DE102018109576B3

DE102018109576B3 - Zwischeneinheit zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master

Info

Publication number: DE102018109576B3
Application number: DE102018109576.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schneider; Joachim Uffelmann
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-04-21

Abstract

Zwischeneinheit zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master mit einer Anpassungsschaltung. Die Anpassungsschaltung ist aktiv ansteuerbar um unerwünschte Spannungsspitzen auf der Signalleitung zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zwischeneinheit zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
IO-Link ist ein herstellerübergreifendes standardisiertes Kommunikationssystem zur Anbindung von intelligenten Sensoren und Aktoren an eine Steuerung. Dieses Kommunikationssystem ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) normiert.
Dieser Standard definiert sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit der Steuerung in Datenaustausch treten.
Ein IO-Link-System besteht aus einem IO-Link-Master, der über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem oder mehreren IO-Link-Devices (Geräten) verbunden ist. Der IO-Link-Master stellt die Schnittstelle zur überlagerten Steuerung (SPS) zur Verfügung und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Geräten.
Ein IO-Link-Master kann einen oder mehrere IO-Link-Ports haben, an jedem Port kann aber nur ein IO-Link-Gerät angeschlossen werden. IO-Link verwendet Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und ist somit kein Feldbus im klassischen Sinne.
Ein IO-Link-Gerät ist ein intelligenter Sensor oder Aktor. Intelligent heißt im Hinblick auf IO-Link, dass ein Gerät z. B. eine Seriennummer oder Parameterdaten (z. B. Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien) besitzt, die über das IO-Link-Protokoll lesbar bzw. schreibbar sind. Das Ändern von Parametern kann damit z. T. im laufenden Betrieb durch die SPS erfolgen.
Die Konfigurations-Parameter der Sensoren und Aktoren sind gerätespezifisch, daher gibt es für jedes Gerät Parameterinformationen in Form einer IODD (IO Device Description).
Mit Hilfe von IO-Link können Sensoren automatisch parametriert, Anlagenzustände diagnostiziert und Messwerte verlustfrei übertragen werden.
Aus den Druckschriften EP2211464A1 , DE102012009494A1 und DE102014106752A1 sind verschiedene IO-Link Kommunikationsschaltungen und IO-Link Kommunikationsverfahren bekannt.
Aus der Druckschrift DE102007032845A1 sind ein Bus-Repeater und ein Verfahren zur Ankopplung zweier Bus-Segmente über einen Bus-Repeater allgemein für Feldbusse bekannt.
Aus der DE19710137A1 ist ein Verfahren zur Erweiterung eines ASi Bussystems bekannt.
Aus der DE102015015941 ist eine umschaltbare Analog-Schnittstelle bei Feldgeräten bekannt, die zur Anpassung der Schnittstelle an die Impedanz der Folgeschaltung dient. IO-Link erlaubt gemäß Spezifikation eine Kabellänge zwischen Master und Device von max. 20 m. Soll eine Kommunikation über eine längere Strecke erfolgen oder ist eine galvanische Trennung zwischen Master und Device erforderlich sein werden häufig induktive Koppler eingestzt. Solche Koppler auch als NIC-Koppler bezeichnet, werden von verschiedenen Herstellen angeboten.
Wird die bei IO-Link spezifizierte Kabellänge von max. 20 m überschritten, können sich je nach Kabelqualität unterschiedlich hohe und zeitlich lange unerwünschte Spannungsspitzen, die auf der RCL-Eigenschaft des Kabels beruhen, ergeben.
Die Störfestigkeit wird mittels eines Surge Test überprüft. Diese Tests werden nach der Norm z. B. IEC61131 bei Leitungslängen über 30m zwingend gefordert, um die negativ Eigenschaften in Verbindung mit den Kabeleigenschaften möglichst gering zu halten
Der Surge Test simuliert u. a. einen möglichen Blitzeinschlag in eine Stromversorgung. Der Test sieht vor, dass die Stromversorgung und die Signalleitungen die das Gerät verlassen mit einem 500 V Puls für 50µs beaufschlagt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zwischeneinheit zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master anzugeben, die eine Leitungsverlängerung von mehr als 20 m erlaubt und die insbesondere den Anforderungen der IEC61131 im Hinblick auf einen Surge Test entspricht.
Die Aufgabe wird durch eine Zwischeneinheit zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master gelöst, die eine Anpassungsschaltung aufweist, die Spannungsspitzen auf der Datenleitung erkennt und mittels einer Anpassungsschaltung aktiv kompensiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 schematische Darstellung einer Kommunikationsverbindung IO-Link Master-Device mit einer dazwischengeschalteten erfindungsgemäßen Zwischeneinheit
2 zeigt ein IO-Link Device in schematischer Darstellung
3 zeigt eine herkömmliche PHY-Einheit in detaillierterer Form
3a zeigt eine erfindungsgemäße PHY-Einheit in detaillierterer Form
4 Blockdiagramm einer erfindungegemäßen Zwischeneinheit

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zwischeneinheit Z, die in eine Kommunikationsverbindung zwischen einem IO-Link Master und einem IO-Link Device, das als Sensor ausgebildet ist, zwischengeschaltet ist.
Dabei sind das IO-Link Device, die Zwischeneinheit und der IO-Link Master über je ein 3-Leiterkabel, das eine Signal-/Datenleitung C/Q und zwei Versorgungsleitungen L+, L-aufweist, miteinander verbunden. Die Datenübertragung erfolgt nach dem Master/Slave-Prinzip erfolgt und ist in dem IO-Link-Standard definiert. Die Komponenten weisen jeweils einen Mikrocontroller mit einer UART-Schnittstelle C/Q auf. Typischerweise sind die UART-Schnittstellen in die Mikrocontroller integriert.
Die gestrichelte Linie in der Zwischeneinheit Z trennt die Masterseite von der Deviceseite.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines IO-Link Device mit einer Sensor/Aktor-Einheit, einem Mikrocontroller und einer IO-Link PHY-Einheit mit einer Port-Einheit für die externen Anschlüssen L+, L- (GND)und C/Q.
3 zeigt eine bekannte PHY-Einheit für ein IO-Link Device.
In 3a ist eine abgewandelte IO-Link PHY-Einheit, wie sie in der erfindungsgemäßen Zwischeneinheit Z eingesetzt wird, dargestellt. Die Endstufe weist zwischen der Leitung C/Q und den Leitungen L+, L- jeweils eine Anpassungsschaltung vorgesehen sind, wobei die Anpassungsschaltung vom Mikrocontroller angesteuert wird, um die Impedanz entsprechend nachzuführen/anzupassen, damit unerwünschte Spannungsspitzen vermieden werden. Es handelt sich hierbei um eine aktive Störspitzenunterdrückung unter Zuhilfenahme einer aktiven Impedanzanpassung.
4 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer Zwischeneinheit Z, die nur masterseitig eine erfindungsgemäße PHY-Einheit aufweist. Mit einer Anzeige kann u. a. die Qualität der Datenübertragung dargestellt werden kann.
Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung erläutert. Die Zwischeneinheit Z, die zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master dient, weist eine angepasste PHY-Einheit auf. In der PHY Einheit ist eine Anpassungsschaltung vorgesehen, die aus einer ersten und einer zweiten Anpassungs-Komponente K1, K2 besteht. Die Anpassungs-Komponenten K1, K2 sind jeweils zwischen den Leitungskomponenten L+, L- und der Signalleitung C/Q vorgesehen. Die Anpassungs-Komponenten umfassen aktiv steuerbare Impedanz-Schaltung. Im Mikrocontroller µC werden die Signale auf der Signalleitung C/Q analysiert und ausgewertet. Treten unerwünschte Spannungsspitzen auf der Signalleitung C/Q auf, steuert der Mikrocontroller µC die Anpassungs-Komponenten K1 und K2 so an, dass diese Spannungsspitzen möglichst vermieden werden und die Signalübertragung nicht gestört wird.
Damit können auch bei IO-Link Systemen z. B. bei Silo-Anlagen oder Lebensmitteltanks, IO-Link-Devices eingesetzt werden. Wo Leitungslängen von über 30 m nicht unüblich sind.
Alternativ ist auch denkbar die Zwischeneinheit aufzutrennen und in der Zwischeneinheit eine andere Übertragungsphysik zu wählen. Damit könnte ebenfalls eine hohe EMV-Festigkeit trotz einer Leitungsverlängerung erzielt werden.

Claims

Zwischeneinheit zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem IO-Link Device und einem IO-Link Master mit einer PHY-Einheit, die eine Anpassungsschaltung aufweist, die aus einer ersten und einer zweiten Anpassungs-Komponente K1, K2 besteht, wobei jede Anpassungs-Komponente zwischen einer Leitungskomponente L+, L- und der Signalleitung C/Q vorgesehen ist und eine aktiv steuerbare Impedanz-Schaltung umfasst, die von einem Mikrocontroller µC ansteuerbar ist, wobei im Mikrocontroller µC die Signale auf der Signalleitung C/Q analysiert werden und durch entsprechende Anschaltung der jeweiligen Anpassungs-Komponente K1, K2 die Impedanz der Anpassungs-Komponente K1, K2 so steuert, dass unerwünschte Spannungsspitzen auf der Signalleitung vermieden werden.
Zwischeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl masterseitig wie auch deviceseitig eine derartige PHY-Einheit vorgesehen ist.