-
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 Daten-Bitstroms in ein FSK-Signals 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 ein Digital-Analog-Umsetzer
angeschlossen, dem ein Filter nachgeschaltet ist.
-
In
der Speichereinheit ist eine Tabelle abgelegt. Diese Tabelle umfasst
eine vorgebbare Anzahl von Abtastwerten eines trapezförmigen Zeitverlaufs.
-
Vorteilhafterweise
kommt die FSK-Signalerzeugung über
einen trapezförmigen
Zeitverlauf der Abtastwerte mit einer geringeren Auflösung aus
als eine solche, der ein sinusförmiger
Zeitverlauf der Abtastwerte zugrunde liegt. Damit sinken die Anforderungen
an den Digital-Analog-Umsetzer; es genügt vielmehr eine einfachere
Ausführung.
Darüber
hinaus werden damit weniger Ein-/Ausgabeleitungen der Verarbeitungseinheit
zur Ausgabe der Abtastwerte benötigt,
so dass mehr Ein-/Ausgabeleitungen
für andere,
insbesondere automatisierungstechnische Aufgaben zur Verfügung stehen.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Die
hierzu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
Prinzipdarstellung einer automatisierungstechnischen Einrichtung
-
2 eine
schematische Darstellung zur Umsetzung eines Daten-Bitstroms in
ein FSK-Signal
-
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 auf der Kommunikationsleitung 200 vorgesehen
ist.
-
Im
folgenden wird die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert. Dazu zeigt 2 unter
Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ein Wirkschaltbild
zur Umsetzung eines Daten-Bitstroms in ein FSK-Signal in schematischer
Darstellung.
-
Im
Speicher 150 ist eine Tabelle 151 mit einer vorgebbaren
Anzahl von Abtastwerten eines trapezförmigen Zeitverlaufs abgelegt.
Im einzelnen ist vorgesehen, für
den trapezförmigen
Zeitverlauf genau 4 Abtastwerte vorzusehen.
-
Dieselben
Abtastwerte werden in Abgängigkeit
vom Daten-Bitstrom der in der Datenquelle 140 bereitgehaltenen
Sendedaten 141 aufeinanderfolgend aus der Tabelle 151 ausgelesen
und dem Daten-Bitstrom entsprechend schneller oder langsamer ausgegeben.
Dazu werden aus einem Takt 121 mit einem ersten Teiler 112 eine
erste Taktfrequenz und mit einem zweiten Teiler 113 eine
von der ersten verschiedene, zweite Taktfrequenz abgeleitet. Der
Takt 121 wird vorzugsweise vom Taktgenerator 120 des Controllers 110 bereitgestellt.
Die Funktionen des ersten und des zweiten Teilers 112 und 113 sind durch
den Controller 110 abgebildet.
-
Bei
ausgewählten
4 Stützstellen
gelingt es bereits mit ausreichender Reproduzierbarkeit, den Phasenfehler
unabhängig
vom Umschaltzeitpunkt innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten.
-
In
Abgängigkeit
vom Daten-Bitstrom wird der Ausgabetakt für die Ausgabe der Abtastwerte – symbolisiert
durch den Schalter 114 – zur Ausgabe einer logischen
Eins beziehungsweise zur Ausgabe einer logischen Null zwischen der
ersten Taktfrequenz und der zweiten Taktfrequenz umgeschaltet. Der
Schalter 114 ist durch eine Programmfunktion des Controller 110 gebildet.
-
Die
Abtastwerte werden mit Hilfe des Digital-Analog-Umsetzers 160 in
ein analoges, weitgehend sinusförmiges
Signal umgeformt, dessen Kurvenform in dem nachgeschalteten Filter 170 optimiert wird.
Das Filter 170 ist als Tiefpass zweiter Ordnung ausgeführt. Am
Ausgang des Filters 170 ist das FSK-Signal 201 abgreifbar.
-
Vorteilhafterweise
bleibt der Phasenfehler durch den Frequenzwechsel von einem Abtastwert auf
den unmittelbar folgenden Abtastwert gering.
-
In
besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist der Digital-Analog-Umsetzer 160 vom
geschalteten Typ pusweitenmodulierter Digital-Analog-Umsetzer. Dazu
ist der Ausgabetakt für
die Ausgabe der Abtastwerte an den Digital-Analog-Umsetzer 160 herangeführt.
-
Vorteilhafterweise
ist der Energiebedarf eines solchen Umsetzers besonders gering,
was der Verwendung in ferngespeisten Feldgeräten entgegen kommt.
-
- 100,
100'
- automatisierungstechnische
Einrichtung
- 110
- Controller
- 112,
113
- Teiler
- 114
- Schalter
- 120
- Taktgenerator
- 121
- Takt
- 130
- Datensenke
- 140
- Datenquelle
- 141
- Sendedaten
- 150
- Speicher
- 151
- Tabelle
- 160
- Digital-Analog-Umsetzer
- 170
- Filter
- 200
- Kommunikationsleitung
- 201
- FSK-Signal