專利名稱：用于模塊結(jié)構(gòu)的外設系統(tǒng)的電能－和數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置，尤其是一種分別用于對一技術(shù)過程進行控制和/或監(jiān)督的存儲器可編程控制裝置或外設組件。
通常在已有技術(shù)中已公知上述類型的模塊結(jié)構(gòu)的控制裝置，由一電源通過電連接實現(xiàn)對各模塊的供電，用該電連接或者對每個單獨的模塊饋電，或者對第一個模塊饋電，該模塊再將電能繼續(xù)傳遞給相鄰的模塊。對模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置的所有模塊進行的電能傳輸是通過基本相同的連接件實現(xiàn)的。同樣，這也適用于模塊間的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流流經(jīng)連接件，該連接件將各個模塊與另一連接件接觸，其中該另一連接件例如建立與總線的導電連接。
在已有技術(shù)中，尤其是在通信領(lǐng)域通常已公知用于無線傳輸電能和/或數(shù)據(jù)的方法。但尚未公知的是，在借助這樣一種方法對一技術(shù)過程進行控制和/或監(jiān)督的一個控制設備中的模塊間或外設組件間的電能-和/或數(shù)據(jù)傳輸。在這類設備中，通過相應的導電連接實現(xiàn)電能-和/或數(shù)據(jù)傳輸。在這里，尤其是串行或并行總線的方案應用很普遍。
現(xiàn)有技術(shù)中已公知的這類模塊間的連接的缺點是，對迄今建立可斷開的導電連接的，設置在連接件內(nèi)的接觸件的機械或大氣負荷。通過這種模塊的重復觸接對各個接觸件將產(chǎn)生很大的機械負荷，例如可導致接觸件的彎曲。當一個彎曲的接觸件不能建立所需的電連接時，則由模塊實行控制的預期功能就不能實施。這將會對電氣設備的操作人員造成威脅，或?qū)夹g(shù)設備本身造成損害或?qū)е录夹g(shù)設備加工的產(chǎn)品的損壞。另外還要考慮到，在一個機械損壞的接觸件中僅偶爾會產(chǎn)生導電連接，從而同樣會導致產(chǎn)生上述不利的影響。此外，在這種情況下很難找到因接觸件的機械損壞造成的故障，這是因為該故障時有，時無。
另外，還要考慮到，在接觸件受到機械損傷時，甚至會建立所不希望的與其它接觸件的觸接。而且在此種情況下也會導致上述不利的影響。
當然接觸件不僅受到機械影響，而且也受到大氣影響的威脅。在接觸件被氧化的情況下，不再能保證相互正確的機械觸接的接觸件的導電連接?；蛘吒静辉俅嬖趯щ娺B接，或者僅存在具有上述缺點的偶爾的導電連接。
本發(fā)明的電子控制裝置的一個特殊的優(yōu)點在于，可以非常簡易地調(diào)換控制裝置的各個模塊或者也可以添加和取出該控制裝置的各個模塊。由于各個模塊不具有實現(xiàn)饋電或提供數(shù)據(jù)流的接觸件，因而對于模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置中已有的模塊來說，只要通過對模塊的相應的空間布置就很容易實現(xiàn)對一個模塊的添加。要去除一個模塊時，也可以很容易地將該模塊由控制裝置中取出，其中在取出后僅需要對剩余模塊的正確的空間布置加以注意。因此甚至未受過訓練或僅稍受訓練的人員即可進行對這種控制裝置的模塊取出和添加。
本發(fā)明控制裝置的模塊的另一個優(yōu)點在于，模塊在其殼體中的可封裝性更好，尤其比迄今為止在現(xiàn)有技術(shù)中所能實現(xiàn)的對模塊的封裝好得多。故本發(fā)明控制裝置模塊的相應的特點在于特別高的保護方式。由于已知的模塊迄今始終具有與模塊中含有的電子器件觸接的連接元件或接觸元件，因而至今未能實現(xiàn)對模塊中含有的電子器件的完全封裝。使得在已知模塊中含有的電子器件要受到諸如粉塵或大氣負荷等不利的環(huán)境影響。本發(fā)明的控制裝置因此非常適用于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用。基于該原因例如也可以考慮，將本發(fā)明的電子控制裝置不再象以往那樣設置在起保護作用的開關(guān)柜內(nèi)，而是直接設置在由該電子控制裝置控制或監(jiān)督的儀器、設備或設備部件附近。各個模塊與有待控制或監(jiān)督的外設的連接例如可以采用專門的連接件加以實現(xiàn)，所述連接件例如與模塊固定旋接并因而具有與模塊相類似或相同的保護方式。本發(fā)明的控制裝置因而也特別適用于分散結(jié)構(gòu)的自動化系統(tǒng)。
在這類電子控制裝置的模塊中加以采用的電子器件日益小型化的過程中，在已有技術(shù)已知的電子控制裝置中各模塊的立體延伸常常在很大程度上由連接件的立體延伸決定。例如在采用并行總線的情況下，既不能低于這樣一個總線的單獨接觸道的最小延伸，又不能低于該總線各接觸道間的最小間距。因而也就產(chǎn)生了所采用的連接件延伸的下限，該下限決定了模塊的尺寸。用于傳遞電能和/或數(shù)據(jù)、設置在本發(fā)明控制裝置模塊中的變壓器，其立體尺寸常常小于迄今所采用的連接件。因而可減少各個模塊占用的空間和隨之電子控制裝置占用的總空間。出于此考慮且為了有益于本發(fā)明的控制裝置的分散應用，也可直接設置在有待控制或有待監(jiān)督的外設附近。而且即使采用在配電柜中通常的設置方式，可以實現(xiàn)的空間的節(jié)省也是一個很大的優(yōu)點。
故本發(fā)明的目的在于提供一種模塊結(jié)構(gòu)的控制裝置，其中采用無線方式實現(xiàn)各個模塊間，例如模塊或外圍設置間的電能-和/或數(shù)據(jù)的傳輸。
對按照權(quán)利要求1前序部分的模塊結(jié)構(gòu)的電氣控制裝置，該目的的實現(xiàn)方案在于，采用電流形式僅向一個模塊饋送電能并且從此模塊開始采用無線電磁途徑實現(xiàn)對其它模塊的饋電并且還通過同一電磁途徑傳輸數(shù)據(jù)流。為此，每個模塊具有至少一個用于產(chǎn)生電磁場的發(fā)送器，其中發(fā)送器構(gòu)成數(shù)據(jù)-和/或電能源并且接收器構(gòu)成數(shù)據(jù)-和/或電能收集器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)-和/或電能源對其它的，尤其是相鄰的模塊的數(shù)據(jù)和/或電能的傳遞，并且實現(xiàn)由數(shù)據(jù)-和/或電能收集器對來自其它的，尤其是相鄰模塊的數(shù)據(jù)和/或電能的接收。
其中例如以串行結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模塊的耦合。本發(fā)明的電子控制裝置的另一優(yōu)點在于，可以以幾乎任何一種拓樸設置模塊。因而可相應根據(jù)伴隨不同拓樸的優(yōu)點或缺點，對模塊的耦合方式進行選擇。串行或樹形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，可很容易地將單個模塊添加入結(jié)構(gòu)中或從結(jié)構(gòu)中取出。當然，如果連接的模塊過多，則數(shù)據(jù)通過量將會大幅度地降低。當一個模塊失效時至多僅會造成該模塊不再能動作。在星形拓樸的情況下，數(shù)據(jù)流通過一中央模塊，根據(jù)一預給定的目標地址進行相應傳輸。這種拓樸的優(yōu)點在于，擴展容易并且當一個模塊失效時幾乎不會造成對總系統(tǒng)的干擾。然而如果中央模塊失效的話，則會造成整個系統(tǒng)的完全失效。
由下面借助附圖并結(jié)合從屬權(quán)利要求對本發(fā)明的一個實施例的說明，可了解本發(fā)明的其它優(yōu)點和細節(jié)，附圖中

圖1示出一種模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置；圖2示出模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置的模塊，在模塊間進行電能和/或數(shù)據(jù)無線傳輸；圖3示出電能和數(shù)據(jù)由端模塊向其它模塊的繼續(xù)傳輸。
圖1示出一種模塊結(jié)構(gòu)的存儲器可編程電子控制裝置MS。在現(xiàn)有技術(shù)中已公知的模塊式的控制裝置中，是通過相應的導電連接實現(xiàn)電信號傳輸，即電能和/或數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。圖1中示出的模塊式控制裝置MS的模塊KM、M、AM間沒有導電連接。電能和/或數(shù)據(jù)傳輸是利用電磁場實現(xiàn)的。
除端頭模塊KM和終結(jié)模塊AM之外，每個模塊為此都具有至少一個圖1中未示出的數(shù)據(jù)-和/或電能源及一個數(shù)據(jù)-和/或電能收集器。在開始數(shù)據(jù)-和/或電能傳輸?shù)亩祟^模塊中，有一個數(shù)據(jù)-和/或電能源就足夠了。在終結(jié)數(shù)據(jù)-和/或電能傳輸?shù)慕K結(jié)模塊中，有一個數(shù)據(jù)-和/或電能收集器也足夠了。由一外部的電源通過圖1中未示出的接觸件對端頭模塊供電。在圖1的實施例中，終結(jié)模塊AM具有用于與受控或受監(jiān)督的技術(shù)過程交互的連接件AE。當然在不同于此的設計中也可以考慮，其它的模塊KM、MM′附加地或可選擇地具有該連接件AE。
下面將對數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)收集器間的數(shù)據(jù)傳輸加以說明。該傳輸在任何情況下也包括電能源和電能收集器間的電能傳輸。其中數(shù)據(jù)-和電能源及數(shù)據(jù)-和電能收集器可以是同一實體件。
圖2示出由一個模塊M向相鄰的模塊M′進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方案。第一個模塊M含有一個具有相應匝數(shù)的線圈SP作為數(shù)據(jù)源，其中在線圈SP中有一個u形的鐵磁件FE。相鄰的模塊M′同樣含有一個具有相應匝數(shù)的，在此情況下具有相同匝數(shù)的線圈SP′作為數(shù)據(jù)收集器，其中在線圈SP′中也有一個u形的鐵磁件FE。下面將把數(shù)據(jù)源S稱作發(fā)送器S，把數(shù)據(jù)收集器E稱作接收器E。同樣把發(fā)送器S側(cè)的線圈SP稱作發(fā)送線圈SP，把接收器E側(cè)的線圈SP′稱作接收線圈SP′。
在此情況時要加以說明的特別重要的一點是，在進行本發(fā)明模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置的數(shù)據(jù)傳輸時不存在擇優(yōu)磁化方向。在此僅僅是出于明了起見，才對用一作為發(fā)送器S的，產(chǎn)生電磁場的裝置和一作為接收器E的，檢測電磁場的裝置的數(shù)據(jù)傳輸加以說明。由于發(fā)送器S和接收器E的結(jié)構(gòu)基本相同，故當然也可以用被稱作發(fā)送器S的裝置檢測電磁場并且相應也可以用被稱作接收器E的裝置產(chǎn)生電磁場。即在任何情況下都可以進行雙向的電能-和/或數(shù)據(jù)傳輸，其中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛴蔀閿?shù)據(jù)傳輸采用的協(xié)議-尤其是借助采用此協(xié)議可傳輸和識別的控制語句加以控制。
在圖2的實施例中，發(fā)送器S和接收器E至少部分被某個模塊M、M′的機殼封包。含有發(fā)送器S的模塊M相對于含有接收器E的模塊M′的布置選擇成，應使兩個模塊M、M′相鄰并且相互設置，從而使具有發(fā)送器S的模塊M側(cè)與具有接收器E的模塊M′側(cè)相對，以便傳輸線路因此盡可能短，隨之最大限度地減少了可能的損耗。模塊M，M′的機殼部分宜由鐵磁材料制成，尤其是由與制作某個模塊M、M′鐵磁件FE相同的鐵磁材料制成，當它斷開磁路時，能進一步有利地減少損耗。在圖2中未示出的一具體的設計中，例如模塊M、M′鐵磁件FE的鐵心腿穿透某個模塊M、M′的機殼，以便使鐵磁件FE的鐵心腿的端面被某個模塊MM′的機殼外輪廓齊平地封閉，從而使兩個鐵磁鐵FE之間的距離實現(xiàn)真正的最小并僅由模塊M、M′的相互間距決定。
當電流流過發(fā)送線圈SP時，在發(fā)送線圈SP的鐵磁心FE上就產(chǎn)生磁場。當如圖2的實施例中所示，發(fā)送線圈SP和接收線圈SP′的鐵磁心FE的設置使它們形成一個幾乎閉合的磁路，則磁通量基本被限制在隨之形成的磁路上。流過發(fā)送線圈SP的電流隨之在磁路中感應出一個磁場，該磁場在接收線圈SP′中又感應出一個電流。在接收線圈SP′中感應出的電流與流經(jīng)發(fā)送線圈SP的電流成比例。在接收線圈SP′與發(fā)送線圈SP的匝數(shù)相同并且線圈SP、SP′的鐵磁心FE的材料相同以及鐵磁心FE的尺寸相同的情況下，在接收線圈SP′中感應出的電流強度基本與流經(jīng)發(fā)送線圈SP的電流的強度相符。無線傳輸以同樣的方式適用于以交流電為基礎(chǔ)的供電，以及對信號的無線傳輸，從而最后也可以由一個模塊M向相鄰模塊M′無線傳輸信息。
在一種圖中未示出的本發(fā)明的設計中，利用在發(fā)送側(cè)的兩個發(fā)送線圈和兩個在發(fā)送線圈中設置的鐵磁心以及在接收側(cè)的兩個接收線圈及在線圈中分別設置的鐵磁心可同時實現(xiàn)電能和數(shù)據(jù)的同時傳輸。但另一種方案在于，分別在接收側(cè)及發(fā)送側(cè)僅采用一個鐵磁件FE，其中在該鐵磁件FE上分別設置兩個線圈SPE、SPD、SPE′、SPD′，線圈對SPE、SPE′用于電能傳輸，另一線圈對SPD、SPD′用于數(shù)據(jù)傳輸。在圖3中示出該設置。
在此要重新指出的是，對本發(fā)明模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置的各個器件所選用的盡可能有利于說明的名稱并不意味著對電能和/或數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)選方向的給定。
在用發(fā)送線圈SPE傳輸交流電時，在鐵磁件FE上產(chǎn)生一個隨時間而變化的磁場，該磁場在接收線圈SPE′中感應出頻率相同的交流電流。而且用發(fā)送線圈SPD傳輸?shù)臄?shù)據(jù)SPD也發(fā)生必要的變化，從而使由某個線圈SPD感應的磁場強度與由用于電能傳輸?shù)陌l(fā)送線圈SPE感應的場強疊加。數(shù)據(jù)以此方式被調(diào)制在由電能傳輸感應出的磁場上。在接收側(cè)由一相應的濾波器F又重新從電磁場將調(diào)制的數(shù)據(jù)提取出，從而在接收側(cè)又可重新分接出數(shù)據(jù)和電能。
圖3舉例示出由端頭模塊KM向下一個模塊M的電能和數(shù)據(jù)的傳輸，所述端頭模塊在實施例中僅有一個發(fā)送器S，所述下一個模塊M具有一個設置在端頭模塊KM發(fā)送器S對面的接收器E并且為繼續(xù)傳輸電能和數(shù)據(jù)具有一個自已的發(fā)送器S。由一個外部的電源將電能饋送給端頭模塊KM。在圖中僅部分示出與第一個模塊M相鄰的模塊M′。該模塊同樣也具有一個設置在第一模塊M發(fā)送器S對面的接收器E。如果這個后面的模塊M′是終結(jié)模塊AM，則不需要與第一模塊M類同的另一發(fā)送器S。如果還有其它的模塊M、M′接在該模塊M′上，則該模塊M′還具有一個相應的用于繼續(xù)傳輸電能和數(shù)據(jù)的發(fā)送器S。如圖3所示，端頭模塊KM具有一個作為發(fā)送器S器件的u形鐵磁件FE。模塊M具有一個相應的作為接收器E器件的鐵磁件FE。鐵磁件FE的兩個鐵心腿相面對，從而使兩個u形的鐵磁件FE形成一環(huán)形設置。在每個模塊的u形鐵磁件FE上套置兩個線圈SPE、SPD構(gòu)成的繞組。在端頭模塊KM內(nèi)的第一線圈SPE是用于電能傳輸?shù)碾娐凡糠郑诙祟^模塊KM內(nèi)的第二線圈SPD是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐凡糠?。與此相符，在模塊M內(nèi)的第一線圈SPE′是為該模塊M供電的電路部分并且第二線圈SPD′是用于數(shù)據(jù)分析和處理的電路部分。在后面相連接的模塊M′中繼續(xù)采用這種基本結(jié)構(gòu)，從而也可將電能或數(shù)據(jù)傳輸給后面所連接的模塊M′中。
在圖3所示的設置中，通過一個發(fā)送器S和一個接收器E實現(xiàn)電能和數(shù)據(jù)的傳輸。如上所述，在此情況時用于傳輸數(shù)據(jù)的信號經(jīng)調(diào)制加在用于傳輸能量的信號上。為提取數(shù)據(jù)信號，模塊M具有一個濾波器F。濾波后，數(shù)據(jù)又以其被發(fā)送模塊原來發(fā)送時的形式存在。數(shù)據(jù)在此形式下被一邏輯器件L進行處理。在圖3的實施例中，濾波單元F和邏輯單元L集合成一個專用集成芯片A。同樣，還有一個轉(zhuǎn)換單元KE也與該專用集成芯片A集成一體，利用此轉(zhuǎn)換單元數(shù)據(jù)又被轉(zhuǎn)換成模擬電信號，從而采用上面所述的傳輸件S、E即可實現(xiàn)其傳輸。
用于為模塊M供電的電路具有一個電容器C和一個二極管D，該電容器C與套置在接收器E的鐵磁件FE上的線圈SPE′并聯(lián)。二極管D和電容器C是帶有后置緩沖電容C的整流二極管D，以便將用于供電接收的交流電壓重新整流。通常用千赫頻段的“斷路頻率”進行電能傳輸。
還要再次指出的是，為進行上述電能和數(shù)據(jù)傳輸也可以采用發(fā)送器S及接收器E，其中一個線圈的繞組分別套置在一個自己的鐵磁件上。因此兩個模塊M、M′將具有兩個發(fā)送器S和兩個接收器E，其中一個件用于電能傳輸，另一個件用于數(shù)據(jù)傳輸。在這種情況下，不需要對調(diào)制的數(shù)據(jù)濾波。
與迄今所述主要利用電感器件進行數(shù)據(jù)傳輸相反，同樣也可以主要利用電容器件，例如電容器進行數(shù)據(jù)傳輸。替代套置在鐵磁件FE上的線圈繞組，每個模塊例如具有作為發(fā)送裝置的平板電容器的一塊平板。在相鄰模塊中相應的接收裝置是平板電容器的另一塊相應的平板。當電壓加在所述電容器上時，在電容器平板間形成一個電場，完全與上述磁場類同地可采用該電場進行電能和/或數(shù)據(jù)傳輸。
為提供實現(xiàn)不同拓樸的方案，也可以采用不同于上述實施例的實現(xiàn)方案，在各模塊中設置一個以上的發(fā)送裝置S及接收裝置E。另外，例如也可由一個端頭模塊KM不僅是單向地，而且是雙向地實現(xiàn)電能和/或數(shù)據(jù)的傳輸，從而端頭模塊KM例如具有用于無線傳輸數(shù)據(jù)和/或電能的兩個數(shù)據(jù)-和/或電能源。在本發(fā)明的存儲器可編程控制裝置的模塊為環(huán)形拓樸設置的情況下，端頭模塊KM當然也要具有一個數(shù)據(jù)-和/或電能收集器。
權(quán)利要求
1.一種模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置，尤其是存儲器可編程控制裝置，-其中模塊由一電源，尤其是一電網(wǎng)供電并且-在模塊間存在數(shù)據(jù)流，其特征在于，-采用電流形式僅向一個模塊(KM)饋送電能并由此模塊(KM)開始采用無線電磁途徑對其它模塊(M、M′、AM)饋電并且-還采用同一電磁途徑傳輸數(shù)據(jù)流。
2.按照權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，-所述模塊(KM、M、M′、AM)具有至少一個用于產(chǎn)生電磁場的發(fā)送器(S)和/或一個用于檢測電磁場的接收器(E)，其中發(fā)送器(S)構(gòu)成數(shù)據(jù)源和/或電能源并且接收器(E)構(gòu)成數(shù)據(jù)收集器和/或電能收集器，-其中該數(shù)據(jù)源和/或電能源向其它模塊(M、M′、AM)傳輸數(shù)據(jù)和/或電能，并且其中數(shù)據(jù)收集器和/或電能收集器從其它模塊(KM、M、M′)那兒接收數(shù)據(jù)和/或電能。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于，以串行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模塊(KM、M、M′、AM)的耦合。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于，以星形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模塊(KM、M、M′、AM)的耦合。
5.按照上述任一項權(quán)利要求所述的電氣設備，其特征在于，由一個機殼至少部分封裝發(fā)送器(S)和接收器(E)，并且發(fā)送器(S)和接收器(E)在空間上相鄰并且其相互設置應使發(fā)送器機殼的一側(cè)與接收器機殼的一側(cè)相對，以便使傳輸距離盡可能短。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的電氣設備，其特征在于采用基本為電感的器件，例如一個帶有鐵磁心的線圈產(chǎn)生電磁場。
7.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的電氣設備，其特征在于，采用基本為電容的器件，例如一個電容器產(chǎn)生電磁場。
全文摘要
在一個技術(shù)過程的模塊結(jié)構(gòu)的電子控制裝置,尤其是存儲器可編程控制裝置和/或監(jiān)督裝置中,電能的傳輸(對各模塊的供電)及同時進行的信息傳輸(在各模塊間的數(shù)據(jù)交換)是采用電磁途徑并因而不采用固定的傳輸媒介實現(xiàn)的。
文檔編號H04B5/02GK1231084SQ97198062
公開日1999年10月6日 申請日期1997年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月30日
發(fā)明者赫伯特·海澤 申請人:西門子公司