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Die Erfindung betrifft einen Prozessdatenrechner.
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Prozessdatenrechner kommen überall dort zum Einsatz, wo große Mengen digitaler und/oder analoger Signale zur Weiterverarbeitung in übergeordneten Überwachungs- und Steuerungssystemen gesammelt und aufbereitet werden. Beispielsweise werden Prozessdatenrechner in Leitwarten der chemischen Prozesstechnik oder der Energietechnik, insbesondere in Kraftwerken eingesetzt.
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Prozessdatenrechner werden im Allgemeinen in einem oder mehreren Rahmen eines 19''-Racks aufgebaut. Jeder Rahmen weist in einer Busplatte, die im Rack zugleich die Rückwand des Prozessdatenrechners bildet, mehrere Steckplätze für I/O-Baugruppen und die Recheneinheit auf. An der Vorderseite des Rahmens weisen die I/O-Baugruppen und die Recheneinheit jeweils eine Frontplatte mit den Signalanschlüssen für die Signalkabel und gegebenen Falls mit einfachen Anzeigeelementen zum Betriebszustand der jeweiligen Baugruppe auf.
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Während die Verkabelung der I/O-Baugruppen und der Recheneinheit der bekannten Prozessdatenrechner mit den jeweiligen Messeinrichtungen und den übergeordneten Systemen – abgesehen von Alterungsvorgängen – keinem nennenswerten Verschleiß unterliegt, sind die elektronischen Bauelemente fehleranfälliger und müssen daher häufiger – teilweise auch in geplanten Wartungsintervallen – ausgetauscht werden. Hierzu werden zunächst die Signalkabel von den Signalanschlüssen der betroffenen I/O-Baugruppen und beispielsweise Netzwerkkabel von den betroffenen Recheneinheiten getrennt, die jeweiligen Baugruppen entfernt, durch entsprechende neue oder überholte Baugruppen ersetzt und die Signalkabel an den Signalanschlüssen der ersetzten Baugruppen wieder angeschlossen.
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Dieser Vorgang belastet nicht nur physisch das Material der Verkabelung und der Anschlüsse, sondern er ist auch – bei bis zu mehreren Dutzend Kabeln je Prozessdatenrechner – fehlerträchtig und erfordert daher gerade im Kraftwerksbereich eine penible Kontrolle.
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DE 101 35 980 C1 offenbart einen Prozessdatenrechner für einen explosionsgefährdeten Bereich mit einer außerhalb dieses Bereichs angeordneten Recheneinheit.
DE 297 16 575 U1 offenbart ein feldbusgesteuertes Automatisierungsgerät.
DE 196 10 559 A1 offenbart eine speicherprogrammierbare Steuerung mit einem in eine Montageschiene integrierten Datenbus.
DE 43 23 440 A1 offenbart eine weitere speicherprogrammierbare Steuerung.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Austausch von Baugruppen des Prozessdatenrechners zu vereinfachen.
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Lösung
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Ausgehend von den bekannten Prozessdatenrechnern wird nach der Erfindung ein Prozessdatenrechner vorgeschlagen mit I/O-Baugruppen zur Bestimmung von Prozessdaten aus Prozesssignalen, einem digitalen Datenbus für die Prozessdaten und mit einer Recheneinheit, mittels derer die Prozessdaten auswertbar und zur Weiterverarbeitung an ein übergeordnetes System übermittelbar sind, wobei der Datenbus in einer Busplatte geführt ist, die auf einer Vorderseite Steckplätze aufweist und wobei die I/O-Baugruppen in jeweils einen der Steckplätze gesteckt und dadurch mit dem Datenbus verbunden sind, und mit Signalleitungen für die Prozesssignale, die jede der I/O-Baugruppen mit mindestens einem Signalanschluss für ein Signalkabel verbinden und in der Busplatte ausgehend von den Steckplätzen zu den Signalanschlüssen verlaufen, wobei die Recheneinheit in einen der Steckplätze gesteckt und dadurch mit dem Datenbus verbunden ist und Adapterplätze auf der Busplatte angeordnet sind, wobei die Signalleitungen jeden Adapterplatz mit jeweils genau einer der I/O-Baugruppen verbinden und wobei in jeden der Adapterplätze jeweils ein Signalwandler steckbar ist, der den Signalanschluss aufweist und mittels dessen ein Signal, das jeweils in einer Messeinrichtung generiert und durch das Signalkabel über den Signalanschluss an den Signalwandler übermittelt wird, in ein Prozesssignal für die mit dem Adapterplatz verbundene I/O-Baugruppe wandelbar ist. Indem die Signalleitungen der I/O-Baugruppen des erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners durch die Steckplätze und durch die Busplatte geführt werden, sind die Signalanschlüsse, an denen die Signalleitungen mit den jeweiligen I/O-Baugruppen verbunden werden, von diesen I/O-Baugruppen getrennt. Zum Austausch von I/O-Baugruppen müssen daher die Signalleitungen nicht von den jeweiligen Signalanschlüssen getrennt werden: Die I/O-Baugruppen des erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners müssen lediglich aus den jeweiligen Steckplätzen entnommen und durch entsprechend neue oder überholte I/O-Baugruppen ersetzt werden. Ebenso wie die Signalleitungen der I/O-Baugruppen können auch Anschlussleitungen der Recheneinheit – beispielsweise für eine Netzwerkverkabelung – durch den Steckplatz der Recheneinheit und durch die Busplatte geführt sein.
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Vorzugsweise verlaufen in einem erfindungsgemäßen Prozessdatenrechner die Signalleitungen durch die Busplatte zu einer der Vorderseite abgewandten Rückseite der Busplatte. Die Signalkabel werden dann besonders übersichtlich an der – im Stand der Technik ungenutzten – Rückseite der Busplatte angeschlossen. In einem solchen erfindungsgemäßen Prozessdatenrechner verlaufen die Signalleitungen in der Busplatte quer zu den Datenleitungen des Datenbusses.
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Alternativ können die Signalleitungen ausgehend von den Steckplätzen auch wieder zu der Vorderseite der Busplatte geführt sein. Die Busplatte eines solchen alternativen erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners muss dann zwischen den I/O-Baugruppen oder am oberen, unteren oder seitlichen Rand einen Anschluss der Signalkabel ermöglichen. Ein solcher alternativer erfindungsgemäßer Prozessdatenrechner weist zwar gegenüber Nutzung der Rückseite eine entsprechend größere Bauhöhe oder -breite auf, ermöglicht aber den Einsatz in Anwendungsfällen, in denen diese Rückseite nicht zugänglich ist.
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Bevorzugt enthält in einem erfindungsgemäßen Prozessdatenrechner jeder der Steckplätze in einem mehrpoligen Stecker den Datenbus und die Signalleitungen der jeweiligen I/O-Baugruppe oder der Recheneinheit. Der Anschluss der I/O-Baugruppen eines solchen erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners ist damit besonders einfach. Beispielsweise kann ein 96-poliger Stecker nach DIN 41 612 zum Einsatz kommen, wobei 32 Pins für den Datenbus und 64 Pins für die Signalleitungen verwendet werden.
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Alternativ können auch der Datenbus und die Signalleitungen einer I/O-Baugruppe in einem erfindungsgemäßen Prozessdatenrechner in getrennten Steckern geführt sein. Eine solche Trennung der Stecker kann die grundsätzlich notwendige galvanische Trennung des Datenbusses von den Signalleitungen beispielsweise bei störanfälligen Signalen oder bei großen Spannungsdifferenzen erleichtern.
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Der erfindungsgemäße Prozessdatenrechner weist Adapterplätze auf der Busplatte auf, wobei die Signalleitungen jeden Adapterplatz mit jeweils genau einer der I/O-Baugruppen verbinden und wobei in jeden der Adapterplätze jeweils ein Signalwandler steckbar ist, mittels dessen ein Signal, das jeweils in einer Messeinrichtung generiert und durch eines der Signalkabel über einen der Signalanschlüsse an den Signalwandler übermittelt wird, in ein Prozesssignal für die mit dem Adapterplatz verbundene I/O-Baugruppe wandelbar ist.
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Der Einsatz von getrennten Signalwandlern ermöglicht die Verwendung standardisierter I/O-Baugruppen für ähnliche Signaltypen unterschiedlicher Herkunft. Insbesondere können lediglich vier verschiedenen standardisierten I/O-Baugruppen – für digitale und für analoge Signale, für Geräusche (MP3-Signale) und für transiente Signale – alle in der Praxis auftretenden Signale unabhängig von Intensität, Amplitude, Frequenz und bei Austausch von Komponenten auch unabhängig von den an den Signalkabeln vorhandenen Anschlusssteckern verarbeiten.
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Die Signalwandler sind in der Regel einfache – und daher preisgünstig sehr variabel herstellbare – elektronische Baugruppen, die die Signalleitungen eines vorgegebenen Signalanschlusses auf die Pins im Adapterplatz geeignet verteilen, eingehende Signale verstärken oder filtern und den Spannungs- oder Strombereich des Signals in einer vorgegebenen Weise ändern. Die hochkomplexen I/O-Baugruppen eines solchen erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners können dagegen durch die Reduzierung auf nur vier Varianten preisgünstig in hohen Stückzahlen in automatisierten Fertigungssystemen hergestellt werden.
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Ein solcher erfindungsgemäßer Prozessdatenrechner lässt sich durch den Einsatz spezifischer Signalwandler besonders einfach für den planmäßigen Austausch verschiedener Systeme mit jeweils (hersteller-)spezifischen Signalanschlüssen konfigurieren.
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Bevorzugt weist in einem erfindungsgemäßen Prozessdatenrechner mindestens eine der I/O-Baugruppen und/oder die Recheneinheit eine gegenüber der Busplatte angeordnete Frontplatte auf. Eine solche Frontplatte ermöglicht die Anbringung sowohl von Statusanzeigen – beispielsweise in Form von Leuchtdioden – als auch von Beschriftungen. Die Frontplatten benachbarter I/O-Baugruppen und/oder der Recheneinheit können die ansonsten offene Rückseite des erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners verschließen und vor dem Eindringen von Fremdkörpern oder Schmutz schützen.
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Ein erfindungsgemäßer Prozessdatenrechner ist zum Einsatz überall dort geeignet, wo große Mengen digitaler und/oder analoger Signale zur Weiterverarbeitung in übergeordneten Überwachungs- und Steuerungssystemen gesammelt und aufbereitet werden, beispielsweise in einer Leitwarte der chemischen Prozesstechnik oder der Energietechnik, insbesondere in Kraftwerken oder in der Simulation einer solchen Leitwarte. Zusätzlich zu der reinen Prozessdatenerfassung im Steuerungsbetrieb dienen die I/O-Baugruppen eines Prozessdatenrechners in der Simulation auch zur Ausgabe von Prozessdaten, beispielsweise zur Ansteuerung von Anzeigeelementen.
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Ein erfindungsgemäßer Prozessdatenrechner wird vorzugsweise in einem oder mehreren Rahmen eines 19''-Racks aufgebaut, wobei jeder Rahmen typischer Weise bis zu 16 Steckplätze für I/O-Baugruppen aufweist.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen
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1 einen erfindungsgemäßen Prozessdatenrechner,
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2 eine erste Detailansicht des erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners und
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3 eine zweite Detailansicht des erfindungsgemäßen Prozessdatenrechners.
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Das in 1 und im Detail in den 2 und 3 gezeigte erfindungsgemäße Prozessdatenrechner 1 weist in einem Rahmen 2 eines nicht dargestellten 19''-Racks 5 I/O-Baugruppen 3 und eine Recheneinheit 4 auf. Die I/O-Baugruppen 3 und die Recheneinheit 4 sind in jeweils einen von 16 Steckplätzen 5 auf der Vorderseite 6 einer Busplatte 7 eingesteckt. Die übrigen Steckplätze 5 des Rahmens 2 sind in diesem Prozessdatenrechner 1 nicht belegt. Auf der Rückseite 8 weist die Busplatte 7 16 Adapterplätze 9 auf, in die für jede der I/O-Baugruppen 3 und für die Recheneinheit 4 jeweils ein Signalwandler 10 eingesetzt ist. Die Signalwandler 10 weisen jeweils einen Signalanschluss 11 auf, in den jeweils ein Signalkabel 12 eingesteckt ist.
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Die Signalwandler 10 nehmen von nicht dargestellten Messeinrichtungen generierte Signale über die Signalkabel 12 auf und wandeln diese in unterschiedlicher Weise in für die jeweils angeschlossene I/O-Baugruppe 3 lesbare Prozesssignale: Eine der Messeinrichtungen ist ein Relais-Ausgang mit 60 V Gleichspannung und eine weitere Messeinrichtung ein Türschalter mit 24 V Gleichspannung sein. Die Signalwandler 10 setzen die von diesen Messeinrichtungen eingehenden Signale auf eine für die jeweils angeschlossene I/O-Baugruppe 3 normierte Eingangsspannung um.
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Der Adapterplatz 9 eines jeden Signalwandlers 10 auf der Rückseite 8 der Busplatte 7 ist über 32 nicht dargestellte Signalleitungen unmittelbar mit dem auf der Vorderseite 6 der Busplatte 7 unmittelbar gegenüber angeordneten Steckplatz 5 der zugeordneten I/O-Baugruppe 3 verbunden. Die Adapterplätze 9 und die Steckplätze 5 sind jeweils als 96-polige Stecker 13 nach DIN 41 612 ausgeführt. In den Adapterplätzen 9 sind 32 Pins dieser Buchsen nicht belegt.
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Die I/O-Baugruppen 3 des Prozessdatenrechners 1 bestimmen in unterschiedlicher Weise Prozessdaten aus den Prozesssignalen, die ihnen über die Signalwandler 10 übermittelt werden: Beispielsweise werden digitale Prozesssignale durch Optokoppler mit hoher Spannungsfestigkeit in die für den Prozessdatenrechner 1 verarbeitbare Signalspannung umgesetzt. Entsprechend werden analoge Prozesssignale über Spannungs-Frequenzwandler und Optokoppler galvanisch entkoppelt und über geeignete Bauteile in für den Prozessdatenrechner 1 verarbeitbare numerische Werte gewandelt.
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Jede I/O-Baugruppe 3 ist über 32 Pins ihres Steckplatzes 5 und einen in der Busplatte 7 verlaufenden Datenbus 14 mit der Recheneinheit 4 verbunden und übermittelt dieser im 1 ms-Takt des Prozessdatenrechners 1 die ermittelten Prozessdaten.
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Die Recheneinheit 4 ermittelt die Änderungen der Prozessdaten gegenüber dem jeweils zuletzt empfangenen, in der Recheneinheit 4 zwischengespeicherten Stand und übermittelt die Änderungen in einer Änderungsmeldung über eine TCP/IP LAN-Buchse 15 an ein nicht dargestelltes übergeordnetes System, hier beispielhaft an ein Dokumentationssystem in einem Kraftwerk. Die Recheneinheit 4 übermittelt in jeder Änderungsmeldung mit der Änderung einen individuellen Zeitstempel, damit das übergeordnete System die zeitliche Reihenfolge der Änderungsmeldungen auch bei räumlich getrennten Systemen folgerichtig einsortieren kann.
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Die I/O-Baugruppen 3 und die Recheneinheit 4 weisen am der Busplatte 7 gegenüber liegenden Ende 16 jeweils eine Frontplatte 17 auf, in der nach außen sichtbare Leuchtdioden 18 und eine Beschriftung 19 angebracht sind. Die nicht belegten Steckplätze 5 des Rahmens 2 werden durch nicht dargestellte Blindplatten derart abgedeckt, dass die Frontplatten 17 und die Blindplatten den Rahmen vollständig verschließen.
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In den Rahmen 2 ist als weitere Baugruppe ein Zeitgeber 20, ein DCF77-Funkempfänger zur Synchronisation des Prozessdatenrechners 1 mit dem übergeordneten System eingesteckt. Zuletzt enthält der Rahmen 2 ein Netzteil 21 für die Spannungsversorgung der Recheneinheit 4 und der I/O-Baugruppen 3. Das Netzteil 21 wandelt die im Kraftwerksbereich übliche Netzspannung von 230 V auf die Betriebsspannung der Recheneinheit 4 und der I/O-Baugruppen 3 von 5 V.
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Für Anwendungsfälle in Stell- und Betriebswerken der Bahn kommen Netzteile für eine Netzspannung von 60 V, in Sicherheitsbereichen für eine Netzspannung von 24 V zum Einsatz. Alternativ kann der Prozessdatenrechner 1 auch über ein separates Netzteil mit Spannung versorgt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prozessdatenrechner
- 2
- Rahmen
- 3
- I/O-Baugruppe
- 4
- Recheneinheit
- 5
- Steckplatz
- 6
- Vorderseite
- 7
- Busplatte
- 8
- Rückseite
- 9
- Adapterplatz
- 10
- Signalwandler
- 11
- Signalanschluss
- 12
- Signalkabel
- 13
- Stecker
- 14
- Datenbus
- 15
- TCP/IP LAN-Buchse
- 16
- Ende
- 17
- Frontplatte
- 18
- Leuchtdiode
- 19
- Beschriftung
- 20
- Zeitgeber
- 21
- Netzteil
