DE102005043481A1

DE102005043481A1 - Automatisierungstechnische Einrichtung

Info

Publication number: DE102005043481A1
Application number: DE102005043481A
Authority: DE
Inventors: Heiko Kresse; Andreas Dipl.-Ing. Stelter; Ralf Schäffer
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-03-15
Also published as: US20070116133A1; US8238379B2; US20070115852A1; CN1941018A; CN100587750C

Abstract

Die Erfindung betrifft eine automatisierungstechnische Einrichtung (100, 100'), bei der eine Mehrzahl räumlich verteilter Funktionseinheiten mittels eines gemeinsamen Übertragungsprotokolls miteinander kommunizieren. Die Einrichtung weist einen Mikrocontroller (110) auf, dem mindestens ein Taktgenerator (120) und eine Speichereinheit (150) zugeordnet sind und der mindestens an eine Datenquelle (140) angeschlossen ist, die zur Ausgabe eines zu sendenden Daten-Bitstroms ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine automatisierungstechnische Einrichtung, bei der eine Mehrzahl räumlich verteilter Funktionseinheiten mittels eines gemeinsamen Übertragungsprotokolls miteinander kommunizieren. Entsprechend ihrer automatisierungstechnischen Funktion treten diese Funktionseinheiten als Feldgeräte oder Bediengeräte in Erscheinung.

In der Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik ist es seit längerem üblich, über eine Zweitdrahtleitung ein Feldgerät zu speisen und Meßwerte von diesem Feldgerät zu einem Anzeigegerät und/oder zu einer regelungstechnischen Anlage beziehungsweise Stellwerte von einer regelungstechnischen Anlage zum Feldgerät zu übertragen. Dabei wird jeder Meßwert beziehungsweise Stellwert in einen proportionalen Gleichstrom umgeformt, der dem Speisegleichstrom überlagert wird, wobei der den Meßwert beziehungsweise Stellwert präsentierende Gleichstrom ein Vielfaches des Speisegleichstroms sein kann. So ist üblicherweise der Speisestrombedarf des Feldgerätes auf ca. 4 mA eingestellt und der Dynamikumfang des Meßwertes beziehungsweise Stellwertes auf Ströme zwischen 0 und 16 mA abgebildet, so daß die bekannte 4...20 mA-Stromschleife verwendbar ist.

Neuere Feldgeräte zeichnen sich darüber hinaus durch universelle, weitgehend an den jeweiligen Prozeß adaptierbare Eigenschaften aus. Dazu ist parallel zum unidirektionalen Gleichstromübertragungsweg ein bidirektional betreibbarer Wechselstromübertragungsweg vorgesehen, über den in Richtung zum Feldgerät Parametrierdaten und aus Richtung des Feldgerätes Meßwerte und Zustandsdaten übertragen werden. Die Parametrierdaten und die Meßwerte sowie die Zustandsdaten sind auf eine Wechselspannung moduliert, vorzugsweise frequenzmoduliert.

In der Prozeßleittechnik ist es üblich, im sogenannten Feldbereich Feldgeräte, das sind Meß-, Stell- und Anzeigebaugruppen, entsprechend den vorgegebenen Sicherheitsbedingungen vor Ort anzuordnen und zu verknüpfen. Diese Feldgeräte weisen zur Datenübertragung untereinander analoge und digitale Schnittstellen auf. Die Datenübertragung wird dabei über die Speiseleitungen der im Wartenbereich angeordneten Stromversorgung vorgenommen. Zur Fernsteuerung und Ferndiagnose dieser Feldgeräte sind auch Bediengeräte in dem sogenannten Wartenbereich vorgesehen, an dessen Sicherheitsbestimmungen regelmäßig geringere Anforderungen gestellt sind.

Die Datenübertragung zwischen den Bediengeräten im Wartenbereich und den Feldgeräten wird durch Überlagerung der bekannten 20 mA-Stromschleifen mit Hilfe der der FSK-Modulation (Frequenz Shift Keying) realisiert. Dabei werden zwei Frequenzen, die den binären Zuständen „0" und „1" zugeordnet sind, rahmenweise analog übertragen.

Die Rahmenbedingungen für das FSK-Signal und die Art der Modulation sind in der „HART Physical Layer Specification Revision 7.1-Final" vom 20.06.1990 (Rosemount Dokument Nr. D8900097; Revision B) beschrieben.

Zur Implementierung des FSK-Interface gemäß dem HART – Protokoll sind speziell für diesen Zweck ausgeprägte ASIC's, wie beispielsweise der HT2012 der Firma SMAR, handelsüblich und gebräuchlich. Nachteilig ist an diesen speziellen Schaltkreisen der unabänderlich feststehende Funktionsumfang und damit einhergehende fehlende Flexibilität zur Anpassung an sich verändernde Anforderungen.

Bekannte neuzeitliche automatisierungstechnische Einrichtungen sind üblicherweise mit einer Verarbeitungseinheit, einem sogenannten Mikrocontroller, ausgestattet, der in Abhängigkeit von der automatisierungstechnischen Aufgabe der betreffenden Funktionseinheit zur bestimmungsgemäßen Datenverarbeitung verwendet wird.

Es wird angestrebt, die Funktionen des FSK-Interface gemäß dem HART – Protokoll in der Steuerung der Verarbeitungseinheit der automatisierungstechnischen Einrichtungen abzubilden, ohne dabei die automatisierungstechnische Aufgabe der betreffenden Funktionseinheit zu beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt daher im einzelnen die Aufgabe zugrunde, eine automatisierungstechnische Einrichtung mit Mitteln zur Umsetzung eines FSK-Signals in einen Daten-Bitstrom mit Hilfe eines für sich bekannten Mikrocontrollers anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht aus von einer automatisierungstechnischen Einrichtung mit einer Verarbeitungseinheit, der mindestens eine Speichereinheit zur Ablage von Instruktionen und Daten zugeordnet ist. An diese Verarbeitungseinheit ist sendeseitig ein Digital-Analog-Umsetzer angeschlossen, dem ein Filter nachgeschaltet ist.

Zur Rekonstruktion des gesendeten Daten-Bitstroms aus dem frequenzumgetasteten Leitungssignal ist ein ereignisgesteuerter Zähler vorgesehen. Bei jedem Nulldurchgang des Leitungssignals wird der Zählerstand des Zählers zwischengespeichert und der Zähler neu gestartet.

Aus dem zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge, der durch den zwischengespeicherten Zählerstand erfasst ist, wird für die abgelaufene Halbwelle die kennzeichnende Frequenz erkannt und der zugehörige Bitwert ausgegeben. Dazu wird bei jedem Nulldurchgang des Leitungssignals eine Unterbrechungsanforderung ausgelöst, in deren Folge die Programmabarbeitung des Mikrocontrollers unterbrochen wird. Nach der Ausgabe des rekonstruierten Datenbit wird die Programmabarbeitung des Mikrocontrollers am Unterbrechungspunkt wieder aufgenommen und fortgesetzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die hierzu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer automatisierungstechnischen Einrichtung
In 1 ist eine automatisierungstechnische Einrichtung 100 in dem Umfange prinzipiell dargestellt, wie sie zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Die automatisierungstechnische Einrichtung 100 ist über eine Kommunikationsleitung 200 mit einer im wesentlichen gleichartigen automatisierungstechnischen Einrichtung 100' verbunden. Die Kommunikationsleitung 200 ist bidirektional beaufschlagt. Die von der automatisierungstechnischen Einrichtung 100 gesendeten Informationen werden von der automatisierungstechnischen Einrichtung 100' empfangen und umgekehrt. Im weiteren wird daher nur auf die detailiert dargestellte automatisierungstechnische Einrichtung 100 Bezug genommen.
Ein Kernbestandteil der automatisierungstechnische Einrichtung 100 ist ein Controller 110, der zumindest mit einem Speicher 150 und einem taktgebenden Element, im weiteren der Einfachheit halber als Taktgenerator 120 bezeichnet, verbunden ist. Üblicherweise sind jedoch Teile des Taktgenerators 120 bereits im Controller 110 implementiert.
Der Controller 110 weist Anschlüsse zum Anschluß einer Datensenke 130 und einer Datenquelle 140 auf.
Als Datenquelle 140 kann ein Sensor zur Umsetzung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe vorgesehen sein, der konfigurierbar und/oder parametrierbar ist. Dabei ist die Konfiguration und/oder Parametrierung die Datensenke 130.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Datensenke 130 ein Aktor zur Umsetzung einer elektrischen Größe in eine physikalische Größe ist, dessen Eigenschaften diagnostizierbar sind. Die hierzu vorgesehene Diagnoseeinrichtung ist dann die Datenquelle 140.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die automatisierungstechnische Einrichtung 100 ein Bestandteil einer übergeordnete Einrichtung ist, die zur bidirektionalen Kommunikation mit weiteren automatisierungstechnischen Einrichtungen 100' ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die übergeordnete Einrichtung sowohl die Datenquelle 140 als auch die Datensenke 130.
In einer weiteren Ausführungsform kann die automatisierungstechnische Einrichtung 100 als sogenannter Protokollumsetzer ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform ist die übergeordnete Einrichtung sind die Datenquelle 140 und die Datensenke 130 durch ein zweites Kommunikationssystem gebildet.
Zur Durchführung der Erfindung ist jedoch das Vorhandensein der Datenquelle 140 bei Fehlen der Datensenke 130 ausreichend.
Darüber hinaus ist an den Controller 110 ein Digital-Analog-Umsetzers 160 angeschlossen, dem ein Filter 170 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Filter 170 ist mit der Kommunikationsleitung 200 verbunden. Ferner ist die Kommunikationsleitung 200 an Eingangsanschlüsse des Controllers 110 geführt, über die eine Aufnahme des Leitungssignals 201 auf der Kommunikationsleitung 200 vorgesehen ist.
Ausgehend von der Kommunikationsleitung 200 weist die automatisierungstechnische Einrichtung empfangsseitig eine Demodulationseinrichtung 180 auf. Die Demodulationseinrichtung 180 besteht im wesentlichen aus einem Nulldurchgangsdetektor zur Erkennung des Nulldurchgangs des Leitungssignals. Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors ist mit einem Interrupteingang des Mikrocontrollers verbunden.
Zur empfängerseitigen Rekonstruktion des gesendeten Daten-Bitstroms aus dem frequenzumgetasteten Leitungssignal ist ein ereignisgesteuerter Zähler vorgesehen.
Bei jedem Nulldurchgang des Leitungssignals wird eine Unterbrechungsanforderung ausgelöst, in deren Folge die Programmabarbeitung des Mikrocontrollers unterbrochen wird. Die Programmabarbeitung des Mikrocontrollers wird darauf hin in eine Interrupt-Behandlungsroutine verzweigt. In dieser Interrupt-Behandlungsroutine wird der aktuelle Zählerstand des Zählers ausgelesen und zwischengespeichert. Sodann wird der Zähler zurückgesetzt und erneut gestartet.
Aus dem zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge, der durch den zwischengespeicherten Zählerstand erfasst ist, wird für die abgelaufene Halbwelle die kennzeichnende Frequenz erkannt und der zugehörige Bitwert ausgegeben. Nach der Ausgabe des rekonstruierten Datenbit wird die Programmabarbeitung des Mikrocontrollers am Unterbrechungspunkt wieder aufgenommen und fortgesetzt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist dem Nulldurchgangsdetektor ein Filter vorgeschaltet. Dadurch werden Störsignale aus dem Leitungssignal entfernt.

100, 100': automatisierungstechnische Einrichtung
110: Controller
120: Taktgenerator
130: Datensenke
140: Datenquelle
150: Speicher
160: Digital-Analog-Umsetzer
170: Filter
180: Demodulationseinrichtung
200: Kommunikationsleitung

Claims

Automatisierungstechnische Einrichtung, bei der eine Mehrzahl räumlich verteilter Funktionseinheiten mittels eines gemeinsamen Übertragungsprotokolls miteinander kommunizieren, mit einem Mikrocontroller, dem mindestens ein Taktgenerator und eine Speichereinheit zugeordnet sind und der mindestens an eine Datensenke angeschlossen ist, die zur Annahme eines empfangenen Daten-Bitstroms ausgebildet ist, und der ein frequenzumgetastetes Leitungssignal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass ein ereignisgesteuerter Zähler vorgesehen ist, – dass bei jedem Nulldurchgang des Leitungssignals der Zählerstand des Zählers zwischengespeichert wird und der Zähler neu gestartet wird, – dass in Abhängigkeit vom zwischengespeicherten Zählerstand ein Datenbit ausgegeben wird und – dass zur Behandlung des Zählers die Programmabarbeitung des Mikrocontrollers durch eine Unterbrechungsanforderung unterbrochen wird.