-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Signalweiterleitung mit
den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Die
serielle Datenübertragung
wird schon seit einiger Zeit im industriellen Umfeld benutzt. Die Bits
der seriellen Datenübertragungen
werden als Signal übertragen,
z. B. als Puls oder Schwingung. Pulse sind digitale Rechteck-Signale und Schwingungen sind
modulierte, also geformte Signale. Die Erzeugung eines digitalen
Signals ist einfacher, ein moduliertes Signal verhält sich
besser auf langen Entfernungen, besonders wenn die Übertragungsleitungen in
Bereiche führen,
die eine erhöhte
Störstrahlung aufweisen.
-
In
weiträumigen
Netzwerken kann es erforderlich sein, die Signale zu verstärken und
neu zu übertragen.
Diese Funktion übernehmen
Repeater. Mit Repeatern ist es möglich,
lange Kabelstrecken zu überbrücken. Ein
Repeater übernimmt
dabei keine regulierende Funktion in einem Netzwerk und kann deshalb
nicht dazu verwendet werden, um ein Netzwerk zu entlasten. Da der
Repeater auf der physikalischen Ebene des OSI-Modells, das heißt auf der Bit-Übertragungsschicht
arbeitet, auf welcher keine Daten mit logischer Struktur, sondern
nur Bits (also nur zwei Zustände:
Strom oder kein Strom) vorhanden sind, werden diese Signale vom
Repeater empfangen, verstärkt
und wahllos weitergegeben. Ein Repeater übernimmt damit keine Filter-
oder Wegfindungsfunktionen und verhält sich völlig transparent. Für ein an
einen Datenbus angeschlossenes Gerät ist daher nicht erkennbar,
ob es an einen Repeater angeschlossen ist oder nicht.
-
Da
Repeater Signale nur einfach weitergeben, können sie nicht zur Strukturierung
von Netzwerken eingesetzt werden. Eine Entlastung von Netzwerkteilen
würde beispielsweise
das Auswerten von Zieladressen der Übertragungsdaten notwendig machen,
damit entschieden werden kann, ob die Zielstation jenseits eines
Repeaters oder diesseits liegt.
-
Wegen
der bitweisen Übertragung
der Daten werden die Signale auf den Leitungen zwar regeneriert,
die verbundenen Netzsegmente des Netzwerks werden aber nicht entkoppelt.
Das heißt,
die durch einen Repeater verbundenen Netzsegmente arbeiten wie ein
einzelner Netzabschnitt. Das bedeutet, dass die Längenbeschränkung für einzelne
Netzsegmente, die sich durch die Dämpfung der Signale auf der Leitung
ergeben, mit Hilfe von Repeatern zwar überwunden werden können, nicht
jedoch die Längenbeschränkungen,
die sich aufgrund der Signallaufzeiten ergeben. Es ist damit nicht
möglich,
beliebig viele Netzsegmente mit Repeatern zu verbinden.
-
Die
auf die OSI-Ebene 1 beschränkte
Arbeitsweise eines Repeaters hat zur Folge, dass die Schichten 2
bis 7 des OSI-Modells unberücksichtigt bleiben.
Dies bedeutet, dass es für
den Repeater keine Rolle spielt, welche Netzwerk-Software auf den über ihm liegenden Schichten
eingesetzt wird. Er ist deshalb universell einsetzbar.
-
Die
Verbindung unterschiedlicher Netzwerktechnologien (z. B. Ethernet,
Token Ring, CAN-Bus, Profi-Bus, etc.) ist mit Repeatern jedoch nicht
möglich.
Sie können
lediglich zur Erweiterung eines Netzwerktypus eingesetzt werden.
So lassen sich z. B. Profi-Bus-Netzwerke (Process-Field-Bus) mit
Hilfe von Repeatern verlängern.
-
Als
leistungsfähige
und schnelle Kommunikationsschnittstelle in den verschiedenen Bereichen, wie
z. B. Profi-Bus und C-Bus, hat sich die RS485-Schnittstelle durchgesetzt. Bis zu einer
Leitungslänge
von 1.200 m kann mit maximal 100.000 Bit/s übertragen werden. Abschlusswiderstände verhindern
Reflektionen, Übersprechen
auf der Busleitung und tragen zusätzlich durch den resultierenden Stromfluss
zur Übertragungssicherheit
bei.
-
Bisher
eingesetzte Repeater mit RS485-Schnittstelle sind also in der Lage,
einen Datenbus um weitere 1.200 m zu verlängern. Allerdings sind für die bisher
eingesetzten Repeater immer zwei separate Kopplermodule notwendig.
Ein solcher Teil eines Repeaters wird auch Half-Repeater genannt. Diese
Half-Repeater oder Kopplermodule sind über den Inter-Repeater-Link
(IRL) miteinander verbunden und bilden als Einheit funktional einen
Repeater. Die beiden Half-Repeater erfüllen zusammen mit dem Inter-Repeater-Link oder
auch Linksegment genannt die komplette Repeaterfunktionalität.
-
Der
IRL kann über
metallische Leitungen realisiert werden oder auch mittels optischer Übertragungstechnik.
Bei metallischen Leitungen ergibt sich das Problem, dass die eingehenden
Signale beim Profibus frequenzmoduliert eingehen, insbesondere durch
das Verfahren der Frequenzumtastung, auch Frequency-Shift-Keying
(FSK) genannt. Das Signal wird von einem Kopplermodul empfangen
und auf das Schnittstellenformat RS485 umgewandelt. Anschließend erfolgt
die Verstärkung
und Weiterleitung über
die RS485-Schnittstelle
an das korrespondierende Koppelmodul. Dort müssen die Signale wieder in
das FSK-Format umgewandelt werden. Diese doppelte Umwandlung resultiert
in langen Verzögerungszeiten
bei der Signalweiterleitung und begrenzt verfahrensbedingt die Anzahl
der Repeater, die maximal hintereinander geschaltet werden können. Bei
den zur Zeit eingesetzten Repeatern ist deshalb nur eine Hintereinanderschaltung
von maximal drei Repeatern möglich.
Da die Reichweite eines einzelnen Repeaters auf eine Kabellänge von
etwa 5 km beschränkt
ist, ergibt sich daraus eine maximale Kabellänge von 20 km. Diese Entfernungen
reichen gerade im untertägigen
Bereich nicht immer aus.
-
Zum
Stand der Technik ist die
GB
2 015 278 A betreffend einen nicht eigensicheren Repeater
zu nennen, welcher zwischen Netzwerksegmenten eines Kommunikationsnetzes
angeordnet wird und in einem Funknetzwerk zum Einsatz kommt.
-
Aus
der
DE 198 41 198
A1 ist eine Bedien- und Anzeigeeinheit für Automatisierungssysteme
im untertätigen
Berg- und Tunnelbau bekannt. Es kommt ein FSK-Modem zum Einsatz.
Zudem wird ein Bussystem aus Profibus-Segmenten beschrieben, die
durch Repeater verbunden sind.
-
Ein
Sensor-Aktor-Bussystem ist Gegenstand der
DE 196 39 352 A1 . Teilleitungen
des Bussystems sind durch Repeater verbunden, wobei zwei Datenentkopplungen
zusammen mit einem Repeater in hoher Schutzart getrennt von der
Spannungsquelle aufgebaut sind. Die zum Betrieb notwendige Netzspannung
wird somit von einem externen Netzteil bereitgestellt.
-
In
der
DE 199 22 467
A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen
von Spannungsquelle und Datenentkopplung bei einem AS-Interface
beschrieben. Es erfolgt eine galvanische Entkopplung.
-
Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur Signalweiterleitung bereitzustellen, mit der maximale Kabellängen von
mehr als 20 km überbrückt werden
können, ohne
dass es zu einem nennenswerten Anstieg der Verzögerungszeiten kommt.
-
Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
-
Hiernach
ist eine Vorrichtung zur Signalweiterleitung zwischen Netzwerksegmenten
eines Kommunikationsnetzwerkes angeordnet, die frequenzmodulierte
elektrische Signale von einem ersten Netzwerksegment an ein weiteres
Netzwerksegment verstärkt weiterleitet,
wobei die Signale von einem Sende-/Empfangsmodul empfangen und versendet werden.
Hierbei ist ein erstes Sende-/Empfangsmodul vorgesehen, das über ein
Logikmodul mit einem zweiten Sende-/Empfangsmodul verbunden ist.
Die Sende-/Empfangsmodule
und das Logikmodul sind in einer eigensicheren Vorrichtungseinheit
zusammengefasst. Durch die Zusammenfassung der einzelnen Bestandteile
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
Verzögerungen
auf ein Minimum reduziert werden. Diese Reduzierung der Verzögerungszeiten
eröffnet
die Möglichkeit,
mehrere Vorrichtungen zur Signalweiterleitung hintereinander zu
schalten, ohne dass es zu Störungen
in der Anwendungsschicht aufgrund langer Signallaufzeiten kommt.
Mit der Erfindung ist es möglich,
mehr als drei Vorrichtungen hintereinander zu schalten, wodurch
eine Reichweite wesentlich größer als
20 km möglich
ist. Gleichzeitig ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Reduzierung
der Verzögerungszeiten
um bis zu einem Faktor 100 realisierbar. Dies ist möglich, weil eine
Umwandlung der frequenzmodulierten Signale durch den Einsatz des
Logikmoduls innerhalb der Vorrichtung nicht stattfindet. Bei bekannten
Repeatern findet in jedem Half-Repeater eine Demodulation, also
eine Decodierung des frequenzmodulierten Signals statt, um es über eine
RS485-Schnittstelle an einen weiteren Repeater zu senden, in welchem
das Signal wiederum moduliert werden muss. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird das Signal hingegen ohne mehrfache Codierung und Decodierung empfangen,
bereinigt, verstärkt
und anschließend weitergeleitet.
-
Ein
weiterer Vorteil ist, dass bei der Erfindung nicht zwei separate
Koppelmodule erforderlich sind, die über eine RS485-Schnittstelle
miteinander in Verbindung stehen, sondern die dem jeweiligen Netzwerksegment
zugeordneten Sende-/Empfangsmodule unmittelbar in einer Vorrichtungseinheit
zusammengefasst sind. Die gesamte Technik kann daher in einem kompakten
Gerät untergebracht
sein. Die Verwendung stromsparender Bauteile reduziert die Gesamtleistungsaufnahme
der Vorrichtung auf ein Minimum.
-
Die
erfindungsgemäße eigensichere
Vorrichtung eignet sich daher besonders für den Einsatz unter Tage.
-
Insbesondere
im untertägigen
Bereich ist als serielles Datenübertragungsmittel
ein Kommunikationsbus wie z. B. der Profi-Bus (Process-Field-Bus) besonders
geeignet. Der Profi-Bus ist ein herstellerunabhängiger, offener Feldbus-Standard
für umfassende
Anwendungen in der Steuerungs-, Fertigungs-, Prozess- und Gebäudeautomation
(EN 50170). Mit dem Profi-Bus ist eine Kommunikation von Aktoren/Sensoren
untereinander als auch der Datenaustausch zu der nächsten Informationsebene, beispielsweise
der Steuerungsebene möglich.
-
Im
untertägigen
Bereich sind eine Reihe von eigensicheren elektrischen Geräten mit
Netzteilen vorhanden. Aufgrund der geringen Gesamtleistungsaufnahme
der erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann
die notwendige Netzspannung zum Betrieb der Vorrichtung von diesen
externen Netzteilen genutzt werden.
-
Vorteilhaft
ist nach Anspruch 2 vorgesehen, dass innerhalb der Vorrichtung eine
galvanische Trennung der Sende-/Empfangsmodule angeordnet ist. Die
galvanische Trennung kann hierbei durch eine Spannungsübertragung über einen
Luftspalt erfolgen.
-
Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines in einer schematischen Zeichnung
dargestellten Beispiels näher
erläutert.
-
Mit 1 ist
eine Vorrichtung zur Signalweiterleitung, ein sogenannter Repeater,
bezeichnet. Die Vorrichtung 1 verbindet ein durch zwei
Drähte
dargestelltes erstes Netzwerksegment 2 mit einem zweiten Netzwerksegment 3.
Die Netzwerksegmente 2, 3 sind Bestandteile eines
als Profi-Bus-Netzwerks realisierten Kommunikationsnetzwerkes.
-
Die
Vorrichtung 1 zur Signalweiterleitung kann Signale sowohl
vom ersten Netzwerksegment 2 zum zweiten Netzwerksegment 3 als
auch umgekehrt weiterleiten. Sie umfasst hierzu im wesentlichen
drei Baugruppen. Jedem Netzwerksegment 2, 3 ist
ein Sende-/Empfangsmodul 4, 5 zugeordnet. Wird ein
Signal aus dem ersten Netzwerksegment 2 frequenzmoduliert,
insbesondere als FSK-Signal, der Sende-/Empfangseinheit 4 zugeführt, findet
in der Sende-/Empfangseinheit eine galvanische Trennung von den übrigen Modulen
der Vorrichtung 1 statt. Das Signal wird anschließend einem
Logikmodul 6 zugeführt,
in welchem das empfangene Signal bereinigt und die Signalform aufbereitet
wird. Das bereinigte frequenzmodulierte Signal wird dann in nicht
näher dargestellter
Weise durch ein in der Vorrichtung angeordnetes Verstärkermodul
verstärkt
und dem Sende-/Empfangsmodul 5 zugeführt. Dieses Sende-/Empfangsmodul 5 ist
wiederum galvanisch von den übrigen
Modulen der Vorrichtung 1 getrennt. Das Sende-/Empfangsmodul 5 leitet
das bereinigte und verstärkte
Signal in das zweite Netzwerksegment 3 weiter.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- erstes
Netzwerksegment
- 3
- zweites
Netzwerksegment
- 4
- Sende-/Empfangsmodul
- 5
- Sende-/Empfangsmodul
- 6
- Logikmodul