Be­ ziehung dem Strom I₁ proportional ist:

worin mit R₂₂ der Wert des Widerstands 22 und mit R₂₁ der Wert des Widerstands 21 bezeichnet sind.

Der Strom I₁ wird nur vom Widerstand 14 und von der Spannung am Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers 13 nach folgender Beziehung be­ stimmt:

worin mit U₁ die Spannung am Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers und mit R₁₄ der Wert des Widerstands 14 bezeichnet sind.

I₂ ist der zum Verbraucher über den Ausgang 5 fließende Strom. Am Ausgang 5 steht daher ein analoger Strom I₂ einem angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung, wenn der Schalter 23 nichtleitend ist. Dies entspricht einer ersten Betriebsart des Ausgangs 5.

In einer zweiten Betriebsart wird der Schalter 23 leitend gesteuert, so daß die Anode der Diode 17 an Massepotential liegt, wodurch die Diode 17 sperrt.

In diesem Fall wird der Strom I₁ von der Größe der Widerstände 22 und 18 bestimmt. Die Widerstandswerte der Widerstände 18 und 22 werden so ausgewählt, daß R₁₈ << R₂₂ ist, so daß für den Strom I₁ gilt:

worin mit U_Betr. die positibve Betriebsspannung am Anschluß 10 und mit R₁₈ der Wert des Widerstands 18 bezeichnet sind.

Der Wert R₁₈ wird so gewählt, daß der Operationsverstärker den FET 20 in die Sättigung treibt. Dabei ergibt sich am Ausgang 20 eine Spannung, die um den Spannungsabfall am Widerstand 21 kleiner ist als die posi­ tive Betriebsspannung am Ausgang 10 des Netzgeräts 9. Diese Spannung wird als Betriebsspannungsversorgung für an den Ausgang 5 ange­ schlossene Verbraucher benutzt.

Das Ein-, Ausgabemodul 1 kann für die direkte Verdrahtung von Senso­ ren und Aktoren ohne zusätzliche Rangierklemmen verwendet werden, was u. a. durch den mechanischen Aufbau möglich ist, wie er in der Patentanmeldung P 44 10 171 beschrieben ist.

Der Bus 2 ist vorzugsweise ein serieller Bus, da dieser über Optokopp­ ler (hier nicht dargestellt) leicht potentialtrennbar ist. Der Ausgang 5 ist als analoger Stromausgang und als Betriebsspannungsversorgungs­ ausgang verwendbar, wodurch für viele Anwendungsfälle, in denen kein analoger Stromausgang benötigt wird, Geber, Aktoren usw. durch den Ausgang 5 mit Betriebsspannung versorgt werden können. Hierdurch lassen sich externe Netzgeräte für diese Bauelemente einsparen.

Ein besonderer Vorteil des oben beschriebenen Ein-, Ausgabemoduls be­ steht darin, daß der analoge Spannungsausgang auch verwendet werden kann, wenn der Stromausgang in der zweiten Betriebsart für die Ver­ sorgung eines oder mehrerer Geber mit Betriebsspannung genutzt wird.

Claims (4)

1. An einen Bus anschließbares Ein-, Ausgabemodul, das wenigstens einen Ausgang für analoge Spannungen, die durch auf dem Bus übertragene Signale vorgebbar sind, und wenigstens einen Ausgang für analoge Ströme aufweist, die durch auf dem Bus übertragene Signale vorgebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgang (5) für analoge Ströme ein über einen Widerstand (21) an eine Betriebsspannungsquelle gelegter Transistor (20) vorgeschaltet ist, dessen Steuerelektrode in Abhängigkeit von der Stellung eines Schaltelementes (23) in dessen erster Stellung mit einem den analogen Strom im Ausgangskreis des Transistors (20) erzeugenden Signal beaufschlagt ist und in dessen zweiter Stellung an ein den Transistor (20) in die Sättigung steuerndes Potential gelegt ist, wobei dann der Ausgangsstrom des Transistors als Versorgungsstrom für angeschlossene Sensoren oder Aktoren dient.

2. Ein-, Ausgabemodel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (21) mit einem Anschluss unmittelbar und mit dem anderen Anschluss in Reihe mit einem weiteren Widerstand (22) jeweils mit dem invertierenden oder dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (19) verbunden ist, der ausgangsseitig an die Steuerelektrode des Transistors (20) angeschlossen ist und an dessen nichtinvertierenden Eingang das den analogen Strom im Ausgangskreis des Transistors (20) erzeugende Signal als analoges Signal, oder das die Sättigung des Transistors bewirkende Potential anlegbar ist.

3. Ein-, Ausgabemodul nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (19) über einen Widerstand (18) einerseits mit dem vom Steuersignal leitend steuerbaren Schaltelement (23) an Massepotential anlegbar und andererseits über eine Diode (17) mit einer spannungsgesteuerten Stromquelle (14, 15, 16) verbunden ist, deren Eingang eine analoge Spannung zuführbar ist.

4. Ein-, Ausgabemodul nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (19) angeordnete Widerstand (22) einen sehr viel kleineren Widerstandswert hat als der zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (19) und der Diode (17) angeordnete Widerstand.