Das Aktuator-Sensor-Interface (AS-Interface) ist ein Vernet- zungssystem für die unterste Feldbusebene der Automatisie- rungstechnik mit überwiegend bitorientiertem Datenaustausch nach dem Master-Slave-Prinzip. Es eignet sich insbesondere für eine einfache und kostengünstige"Low End"-Installation von einfachen binären Sensoren und Aktoren sowie Modulen mit mehreren Ein-/Ausgängen und deren Betrieb und Wartung über eine Steuerung. Sensoren sind typischerweise einfache Be- fehlsgeber, Druckschalter, Wahlschalter, Näherungsschalter, Füllstandsmelder, Lichtschranken oder inkrementale Winkelko- dierer. Als einfache Aktoren kommen vorzugsweise Meldeleuch- ten, akustische Signalgeber, Pneumatikventile, Hydraulikven- tile und kleine elektrische Antriebe in Betracht. Ein AS- Interface Slave-IC ist entweder direkt in einen Sensor oder Aktuator eingebaut, oder er ist in ein Modul eingebaut, an das konventionelle Sensoren und Aktuatoren angeschlossen wer- den können. Jeweils beim Einbau eines IC's in einen Slave wird die Konfiguration der Ports als Eingang/Ausgang-Konfigu- ration festgelegt. Daher kann der gleiche AS-Interface Slave IC sowohl Sensoren als auch Aktuatoren ansteuern. Der AS-In- terface Master bildet die Schnittstelle zwischen dem Übertra- gungssystem und einer Steuerung auf einer höhergeordneten Steuerungsebene, beispielsweise einer speicherprogrammierba- ren Steuerung (SPS) oder einem Personalcomputer (PC) oder zu

einer übergeordneten Netzstruktur und organisiert den Daten- verkehr auf dem AS-Interface Bus. Er kann Bestandteil der Steuerung sein. Die Slaves tauschen dann direkt mit der Steu- erung Daten aus.

Eine konventionelle Verdrahtungslösung kann komplett durch das AS-Interface System ersetzt werden, wobei Verdrahtungs- aufwand eingespart wird sowie mit intelligenten AS-Interface- Sensoren und AS-Interface-Aktuatoren auch neue Funktionen, wie Parametrierung und Diagnose zu realisieren sind, ohne den Verkabelungsaufwand zu erhöhen. Mit speziellen Profilen sind auch analoge Geräte anschließbar. Aufgrund dieser Eigenschaf- ten hat sich das AS-Interface in den letzten Jahren zum füh- renden Vernetzungssystem in unterster Feldebene der Automati- sierungstechnik entwickelt. Seit 1999 ist AS-Interface als internationaler Industriestandard IEC 62026 und als Europa- norm EN 50295 festgeschrieben.

Neben der Übertragung von Daten hat das Buskabel, typischer- weise ein ungeschirmtes Zweileiter-Flachkabel, die Aufgabe, die Teilnehmer aus einem Netzgerät mit elektrischer Energie zu versorgen, das üblicherweise 30V Gleichspannung mit bis zu 8A zur Verfügung stellt. Die Datensignale sind der Gleich- spannung mit einer Amplitude von maximal +/-4V mit Hilfe eines speziellen Verfahrens zur seriellen Übertragung, der Alternierenden Puls Modulation (APM), in Form von positiven und negativen sin-Pulsen aufmoduliert und werden in Form von Datentelegrammen übertragen. Folglich müssen in einem AS- Interface Daten und Energie voneinander entkoppelt werden.

Hierzu dienen Datenentkoppelungsnetzwerke, die zumeist in dem gleichen Gehäuse wie die an dem AS-Interface Netzwerk ange- schlossenen Anwendungen untergebracht sind. Zur Generierung der Spannungsimpulse dienen zwei Induktivitäten und zwei dazu parallel geschaltete Widerstände, welche zumeist im Gehäuse der Energieversorgung untergebracht sind. Die Induktivitäten in der Stromversorgung wandeln die Stromimpulse, die von den AS-Interface Sendern erzeugt werden, in Spannungsimpulse um

und verhindern gleichzeitig, dass die AS-Interface Leitung durch die Energieversorgung für die Datenübertragung kurzge- schlossen wird.

Stand der Technik In einer AS-Interface Anwendung, z. B. in einem Sensor oder Aktuator integrierten AS-Interface Slave, einem AS-Interface Koppelmodul zum Anschluss von Sensoren und Aktuatoren ohne eigenen Slave IC an das AS-Interface Netz oder in weiteren Anwendungen müssen Datensignale und Betriebsspannung vonein- ander entkoppelt werden. Zusätzlich muss dafür gesorgt wer- den, dass sprunghafte Stromänderungen auf der Anwendungssei- te, bedingt durch das Schalten von Aktuatoren, nicht zu er- höhten Spannungsimpulsen an dem AS-Interface führen und das Netzwerk undefiniert beeinflussen. Diese Entkopplung wird durch eine Induktivität realisiert. Hierzu sind zwei Ausfüh- rungen bekannt : 1. Entkopplung durch eine in einer AS-Interface IC Anwen- dungsschaltung integrierte elektronische Induktivität, 2. Entkopplung durch eine oder mehrere zu einer AS-Interface IC Anwendungsschaltung externe Induktivität in Form einer gewickelte Spule.

Erstere Variante ist beispielsweise bei dem IC A 2S I der An- melderin verwirklicht. Die im IC integrierte elektronische Entkoppelinduktivität besteht aus einer hochkomplexen Schal- tung unter Einsatz mehrerer Operationsverstärker, von denen jeder mehrere Transistoren beinhaltet, hat deshalb einen nicht zu unterschätzenden Flächenbedarf, welcher den Preis des IC's beeinflusst und maximal 30mA zur Verfügung stellen kann. Jeder der Transistoren hat durch die Silizium-interne Struktur Bezugspunkte zum Substrat und damit zur Masse, was im Einsatz Unsymmetrien des Moduls am AS-I-BUS hervorrufen kann, welche negative Auswirkungen auf das BURST-Verhalten haben.

Letztere Variante realisiert die Anmelderin u. a. bei der externen Beschaltung ihres IC ASI-SW. Aber auch der Einsatz einer gewickelten Spule stellt gerade für IC's, welche für kostengünstige"Low End"-Anwendungen konzipiert sind, einen erheblichen Kostenfaktor dar. Des weiteren ist der im Ver- hältnis zur Gesamtschaltung große Bauraum einer gewickelten Spule bei kleinen, miniaturisierten AS-Interface Slaves, wie Taster oder Signalleuchten, nicht zu vernachlässigen.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gewickelte Entkoppelinduktivität in einer AS-Interface Anwendung durch eine kostengünstige und platzsparende Lösung einer aus weni- gen elektronischen Standardbauelementen elektronisch nachge- bildeten Entkoppelinduktivität unter Einhaltung der durch die AS-International Association in der AS-Interface Spezifika- tion vorgegebenen Parameter zu ersetzen. Jeder Hersteller sollte immer seine AS-Interface Anwendungen auf Konformität zur AS-Interface Spezifikation prüfen und zertifizieren las- sen. Die Impedanz eines AS-Interface in einem vorgegebenen Frequenzbereich von 50kHz bis 300kHz ist dabei eine wichtige Größe, welche in starkem Maße durch die Entkoppelinduktivität bestimmt wird. Weitere Ziele sind, den Anwendungen Ströme auch über 30mA zur Verfügung zu stellen und Unsymmetrien des Moduls am AS-I-BUS zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 an- gegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche an.

Indem die elektronische Entkoppelinduktivität unabhängig vom AS-Interface IC ist, bleibt dieser kostengünstig in der Fer- tigung. Die in der Entkopplungsinduktivität entstehende Ver- lustleistung muss in diesem Fall auch nicht über das IC Ge- häuse abgeführt werden, was den Einsatz kostengünstiger Ge- häusearten erlaubt. Die elektronische Entkoppelinduktivität kann wiederum kostengünstiger hergestellt werden als eine

gewickelte Entkoppelinduktivität. Außerdem nimmt sie weniger Bauraum ein und ist variabler in einer AS-Interface Anwendung oder einem AS-Interface Koppelmodul platzierbar. Sie kann diskret, hybrid oder vollintegriert ausgeführt werden, immer aber ist sie eine zum AS-Interface IC separate Baugruppe.

Ein Gyrator stellt dabei eine besonders vorteilhafte Schal- tungseinheit zur Impedanzwandlung dar. Mit ihm lässt sich eine Filterspule (gewickelte Induktivität) mit einfachen elektronischen Mitteln simulieren, indem ein kapazitiver Abschlusswiderstand in einen synthetischen induktiven Ein- gangswiderstand umgewandelt wird. Hierzu umfasst er mindes- tens ein aktives elektronisches Bauelement, wie Transistor oder Operationsverstärker, einen Kondensator und Beschal- tungswiderstände. Gyratoren lassen sich sowohl diskret als auch hybrid oder in Form eines integrierten Schaltkreises kostengünstiger, kleiner und mechanisch unempfindlicher her- stellen als gewickelte Induktivitäten. Eine besonders einfach aufgebaute Zweipol-Gyratorschaltung ist in P. Strict : Gyrator acts as electronic choke ; Electronics World + Wireless World magazine September 1993 Seite 754 beschrieben.

Bevorzugter Weg zur Ausführung der Erfindung Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben werden, wobei Fig 1 : die AS-Interface Ebene in einem Netzwerk abbildet und Fig. 2 : schematisiert ein AS-Interface Slave IC mit Beschal- tung zeigt.

In Fig. 1 ist eine Einbindung des AS-Interface in ein überge- ordnetes Netzwerk dargestellt. Der Master 1 kann Bestandteil einer nicht näher dargestellten Steuerung auf der Steuerungs- ebene sein und beispielsweise über den Interbus 2 versorgt werden. Die Slaves 3.1, 3.2... 3. n auf der AS-Interface Ebene tauschen dann direkt mit der Steuerung Daten aus. Ein

Netzteil 4 speist das Netzwerk vom Wechselstromnetz AC mit 30V Gleichstrom. Zwei Induktivitäten und zwei dazu parallel geschaltete Widerstände dienen zur Generierung der Spannungsimpulse.

Der Slave 3. n enthält beispielhaft eine Meldeleuchte als Aktuator und/oder einen Tastschalter als Sensor. Beide sind über eine Entkoppelinduktivität 5 von beispielsweise 18mH mit dem + Anschluss des AS-Interface Bus verbunden. Die Entkop- pelinduktivität 5 entkoppelt den Datenstrom von der Energie und verhindert die Übertragung von Einschaltspannungsspitzen auf den AS-Interface Bus beim Aktivieren eines Aktuators.

Nach heutigem Stande können maximal 31 (62) Slaves an einen Master angeschlossen werden.

In Fig. 2 ist beispielhaft die Schaltplatine eines AS-Inter- face Slaves näher herausgezeichnet, wobei lediglich die für das Verständnis der Erfindung wichtigsten Bestandteile schal- tungstechnisch dargestellt sind. Auf einer Leiterplatte ist ein hochintegrierter Schaltkreis AS-Interface Slave-IC AS-I IC"platziert. Er enthält eine Logik 6 für die Verwaltung aller ein-und ausgehenden Daten, einen nicht dargestellten Adressenspeicher, eine Stromversorgung 7 für die Logik 6, eine Oszillatorschaltung 8, an deren Eingangsports OSC1, OSC2 ein Schwingquarz als frequenzbestimmendes Element angeschlos- sen wird, einen Datenempfänger 9, einen Datensender 10, zwei Ausgangsports D00, D01 für Aktuatorsignale, z. B. für einen LED-Leuchttaster, zwei Eingangsports D12, D13 für Sensorsig- nale, z. B. zur Überwachung des Schaltzustandes des LED- Leuchttasters, einen Ausgangsport LED zur Anzeige von Kommu- nikationszuständen, einen Eingangsport FID zur Erkennung von Peripheriefehlern, zwei Ports Test 1, Test 2 für Testzwecke sowie eine über eine Z-Diode spannungsbegrenzende Eingangs- schaltung zur Unterdrückung von Hochspannungsstörimpulsen.

Die Eingangsschaltung wird über die Ports ASIP (für Leitung AS-I +) und ASIN (für Leitung AS-I-) vom AS-I-Bus unter

Vorschaltung einer Verpolschutzdiode versorgt. Der Anschluss Port CAP dient einer nicht näher gezeigten kapazitiven Be- schaltung des AS-I IC. Ferner erfolgt über den AS-I Bus die Kommunikation mit dem Master 1. Die Leiterplatte ist vorteil- haft direkt in einen konventionellen LED-Leuchttaster einge- baut, weshalb sie möglichst klein sein sollte. Die Entkoppel- induktivität 5 der Eingangsstromversorgung zur Entkopplung der Datensignale von der Betriebsspannung und Entkopplung sprunghafter Stromänderungen auf der Aktuator-/Sensorseite vom AS-I Bus sollte deshalb ebenfalls möglichst kleine räum- liche Abmessungen bezüglich seiner Grundfläche und Höhe be- sitzen und außerdem möglichst preiswert herzustellen sein.

In Fig. 2a) ist die Entkoppelinduktivität 5 als gewickelte Spule nach dem Stande der Technik nochmals herausgezeichnet.

Gemäß Fig. 2b) ist die gewickelte Spule aus Fig. 2a erfin- dungsgemäß durch einen Impedanzwandler"Gyrator"11 ersetzt, der die Induktivität der gewickelten Spule elektronisch nach- bildet. Ein besonders einfacher und kostengünstiger elektro- nischer Impedanzwandler"Gyrator"wurde z. B. von P. Strict in Electronics World + Wireless World Magazin, September 1993, Seite 754 vorgeschlagen und in Fig. 2b näher dargestellt. Ein solcher kann unmittelbar die gewickelte Spule ersetzen. Die Zweipol-Gyratorschaltung verhält sich wie eine Entkoppelin- duktivität, indem sich die Basisspannung am stromsteuernden Transistors entsprechend der Kennlinie des sich bei Strom- fluss nur langsam aufladenden Emitter-Basis-Kondensators ebenfalls nur langsam verändert und demzufolge sich auch der Stromfluss vom Anschluss P1 zum Anschluss P2 des"Gyrators" 11 über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors nur langsam ändern kann. Mit Hilfe eines Spannungsteilers, gebil- det aus einem Kollektor-Basis-Widerstand und einem Basis- Emitterwiderstand, wird der Arbeitspunkt des Transistors festgelegt. Über einen Reihenwiderstand zur Kollektor-Emit- terstrecke des Transistors lädt sich der Kondensator auf. Er entspricht etwa dem ohmschen Anteil einer gewickelten Entkop- pelinduktivität.

Beim Schalten eines Aktuators wird folglich der Strom nur langsam ansteigen, wodurch Spannungsspitzen genau wie durch eine Reiheninduktivität verhindert werden. Ferner blockiert der Gyrator"11 die Datensignale und entkoppelt sie auf diese Weise von der Betriebsspannung, der die Datensignale auf dem AS-I Bus mit einer Mittenfrequenz von 167 kHz relativ schmalbandig überlagert sind, indem die RC-Konstante des Basis-Emitter-Widerstandes und des Kondensators für die Da- tensignale einen sehr großen Widerstand darstellt. Das wird erreicht, indem sich durch eine Stromänderung am Basis-Emit- terwiderstand die Spannung über diesen und somit über den Kondensator ändert. Bedingt durch die Kondensator-Kennlinie erfolgt dies nur langsam, das heißt, die Ansteuerung des Transistors an seiner Basis läuft dem angeforderten Strom nach. Auf der Stromversorgungsleitung für einen Aktuator oder Sensor 12 werden also keine Datensignale übertragen, die eventuell zu Betriebsstörungen führen könnten. Zwei Beschal- tungskondensatoren von 100nF und lOpF glätten zusätzlich den Betriebsstrom auf der Stromversorgungsleitung 12.

Die elektronische Entkoppelinduktivität Gyrator"11 kann, da sie separat vom miniaturisierten AS-Interface Slave IC aufge- baut wird, für höhere Ströme als 30mA ausgelegt werden. Dar- aus ergibt sich der Vorteil, dass auch Slaves ohne zusätzli- ches Versorgungskabel oder gewickelte Entkoppelinduktivität betrieben werden können, deren Stromverbrauch über 30mA liegt, beispielsweise also Ventile oder Schalter mit einem Stromverbrauch von 50mA oder mehr. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die elektronische Entkoppelinduktivität"Gyra- tor"11 diskret oder hybrid aufgebaut wird. Außerdem kann eine solche elektronische Entkoppelinduktivität Gyrator"11 auch in Koppelmodulen Anwendung finden, welche mehrere Senso- ren und Aktuatoren ohne eigenen Slave IC versorgen.

Ein beispielhafter Kostenvergleich soll die Kostenvorteile einer diskret aufgebauten elektronischen Entkoppelinduktivi- tät gegenüber einer gewickelten Spule deutlich machen : gewickelte Spule elektronische Entkoppelin- duktivität (Gyrator) Bauteilkosten ca. 0,50 bis 0, 60 ca. 0,05 bis 0, 08 Bestückungs- kosten ca. 0, 07 £ ca. 0, 15 e Gesamtkosten ca. 0,57 bis 0, 67 e ca. 0,20 bis 0, 23.

Des weiteren bleibt die Bauhöhe einer diskret aufgebauten elektronischen Entkoppelinduktivität mit ca. 1, 5mm weit unter dem der Bauhöhe einer gewickelten Spule mit ca. 5 bis 7mm.

Außerdem können bei einer diskret aufgebauten elektronischen Entkoppelinduktivität die einzelnen Bauelemente auf einer Leiterplatte wesentlich flexibler angeordnet werden, als dies bei einer gewickelten Spule der Fall ist. Nicht zuletzt zeichnet sich eine elektronische Entkoppelinduktivität durch eine höhere Zuverlässigkeit in Bezug auf mechanische Vibrati- onen gegenüber einer gewickelten Spule bei dem Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen aus.

Zur Anwendung kommt die Erfindung nicht nur in einem Slave, sondern vorteilhaft auch in anderen Anwendungen, wie zum Beispiel einem Master, einem Extender, einem Repeater, einem Monitor und anderen.