DE19631302B4

DE19631302B4 - Sensor-Aktor-Bussystem

Info

Publication number: DE19631302B4
Application number: DE1996131302
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Müller
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1996-08-02
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2016-08-03
Also published as: DE19631302A1

Abstract

Anordnung von mehreren binäre Schaltzustände aufweisenden Sensoren und/oder Aktoren mit jeweils einem Schnittstellenbaustein zum bidirektionalen Austausch von Signalen über Busleitungen mit einer Steuereinheit, wobei den Schnittstellenbausteinen Adressen zugewiesen sind, unter welchen die Schnittstellenbausteine zyklisch abgefragt werden und in welche die von der Steuereinheit ausgesandten Signale in Form von Datenworten eingelesen werden, wobei die Datenworte der ebenfalls über die Busleitung übertragenen Versorgungsspannung in Form von Kodierungen aufmoduliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Einlesen eines Datenworts in den Schnittstellenbaustein (6) ein den Sensor (1) oder Aktor (2) aktivierender Stromimpuls generiert wird, dessen Dauer vom aktuellen Schaltzustand des Sensors (1) oder Aktors (2) abhängt, und daß dieser Stromimpuls als Rückmeldung auf das eingelesene Datenwort an die Steuereinheit (3) ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensor-Aktor-Bussystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Bussystem ist in "ASI – Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation", Werner Kriesel, Otto W. Madelung, Carl Hanser Verlag, 1994 beschrieben.

Bei diesem Bussystem können bis zu 31 Sensoren und/oder Aktoren über Busleitungen an eine zentrale Steuereinheit angeschlossen werden. Das Bussystem arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Die Steuereinheit fragt die angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren zyklisch ab, worauf die einzelnen Sensoren und/oder Aktoren Signale an die Steuereinheit übermitteln. Als Rückmeldung übersendet die Steuereinheit wiederum Signale an die einzelnen Sensoren und/oder Aktoren. Dabei wird jeder Sensor oder Aktor unter einer diesem zugewiesenen Adresse aufgerufen.

Die Sensoren, Aktoren sowie die Steuereinheit weisen jeweils Schnittstellenbausteine auf, über welche die Signale ausgesendet bzw. empfangen werden. Die über den Schnittstellenbaustein übertragenen Signale weisen eine Wortbreite von 4 bit auf. Von den Sensoren oder Aktoren werden überwiegend binäre Signale, welche die aktuellen Schaltzustände der Sensoren oder Aktoren darstellen, an die Steuereinheit gesendet.

Da die Sensoren und Aktoren ihre Signale in Form von Datenworten an die Steuereinheit übertragen, ist ein gewisser Signalverarbeitungsaufwand im Sensor oder Aktor erforderlich. Die Signalzustände der Sensoren oder Aktoren müssen in ein entsprechendes Datenwort umgewandelt werden, welches an die Steuereinheit ausgesendet wird. Abgesehen vom Schaltungsaufwand für eine derartige Signalverarbeitung, bedingt dies auch einen relativ großen Aufwand beim Informationsaustausch zwischen der Steuereinheit und dem Sensor oder Aktor.

In der DE 26 35 763 A1 ist eine Brandmeldeanlage mit mehreren über eine Meldeschleife betreibbaren Meldern beschrieben. Die Melder sind an eine Zentrale kettenförmig aneinander gereiht.

Zur Abfrage der Melder wird zunächst von der Meldeschleife die Spannung weggenommen, wodurch die Melder von der Zentrale abgeschaltet werden. Danach werden die Melder über Zeitglieder nacheinander kettenförmig wieder an die Zentrale angeschaltet. Die Weiterschaltung von einem Melder zum nachfolgenden erfolgt nach einer der Brandkenngröße proportionalen Zeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensor-Aktor-Bussystem der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Informationsaustausch zwischen der Steuereinheit und den angeschlossenen Sensoren und Aktoren auf möglichst einfache und kostengünstige Weise erfolgen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß werden von der Steuereinheit an die jeweils zwei Schaltzustände aufweisenden binären Sensoren und/oder Aktoren die Signale in Form von Datenworten übertragen. Dabei werden die Datenworte zusammen mit der Versorgungsspannung in Form von Kodierungen, welche der Versorgungsspannung aufmoduliert sind, übertragen. Ein im Schnittstellenbaustein empfangenes Datenwort löst einen Stromimpuls aus, dessen Dauer vom Schaltzustand des Sensors oder Aktors abhängt. Dieser Stromimpuls wird über die Busleitung an die Steuereinheit rückgemeldet. Dort wird aus der Dauer des Stromimpulses der Schaltzustand des betreffenden Sensors oder Aktors rekonstruiert.

Der Vorteil dieses Bussystems besteht insbesondere darin, dass zur Rückmeldung der Sensoren und Aktoren an die Steuereinheit keine Datenworte mit einem spezifischen Datentelegramm übertragen werden müssen. Die Rückmeldung besteht allein in einem Stromimpuls, dessen Länge in der Steuereinheit ausgewertet wird. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Form der Datenübertragung dar.

Ferner ist vorteilhaft, dass durch diese Art der Datenübertragung die Sensoren und Aktoren nur kurzfristig während der Dauer der Stromimpulse aktiviert werden, wodurch deren Stromaufnahme sehr gering ist.

Schließlich ist vorteilhaft, dass es für die Rückmeldung der Sensoren oder Aktoren über kurze Stromimpulse in direkter Antwort auf den Empfang eines Datenwortes keinerlei Aufwendungen für die Synchronisation des Datenverkehrs bedarf.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Ein Blockschaltbild des Sensor-Aktor-Bussystems.
2: Ein Blockschaltbild eines Sensors mit einem Schnittstellenbaustein.
3: Ein Blockschaltbild eines Aktors.
In 1 ist der Aufbau eines Bussystems für Sensoren 1 und/oder Aktoren 2 dargestellt. Das Bussystem arbeitet nach dem Master Slave Prinzip. Der Master ist von einer Steuereinheit 3 gebildet, welche die zentrale Steuerung des Bussystems übernimmt. Die Steuereinheit 3 kann von einem Mikroprozessor gebildet sein.
Die Slaves sind von den Sensoren 1 und/oder Aktoren 2 gebildet, welche über Busleitungen 4 an die Steuereinheit 3 angeschlossen sind. Die Sensoren 1 und Aktoren 2 weisen jeweils zwei unterschiedliche, binäre Schaltzustände auf. Die Busleitungen 4 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel von Zweidrahtleitungen 5, 5' gebildet.
Jeder Sensor 1 oder Aktor 2 weist einen Schnittstellenbaustein 6 auf, welchem eine Adresse zugewiesen ist. Die Schnittstellenbausteine 6 werden unter diesen Adressen von der Steuereinheit 3 zyklisch abgefragt. Hierzu sendet die Steuereinheit 3 Datenworte mit einem vorgegebenen Format an den Schnittstellenbaustein 6. Vorzugsweise beträgt die Wortbreite der Datenworte 4 bit wobei zusätzlich Paritätsbits zur Erhöhung der Übertragungssicherheit vorgesehen sein können.
Die an die Schnittstellenbausteine 6 ausgesandten Datenworte werden zusammen mit der Versorgungsspannung übertragen, wobei die Datenworte der Versorgungsspannung in Form von Kodierungen aufmoduliert sind.
Durch das Einlesen eines Datenwortes in den Schnittstellenbaustein 6 wird dort ein Stromimpuls generiert, dessen Dauer vom aktuellen Schaltzustand des Sensors 1 oder Aktors 2 abhängt. Dieser Stromimpuls wird als Rückmeldung vom Sensor 1 oder Aktor 2 in die Steuereinheit 3 rückgelesen. Dort wird aus der Länge des Stromimpulses der Schaltzustand des Sensors 1 oder Aktors 2 rekonstruiert.
In 2 ist ein Blockschaltbild eines Sensors 1 mit einem Schnittstellenbaustein 6 dargestellt. Der Sensor 1 ist als Gabellichtschranke mit einem von einer Leuchtdiode gebildeten Sender 7, mit einem von einem Phototransistor gebildeten Empfänger 8 sowie mit einer Auswerteschaltung ausgebildet. Der Schnittstellenbaustein 6 ist von einem Microcontroller gebildet.
An vier Eingänge des Microcontrollers sind vier Schalter 9a–9d angeschlossen. Über diese Schalter 9a–9d wird die Adresse eines Schnittstellenbausteins 6 vorgegeben. An einem weiteren Eingang des Microcontrollers ist ein Schalter 10 für die Einstellung der Betriebsart des Microcontrollers vorgesehen. Mit diesem Schalter 10 kann ausgewählt werden, ob der Microcontroller als Schnittstellenbaustein 6 für einen Sensor 1 oder einen Aktor 2 verwendet wird. Dies hat den Vorteil, daß baugleiche Microcontroller sowohl in Sensoren 1 als auch in Aktoren 2 als Schnittstellenbausteine 6 eingesetzt werden können.
Bei dem in 2 dargestellten Aufbau des Sensors 1 ist eingangsseitig ein von einer Diode 11 gebildeter Verpolschutz und ein von zwei Zenerdioden 12 gebildeter Überlastschutz auf einer der Zweidrahtleitungen 5 der Busleitung 4 vorgesehen. Die zweite Zweidrahtleitung 5' ist auf Massepotential gelegt.
Die Zweidrahtleitung 5 verzweigt in drei Zweige, wobei im ersten Zweig eine Zuleitung über einen von einer Anordnung von Widerständen und Zenerdioden gebildeten Pegelwandler 13 auf einen Eingang des Miccrocontrollers geführt ist. Über diesen Zweig werden die auf der Busleitung 4 anstehenden Datenworte in den Microcontroller eingelesen, wobei der Pegelwandler 13 die Signalpegel der auf der Busleitung 4 anstehenden Signale auf den für den Microcontroller geforderten Pegel umsetzt.
Im zweiten von der Zweidrahtleitung 5 abzweigenden Zweig ist ein Spannungsregler 14 mit einem vor- und einem nachgeschalteten Kondensator 15, 16 vorgesehen. Dieser Zweig ist ebenfalls auf einen Eingang des Microcontrollers geführt.
Schließlich zweigen von der Zweidrahtleitung 5 der Sender 7 und der Empfänger 8 der Gabellichtschranke ab. Dem von der Leuchtdiode gebildeten Sender 7 ist ein Widerstand 17 vorgeschaltet und ein auf Masse geführter Transistor 19 nachgeschaltet, wobei die Basis des Transistors 19 auf einen Ausgang des Microcontrollers geführt ist. Dem Sender 7 ist ein Widerstand 20 parallel geschaltet. Ferner ist der Empfänger 8 dem Sender 7 parallel geschaltet, wobei der Empfänger 8 über einen Widerstand 21 auf den zweiten Zweig der Zweidrahtleitung 5 und über einen Vorverstärker 22 auf einen Eingang des Mircocontrollers geführt ist.
In 3 ist ein Blockschaltbild eines Aktors 2 mit einem Schnittstellenbaustein 6 dargestellt. Der Aktor 2 ist von einem Magnetschalter 23 mit einer Auswerteschaltung gebildet. Der Aufbau des Schnittstellenbausteins 6 und dessen Ankopplung über den Pegelwandler 13 und den Spannungsregler 14 an die Busleitung 4 sind identisch zu dem Aufbau des Sensors 1 gemäß 2.
Auf den zweiten Zweig der Zweidrahtleitung 5 ist der Magnetschalter 23, welchem eine Freilaufdiode 24 parallel geschaltet ist, geführt. Der Magnetschalter 23 ist über den Transistor 19 mit einem Ausgang des Microcontrollers verbunden.
Die Funktionsweise des Datenaustausches zwischen Master und Slave wird im folgenden anhand der 2 und 3 erläutert.
Wird ein Datenwort von der Steuereinheit 3 über die Busleitung 4 an einen Sensor 1 übertragen, so wird das entsprechende Spannungssignal über den Pegelwandler 13 in den Microcontroller eingelesen (2). Dabei sorgt der Spannungsregler 14 dafür, daß die Versorgungsspannung des Microcontrollers auf einem fest vorgegebenen Wert liegt. Sobald das Datenwort im Microcontroller eingelesen ist wird dort ein Stromimpuls erzeugt, welcher über den Ausgang des Microcontrollers und den Widerstand 20 auf die Busleitung 4 ausgegeben wird. Dieser Stromimpuls ist gleichzeitig auf den Sender 7 der Gabellichtschranke geführt, wodurch dieser für die Dauer des Stromimpulses aktiviert wird. Die Länge des Stromimpulses wird abhängig vom Schaltzustand der Gabellichtschranke gewählt. Hierzu wird vom Microcontroller das an dem entsprechenden Eingang anstehende Empfangssignal des Empfägners 8 der Gabellichtschranke abgefragt.
Der auf die Busleitung 4 ausgelesene Stromimpuls wird in der Steuereinheit 3 ausgewertet. Dort wird die Länge des Stromimpulses bewertet, woraus der Schaltzustand des Sensors 1 auf einfache Weise rekonstruiert wird.
Wird ein Datenwort von der Steuereinheit 3 über die Busleitung 4 an einen Aktor 2 übertragen, so wird das entsprechende Spannungssignal analog zum Sensor 1 über den Pegelwandler 13 in den Microcontroller eingelesen (3). Der Spannungsregler 14 sorgt wiederum dafür, daß die Versorgungsspannung des Microcontrollers auf einem fest vorgegebenen Wert liegt. Sobald das Datenwort im Microcontroller eingelesen ist, wird über den Ausgang des Microcontrollers ein Stromimpuls definierter Länge auf den Magnetschalter 23 gegeben. Dieser Stromimpuls wird als Antwort auf das ausgesendete Datenwort in der Steuereinheit 3 ausgewertet und als Betätigung des Magnetschalters 23 registriert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungform der Erfindung werden die Sensoren 1 und Aktoren 2 des Sensor-Aktor-Bussystems zur Fadenbruchkontrolle in Spinnmaschinen eingesetzt. Dabei sind jeweils sechzehn Sensoren 1 und sechzehn Aktoren 2 an die Steuereinheit 3 angeschlossen. Jeweils ein Sensor 1 ist einem Aktor 2 zugeordnet. Die Sensoren 2 sind von Gabellichtschranken und die Aktoren 2 von Magnetschaltern 23 mit jeweils der entsprechenden Auswerteschaltung gebildet. Der Magnetschalter 23 dient zur Betätigung eines Stoppers.
In der Spinnmaschine werden an mehreren Einzelstationen jeweils ein elastischer und ein nichtelastischer Faden miteinander verwoben, wobei die Fäden jeweils von Spulen abgewickelt werden. Jede Einzelstation wird von einer Gabellichtschranke und dem zugeordneten Magnetschalter 23 überwacht. Dabei wird der nichtelastische Faden von der Gabellichtschranke überwacht, während der elastische Faden im Eingriffsbereich des vom Magnetschalter 23 betätigten Stoppers liegt.
Bei einem Fadenbruch eines nichtelastischen Fadens wird der Schaltzustand der entsprechenden Gabellichtschranke geändert. Diese Schaltzustandsänderung wird in der Steuereinheit 3 des Bussystems registriert, worauf die Steuereinheit 3 die Betätigung des dem Sensor 1 zugeordneten Magnetschalters 23 auslöst, wodurch der elastische Faden durch das Stopper gekappt wird. Damit können beide Spulen des elastischen und des nicht elastischen Fadens nahezu gleichzeitig gestoppt und der Spinnprozeß unterbrochen werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können mehrere Steuereinheiten 3 an ein übergeordnetes Bussystem angeschlossen sein. Das übergeordnete Bussystem kann beispielsweise als ASI-Bussystem ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Einzelspulen mittels einer Zentraleinheit kontrolliert werden.

Claims

Anordnung von mehreren binäre Schaltzustände aufweisenden Sensoren und/oder Aktoren mit jeweils einem Schnittstellenbaustein zum bidirektionalen Austausch von Signalen über Busleitungen mit einer Steuereinheit, wobei den Schnittstellenbausteinen Adressen zugewiesen sind, unter welchen die Schnittstellenbausteine zyklisch abgefragt werden und in welche die von der Steuereinheit ausgesandten Signale in Form von Datenworten eingelesen werden, wobei die Datenworte der ebenfalls über die Busleitung übertragenen Versorgungsspannung in Form von Kodierungen aufmoduliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Einlesen eines Datenworts in den Schnittstellenbaustein (6) ein den Sensor (1) oder Aktor (2) aktivierender Stromimpuls generiert wird, dessen Dauer vom aktuellen Schaltzustand des Sensors (1) oder Aktors (2) abhängt, und daß dieser Stromimpuls als Rückmeldung auf das eingelesene Datenwort an die Steuereinheit (3) ausgegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) von einer Gabellichtschranke mit einem Sender (7), einem Empfänger (8) und einer Auswerteschaltung gebildet ist, wobei der Sender (7) vom Schnittstellenbaustein (6) gesteuert wird und die am Ausgang des Empfängers (8) anstehenden Signale in den Schnittstellenbaustein (6) rückgelesen werden.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (2) von einem Magnetschalter (23) mit einer Auswerteschaltung gebildet ist, welcher vom Schnittstellenbaustein (6) gesteuert wird und dessen Ausgangssignal den Stromimpuls bildet, welcher auf die Busleitung (4) ausgegeben wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittstellenbaustein (6) von einem Microcontroller gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adresse eines Schnittstellenbausteins (6) durch an Ausgänge des Microcontrollers angeschlossene Schalter (9a–9d) einstellbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellenbausteine (6) für die Sensoren (1) und Aktoren (2) identisch aufgebaut sind, wobei über einen Schalter (10) die Betriebsart für den Betrieb in einem Sensor (1) oder Aktor (2) einstellbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, daß diese zur Fadenbruchkontrolle in Spinnmaschinen eingesetzt ist, wobei jeweils N Gabellichtschranken und N Magnetschalter (23) an die Steuereinheit (3) angeschlossen sind, wobei jeweils eine Gabellichtschranke einem Magnetschalter, welcher ein Stopper betätigt, zugeordnet ist, so daß bei Erkennung eines Fadenbruchs mittels einer Gabellichtschranke der im Eingriffsbereich des zugeordneten Stoppers stehende Faden durch Betätigen des Magnetschalters (23) gekappt wird.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Gabellichtschranke ein nichtelastischer Faden überwacht wird, welcher mit einem im Eingriffsbereich des zugeordneten Stoppers liegenden elastischen Faden versponnen wird.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils 16 Sensoren (1) oder Aktoren (2) an die Steuereinheit (3) angeschlossen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, daß diese mehrere Steuereinheiten (3) umfaßt, welche an ein übergeordnetes Bussystem angeschlossen sind.