-
Die Erfindung betrifft eine Gefahrenmeldeanlage mit einer Zentrale, an die der Anfang und das Ende eines zweiadrigen Feldbusses zur Stromversorgung von und zur bidirektionalen Kommunikation mit Teilnehmern angeschlossen ist, die örtlich beabstandet und elektrisch parallel zwischen den Adern des Feldbusses liegen.
-
Bei der Zentrale kann es sich im Fall größerer, hierarchisch gegliederter Gefahrenmeldeanlagen auch um eine Unterzentrale oder einen Koppler handeln. Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit ist der Feldbus, der eine Länge von erheblich über 1 km haben kann, ringförmig zu der Zentrale zurückgeführt. Die an den Feldbus angeschlossenen Teilnehmer können sowohl Sensoren, z. B. Brand- oder Einbruchmelder als auch Aktoren, z. B. Warnleuchten, sein. Im Normalbetrieb erfolgen die Speisung und Kommunikation des Feldbusses bzw. der an diesen angeschlossene Teilnehmer über den Anfang des Feldbusses, der an seinem zur Zentrale zurückgeführten Ende ein Abschlussglied z. B. in Form eines Widerstandes oder eines aktiven Moduls hat, das eine Prüfung der Zweidrahtleitung insbesondere auf Kurzschluss oder Unterbrechung ermöglicht.
-
Beide Zustände können abrupt oder schleichend eintreten und werden im Folgenden kurz als Fehler bezeichnet. Es sind Verfahren bekannt, die in einem solchen Fehlerfall den Fehlerort lokalisieren und isolieren. Hierzu ist der Feldbus in jedem Teilnehmer über zwei schaltbare, in Serie liegende Leitungstrenner geführt, die die Zentrale bei einem Fehler im Bereich des Feldbusses oder eines Teilnehmers zunächst öffnet und anschließend, sowohl vom Anfang als auch vom Ende des Feldbusses beginnend, nacheinander bis zu den jeweils letzten Teilnehmern beidseits des Fehlerortes wieder schließt. Wenn der Fehler ein Kurzschluss ist, bleiben jedoch mindestens die auf der Seite des Fehlerortes liegenden Leitungstrenner der jeweils letzten Teilnehmer geöffnet. Anschließend wird der Feldbus nicht mehr im Ring sondern in Form von zwei Stichleitungen vom physikalischen Anfang und vom physikalischen Ende aus bis zum Fehlerort betrieben und die Gefahrenüberwachung fortgesetzt.
-
Diesseits wurde eine Gefahrenmeldeanlage entwickelt, bei der an den Feldbus auch Teilnehmer wie Videokameras, Mikrophone und Lautsprecher angeschlossen sein können, die eine hohe Datenübertragungsrate erfordern. Deshalb kommuniziert die Zentrale mit diesen Teilnehmern mit einer zweiten Datenübertragungsgeschwindigkeit, die höher als eine erste Datenübertragungsgeschwindigkeit für die gegebenenfalls priorisierte Kommunikation zwischen der Zentrale und z. B. den Meldern ist. Die Daten können von der Zentrale zu den Teilnehmern z. B. durch AMI- oder NRZ-Spannungsmodulation und in der umgekehrten Richtung durch entsprechende Strommodulation übertragen werden.
-
Im Folgenden werden die erste Datenübertragungsgeschwindigkeit als Low Speed Mode (LS-Betrieb) und die entsprechenden Teilnehmer als LS-Teilnehmer, die zweite, höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit als High Speed Mode (HS-Betrieb) und die entsprechenden Teilnehmer als HS-Teilnehmer bezeichnet.
-
In dem oben genannten Fehlerfall schaltet die Zentrale das Abschlussglied ab um den Feldbus auch von dessen Ende her betreiben zu können. Ohne Abschlussglied ist zumindest im HS-Betrieb eine zuverlässige Kommunikation mit den Teilnehmern über die Stichleitungen nicht mehr gewährleistet, weil die Reflexionen der Signale die von den Teilnehmern empfangenen und gesendeten Signale bzw. Datenpakete so stark beeinträchtigen können, dass eine korrekte Dekodierung nicht mehr möglich ist.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Gefahrenmeldeanlage zu schaffen, bei der auch im Fehlerfall eine sichere Kommunikation zwischen der Zentrale und mindestens einigen der verbleibenden funktionsfähigen Teilnehmern gewährleistet ist.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest einige der Teilnehmer zwischen den beiden Adern des Feldbusses zumindest ein schaltbares Abschlussglied haben, das im normalen Betrieb abgeschaltet und im Fehlerfall einschaltbar ist.
-
Im Fehlerfall wird das Abschlussglied des jeweils letzten damit ausgestatteten Teilnehmers am Ende der durch Isolation des Fehlerortes entstandenen beiden Stichleitungen angeschaltet. Weil der jeweils letzte physikalische Teilnehmer sowohl ein HS- als auch ein LS-Teilnehmer sein kann, sind vorzugsweise alle Teilnehmer mit einem derartigen Abschlussglied ausgestattet. Dadurch kann gegebenenfalls auch die Kommunikation im LS-Betrieb verbessert werden.
-
Vorzugsweise ist das Abschlussglied ein RC-Glied, weil der Feldbus dann nur wechselspannungsmäßig belastet wird, also in dem Abschlussglied ein Stromfluss nur während der Signalflanken entsteht.
-
Zweckmäßig ist das Abschlussglied mittels eines Halbleiterschalters an- und abschaltbar. Grundsätzlich ist zwar das An- und Abschalten auch mittels eines Schaltkontaktes eines in den jeweiligen Teilnehmer integrierten Kleinstrelais möglich. Diese Variante ist jedoch in der Regel kostenmäßig und bezüglich des Platzbedarfes ungünstiger.
-
Der Halbleiterschalter kann ein Bipolartransistor mit einer antiparallel zu dessen Emitter/Kollektor-Strecke liegenden Diode sein. Die Diode ist notwendig, damit sich der Kondensator des RC-Gliedes im Takt der Kommunikationspulse nicht nur laden sondern auch wieder entladen kann.
-
Stattdessen kann als Halbleiterschalter ein FET eingesetzt werden. Dessen parasitäre oder Substratdiode übernimmt die Funktion der gesonderten Diode im Fall eines Bipolartransistors. Alternativ kann auch ein Doppel-FET (zwei in Serie liegende FETs) verwendet werden.
-
Den Schaltzustand der Abschlussglieder in den Teilnehmern kann die Zentrale nach Erkennung und Lokalisierung eines Fehlers durch Senden eines Befehls an den in jedem Teilnehmer ohnehin vorhandenen Mikroprozessor steuern, der seinerseits das An- und Abschalten des mindestens einen Abschlussgliedes und den Schaltzustand der Leitungstrenner steuert. Unabhängig davon kann der Mikroprozessor im Fehlerfall das im HS-Betrieb angeschaltete Abschlussglied jeweils bei LS-Betrieb abschalten um die für das Umladen des Kondensators des Abschlussgliedes benötigte Energie bzw. Speiseleistung der Stromversorgung aus der Zentrale einzusparen.
-
Stattdessen kann jeder der Teilnehmer eine Fehlererkennungsschaltung umfassen, die das Abschlussglied des Teilnehmers – gegebenenfalls nur im HS-Betrieb – anschaltet, sobald sie festgestellt hat, dass dieser Teilnehmer der letzte Teilnehmer am Ende der betreffenden Stichleitung des Feldbusses ist.
-
Das Abschlussglied kann zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Leitungstrenner und der anderen Feldbusader liegen. In diesem Fall müssen die beiden Leitungstrenner unabhängig voneinander schaltbar sein, damit nach dem durch einen Fehler in Form eines Kurzschlusses ausgelösten öffnen beider Leitungstrenner nur der von dem Fehlerort abgewandte, das heißt der Zentrale näher liegende Leitungstrenner wieder schließt. Das öffnen und Schließen der jeweiligen Leitungstrenner kann sowohl von der Zentrale aus über einen Befehl als auch durch den Teilnehmer selbst erfolgen.
-
Jeder der Teilnehmer kann stattdessen ein den beiden Leitungstrennern vorgeschaltetes Abschlussglied und ein den Leitungstrennern nachgeschaltetes Abschlussglied zwischen den Adern des Feldbusses haben. Jedes dieser beiden Abschlussglieder je Teilnehmer kann wie vorstehend für ein einziges Abschlussglied angegeben ausgestaltet sein. Die beiden Leitungstrenner können gemeinsam und folglich mit dem gleichen Befehl geschaltet werden. Im Kurzschlussfall bleiben sie offen, damit der Kurzschluss abgetrennt bleibt. Im Fall einer Unterbrechung bleiben sie ebenfalls offen, damit das auf der Fehlerseite liegende Abschlussglied nicht parallel zu dem zentralenseitigen Abschlussglied liegt. Alternativ könnten die beiden Abschlussglieder im Fehlerfall entweder durch Befehl von der Zentrale oder durch einen in dem Teilnehmer selbst generierten Befehl einzeln eingeschaltet werden, damit bei einem Fehler durch Unterbrechung und gemeinsamem Schließen der Leitungstrenner zum Aufbau der Stichleitungen nur das zentralenseitige Abschlussglied wirksam wird.
-
Zweckmäßig umfasst das RC-Glied des Abschlussgliedes einen Parallelwiderstand zur Entladung dessen Kondensators. Dadurch wird verhindert, dass sich bei einer Unterbrechung einer der Adern der Zweidrahtleitung und dem darauf folgenden Anschalten des Abschlussgliedes dessen Kondensator, falls er geladen ist, über die Busleitung in Richtung der Zentrale entlädt und dadurch die Spannungspegel der Kommunikationspulse verfälscht. Unabhängig davon sorgt der Parallelwiderstand für einen definierten Arbeitspunkt des Halbleiterschalters zum An- und Abschalten des Abschlussgliedes.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Form von vereinfachten Schaltungen erläutert.
-
Es zeigt:
-
1a: ein Blockschaltbild einer Zentrale mit ringförmig angeschlossenem Feldbus im normalen Betrieb,
-
1b: das gleiche Blockschaltbild im Fall eines Fehlers auf dem Feldbus,
-
2 bis 7: mehrere Varianten von Teilnehmern mit Abschlussgliedern.
-
1a zeigt schematisch eine Zentrale 10, an die eine zweiadrige Feldbusleitung mit Teilnehmern 1 bis 8 angeschlossen ist. Die Teilnehmer 1 bis 8 können Sensoren wie Brandmelder oder Videokameras und Aktoren wie Warnleuchten oder Lautsprecher sein. Ein derartiger Feldbus kann z. B. über 100 derartige Teilnehmer umfassen und eine Länge von beispielsweise 2 km haben. Die Zentrale 10 versorgt die Teilnehmer mit ihrer Betriebsspannung und kommuniziert mit ihnen über die beiden Adern des Feldbusses. Hierzu ist der Feldbus mit seinem Anfang an die Anschlüsse A+ und A– der Zentrale 10 angeschlossen, durch alle Teilnehmer durchgeschleift und mit seinem Ende ringförmig zu weiteren Anschlüssen B+ und B– der Zentrale 10 zurückgeführt.
-
Jeder Teilnehmer hat in einer der Adern des Feldbusses zwei in Serie liegende Leitungstrenner sowie unter anderem ein Modem und einen Mikroprozessor. Mit Teilnehmern mit einem niedrigen Datenaufkommen kommuniziert die Zentrale in einem Low Speed Mode (LS-Betrieb), mit Teilnehmern mit hohem Datenaufkommen, z. B. einer Videokamera oder einem Lautsprecher in einem High Speed Mode (HS-Betrieb). Im normalen Betriebszustand ist das Ende des Feldbusses an den Anschlüssen B+ und B– der Zentrale 10 mit einem Abschlussglied abgeschlossen. Im LS-Betrieb kann das Abschlussglied aus einem Abschlusswiderstand bestehen, der eine einfache Prüfung des Feldbusses auf Kurzschluss oder Unterbrechung ermöglicht. Stattdessen kann das Abschlussglied ein aktives Endmodul sein, das z. B. auch eine Prüfung des Feldbusses auf unzulässig hohen Leitungswiderstand unter Lastbedingungen ermöglicht.
-
Zur Verringerung der Reflexion der steilflankigen Kommunikationssignale am Ende des Feldbusses im HS-Betrieb schaltet die Zentrale 10 als Abschlussglied das in 1a dargestellte RC-Glied R1, C ein oder von dem Abschlusswiderstand auf dieses RC-Glied um. Dadurch wird die Datenqualität und Übertragungssicherheit verbessert.
-
1b unterscheidet sich von 1a durch einen angenommenen Fehler in Form einer Unterbrechung zwischen dem Teilnehmer 4 und dem Teilnehmer 5. Wie an sich bekannt, schaltet die Zentrale 10 beim Eintreten eines derartigen Fehlers, das heißt sowohl im Fall einer Unterbrechung als auch im Fall eines Kurzschlusses, alle Teilnehmer ab und baut dann sowohl über den Anschluss A+, A– als auch über den Anschluss B+, B– die Betriebsspannungsversorgung und die Kommunikation mit den Teilnehmern bzw. verbliebenen Teilnehmern auf den beiden durch den Fehler entstandenen Stichleitungen wieder seriell auf. Der LS-Betrieb mit den LS-Teilnehmern ist im Prinzip auch ohne Abschlussglied möglich. Für einen HS-Betrieb müssen zumindest die jeweils letzten HS-Teilnehmer vor dem Ende jeder der beiden Stichleitungen ein Abschlussglied haben, welches das abgeschaltete Abschlussglied in der Zentrale 10 ersetzt. Weil der Fehlerort im Vorhinein nicht bekannt ist, muss folglich zumindest jeder HS-Teilnehmer mit einem Abschlussglied ausgestattet sein, das im normalen Betriebszustand entsprechend 1a unwirksam ist, jedoch eingeschaltet wird, wenn dieser Teilnehmer der „letzte” Teilnehmer wie in 1b der Teilnehmer 4 und der Teilnehmer 5 ist.
-
Für die Teilnehmer 4 und 5 ist dies in 1b symbolisch dargestellt. Weil zwischen dem Fehlerort und dem in Richtung der Zentrale 10 nächstgelegenen HS-Teilnehmer auch LS-Teilnehmer liegen können, die Stichleitungen jedoch möglichst nahe am Fehlerort abgeschlossen werden müssen, haben zweckmäßig alle Teilnehmer, das heißt auch die LS-Teilnehmer, ein schaltbares Abschlussglied. Das im Fehlerfall im ES-Betrieb eingeschaltete Abschlussglied des jeweils letzten Teilnehmers vor dem Fehlerort kann während des LS-Betriebes abgeschaltet werden, wenn sich dadurch die Kommunikation über den Feldbus im LS-Betrieb verbessert. Den in jedem Teilnehmer vorgesehenen Schalter für das Abschlussglied steuert die Zentrale 10, die während des seriellen Aufbaus jeder der beiden Stichleitungen erkennt, welcher Teilnehmer der letzte Teilnehmer vor dem Fehlerort ist, alternativ der Teilnehmer selbst, wenn er eine Fehlererkennungsschaltung umfasst, die erkennt, dass dieser Teilnehmer der letzte Teilnehmer der Stichleitung ist.
-
Die 2 bis 7 zeigen am Beispiel eines Teilnehmers Varianten der Beschaltung der Teilnehmer mit Abschlussgliedern. Von den übrigen, an sich bekannten Komponenten des Teilnehmers sind nur die beiden Leitungstrenner LT1 und LT2 der durch den Teilnehmer hindurchgeschleiften Feldbusleitung und der den Betriebszustand des Teilnehmers steuernde und die Kommunikation mit der Zentrale abwickelnde Mikroprozessor MCU, der auch den LS- oder HS-Betrieb und gegebenenfalls den Fehlerfall und Fehlerort erkennt, dargestellt. Die Leitungstrenner sind normalerweise zwei FETs, die symbolisch als (offene) Schaltkontakte mit jeweils einer parallelen Diode dargestellt sind, die die parasitäre oder Substratdiode des betreffenden FET verkörpert. Im folgenden wird angenommen, dass die Zentrale mit ihren Anschlüssen A+, A– links, der Fehlerort rechts von der jeweiligen Teilnehmerschaltung liegt. Funktionell besteht jedoch kein Unterschied, wenn der Fehlerort links und die Anschlüsse B+, B– rechts von dem Teilnehmer liegen; lediglich die Leitungstrenner LT1 und LT2, die im nicht angesteuerten Zustand dargestellt sind, vertauschen im Betrieb ihre Schaltzustände.
-
2 zeigt die Grundschaltung, nämlich die Leitungstrenner LT1 und LT2, an deren gemeinsamen Verbindungspunkt über einen Schalter S ein Abschlussglied in Form eines Kondensators C in Serie mit einem Widerstand R1 an die Adern des Feldbusses angeschlossen ist. Abhängig von der Datenübertragungsrate im HS-Betrieb von z. B. 50 bis 150 kbit/s kann der Kondensator C einen Wert von z. B. 100 nF bis 330 nF und der Widerstand R1 ein Wert 100 bis 180 Ohm haben. Der Kondensator C wird im Rhythmus der Datenpulse ge- und entladen, wenn der Schalter S geschlossen und folglich dieser Teilnehmer der letzte Teilnehmer auf einer Stichleitung ist. Parallel zu C, R1 liegt ein Widerstand R2 zur Entladung des Kondensators C bei geöffnetem Schalter S. R2 ist im Verhältnis zu R1 hochohmig, weil R2 bei geschlossenem Schalter S den Feldbus gleichstrommäßig belastet.
-
Der Schalter S ist ein Halbleiterschalter, z. B. entsprechend 3 ein Bipolartransistor T1, dessen Durchlaß- oder Sperrzustand der Mikroprozessor MCU steuert. Der Widerstand R2 sorgt hier auch dafür, dass der Transistor T1 einen definierten Arbeitspunkt hat. Weil der NPN-Transistor T1, wenn er durchgeschaltet ist, nur in einer Richtung leitend ist, liegt gegensinnig parallel zu seiner Emitter/Kollektor-Strecke eine Diode D1. Infolge der unterschiedlichen Durchlaßspannungen des NPN-Transistors T1 und der Diode D1 entsteht eine Unsymmetrie beim Laden und Entladen des Kondensators C, der sich über die Diode D1 nur bis auf ca. 0,6 bis 0,7 V entladen kann. Statt des Bipolartransistors T1 kann auch ein N-Kanal MOSFET oder ein P-Kanal MOSFET verwendet werden. Die jeweilige parasitäre oder Substratdiode übernimmt die Funktion der Diode D1. Die Substratdiode kann zwar in Durchlaßrichtung eine niedrigere Schwellenspannung als die Diode D1 haben, aber die Schwellenspannung der Substratdiode ist, abhängig von der Bauart des MOSFET, höher als die Durchlaßspannung der Source-Drain-Strecke.
-
Eine solche Unsymmetrie vermeidet die Ausführung des Halbleiterschalters entsprechend den 3a und 3b. In 3a sind zwei P-Kanal MOSFETs T2, T3 in Serie geschaltet, in 3b zwei N-Kanal MOSFETs T4, T5. Wenn die jeweiligen beiden MOSFETS durchlässig geschaltet sind, leiten sie den Strom in beiden Richtungen.
-
Zum Aktivieren eines einzigen Abschlussgliedes gemäß den 2, 3, 3a und 3b muss nach dem auf das Auftreten des Fehlers folgenden Öffnen der beiden Leitungstrenner LT1 und LT2 der zentralenseitige Trenner LT1 zusammen mit dem Schließen des Halbleiterschalters S wieder schließen. Im Fall eines Fehlers durch Kurzschluss muss hingegen der zweite Leitungstrenner LT2 geöffnet bleiben, damit der Kurzschlussort aus dem Feldbus herausgetrennt ist. Deshalb müssen die beiden Leitungstrenner LT1 und LT2 einzeln schaltbar sein, entweder von der Zentrale 10 (s. 1a, 1b) durch Befehl oder von dem Teilnehmer selbst über dessen Mikroprozessor MCU.
-
Diesen Nachteil vermeidet die Teilnehmerschaltung gemäß 4. Sie umfasst zwei Abschlussglieder, nämlich ein dem Leitungstrenner LT1 von der Zentrale aus gesehen vorgeschaltetes Abschlussglied AG1 und ein dem Leitungstrenner LT2 nachgeschaltetes Abschlussglied AG2. Die beiden Abschlussglieder AG1 und AG2 sind jeweils genauso dimensioniert wie das einzige Abschlussglied in den 2 und 3. Analog 3 werden die Abschlussglieder AG1 und AG2 jeweils über einen NPN-Transistor T6 bzw. T7 mit antiparalleler Diode D2 bzw. D3 eingeschaltet oder ausgeschaltet. Der Mikroprozessor MCU steuert über getrennte Ausgänge den Schaltzustand der Transistoren T6 und T7 über Dioden D4, D5 als Überspannungsschutz und die übliche Beschaltung der jeweiligen Basis mit einem Widerstandsspannungsteiler. Die Leitungstrenner LT1 und LT2 können gemeinsam geschaltet werden und bleiben im Fehlerfall offen. Die Spannungsversorgung des Teilnehmers und die Kommunikation mit der Zentrale sind auch bei geöffneten Leitungstrennern über die jeweiligen Substratdioden der FETs, hier diejenige des Leitungstrenners LT1, gewährleistet. Die Transistoren T6 und T7 können von dem Mikroprozessor einzeln angesteuert werden.
-
Wenn die Teilnehmer für eine relativ hohe Betriebsspannung, z. B. im Bereich von 40 V, ausgelegt sind, kann bei der Schaltung gemäß 4 bei einem Fehler durch Kurzschluss und offenen Leitungstrennern LT1, LT2 die Durchbruchspannung der Emitter-Basis-Strecke des Transistors auf der Seite des Kurzschlusses überschritten werden.
-
Für den genannten Betriebsspannungsbereich sind die Teilnehmerschaltungen in den 5, 6 und 7 besser geeignet. Im Unterschied zu 4 dienen als Schalter für die Abschlussglieder AG 1 bzw. AG 2 hier PNP-Transistoren T8 bzw. T9.
-
In den Ausführungsformen gemäß den 5 und 6 werden diese Schalttransistoren über NPN-Transistoren T10 bzw. T11 geschaltet, die im Durchlaßzustand einen konstanten Basisstrom für T8 bzw. T9 liefern. Im Sperrzustand halten die jeweiligen Basis-Emitter-Widerstände von T8 und T9 deren Basen auch im Kurzschlussfall auf Emitterpotential.
-
Bei der Schaltung in 5 werden die NPN-Transistoren T10 bzw. T11 über getrennte Ausgänge des Mikroprozessors MCU gesteuert.
-
Die Schaltung in 6 unterscheidet sich von derjenigen in 5 nur dadurch, dass die NPN-Transistoren T10, T11 über einen gemeinsamen Ausgang des Mikroprozessors MCU gesteuert werden. Weil somit die Abschlussglieder AG1 und AG2 gemeinsam eingeschaltet werden, müssen bei einem Fehler durch Unterbrechung die Leitungstrenner LT1 und LT2 geöffnet werden, damit nur ein Abschlussglied, hier das Abschlussglied AG1, wirksam wird. Wie bei den vorhergehenden Schaltungen kann der Befehl zum Öffnen der Leitungstrenner LT1, LT2 von der Zentrale oder von dem Teilnehmer selbst (sofern sein Mikroprozessor MCU dafür eingerichtet ist) erzeugt werden. Bei einem Fehler durch Kurzschluss kann es hingegen zu einer Parallelschaltung der Abschlussglieder AG1 und AG2 nicht kommen, weil die Leitungstrenner LT1 und LT2 auf jeden Fall geöffnet bleiben.
-
Die Schaltung gemäß 6 kann in der in 7 dargestellten Weise vereinfacht werden. Die PNP-Transistoren T8 bzw. T9 werden in dieser Ausführungsform von dem Mikroprozessor MCU über einen gemeinsamen NPN-Transistor T12 gesteuert.
