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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Datensignal-Generierungseinrichtung, und zwar insbesondere – aber nicht ausschließlich – für eine Anwendung als Feldbussignal-Regenerator.
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Feldbus (oder Feldbussystem) ist der Begriff für eine ganze Familie von Computer-Netzwerk-Protokollen, die für eine Steuerungsverteilung in Echtzeit verwendet werden, die nun in der
Norm IEC 61158 ("Digital data communication for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems") weltweit standardisiert sind. Ein komplex automatisiertes, industrielles Betriebssystem, zum Beispiel für eine Kraftstoff-Raffinerie, benötigt in der Regel eine Organisationshierarchie für die Steuerungseinrichtungen, um zu funktionieren. In dieser Hierarchie gibt es an oberster Position eine Benutzerschnittstelle = HMI (Human Machine Interface), wo ein Operator das System überwachen oder betreiben kann. Normalerweise ist diese Schnittstelle über ein nicht-zeitkritisches Kommunikationssystem (beispielsweise Ethernet) mit einer mittleren Übertragungsschicht speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) verknüpft. Am unteren Ende der Steuerungskette befindet sich der Feldbus, welcher die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) mit den Komponenten verbindet, welche die eigentliche Arbeit tun, wie Sensoren (Messfühler), Stellglieder (Aktoren), Elektromotoren, Konsolenleuchten, Schalter, Ventile und Schaltschützen.
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Ein Feldbus wird häufig in eigensicheren Umgebungen eingesetzt, wie beispielsweise in entzündbaren Atmosphären, und insbesondere in der Gaseinstufungsklassifizierung IIC – Wasserstoff und Azetylen – und nachstehend für die Gasgruppen IIB und IIA in Bezug auf Gas und/oder Staub. Der Einsatz des Feldbusprotokolls, der Feldinstrumente und der Feldbusgeräte in einer solchen Umgebung wird über einen elektrischen Kommunikationsschaltkreis entfernt gesteuert und überwacht, der häufig in dem gleichen elektrischen Schaltkreis wie die Energieversorgung bereitgestellt wird, um die Feldinstrumente zu aktivieren.
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Normalerweise sind Feldbusschaltungen zu großformatig, um nicht regenerierte oder unverstärkte Datensignale unterstützen zu können; deshalb weisen sie strategisch positionierte Datensignal-Regeneratoren auf, um die Qualität des Kommunikationsaustausches zwischen den verschiedenen Geräten aufrechterhalten zu können. Allerdings wird die allgemein bekannte Feldbussignalverstärkung in der Regel von prozessorbetriebenen Digital-Analog-Wandlern, analogen Integratoren oder diodengeklammerten RC-Schaltungen [Widerstands-Kapazitäts-Schaltungen] ausgeführt. Solche Einrichtungen haben einen relativ hohen Energieverbrauch bzw. sie sind stromfressend und teuer in Herstellung und Anschaffung. Der eigensichere Schaltkreis-Energieverbrauch ist ein kritischer bzw. entscheidender Faktor für eine Schaltungskonzeption, da diese stets an ihre Grenzen gelangt.
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Darüber hinaus haben die Weiterentwicklungen der Feldbusprotokolle der vergangenen Jahre noch mehr an Bedeutung erlangt – insbesondere in Bezug auf Kommunikations- und Diagnoseverfahren –, da dazu die Signalverstärker immer mehr Energie beanspruchen, um noch komplexere Funktionen durchführen zu können. Selbst in der modernsten Technologie ist der erforderliche Energie- und Kostenaufwand zum Generieren und Verstärken eines guten Datensignals relativ hoch.
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Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung einiger der vorstehend aufgeführten Probleme.
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Demzufolge umfasst eine Datensignal-Generierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Mikroprozessor und einen digitalen Spannungsteiler, wobei der Mikroprozessor ausgelegt ist, um ein Rechteckwellen-Ausgangssignal zu erzeugen, und wobei der digitale Spannungsteiler adaptiert ist, um das genannte Rechteckwellen-Ausgangssignal zu empfangen und um in Übereinstimmung mit den Zustandsübergängen im genannten Rechteckwellen-Ausgangssignal einen linearen Rampenanstieg und Rampenabfall für eine Ausgangssignalspannung und/oder einen Ausgangssignalstrom auszuführen.
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Folglich ermöglicht die vorliegende Erfindung die Generierung eines Feldbus-Datensignals ohne die Anwendung eines teuren und stromfressenden Digital-Analog-Konverters oder derlei bekannte Einrichtungen. Ein Mikroprozessor, wie der vorstehend genannte, braucht Energie, um Signale zu verarbeiten und in jedem Bedarfsfall weitere Aufgaben auszuführen; er braucht aber nur sehr wenig zusätzliche Energie zur Verarbeitung eines Rechteckwellen-Ausgangssignals. Auch ein digitaler Spannungsteiler braucht wenig Energie, um in Übereinstimmung mit dem Rechteckwellen-Ausgangssignal automatisch von einer Spannung zur anderen schalten zu können.
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Daher wird positiv zur Kenntnis genommen, dass die vorliegende Erfindung von einem Feldgerät bzw. von dem Systemhost zur Datensignalgenerierung eingesetzt werden kann. Allerdings kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der Erfindung die Einrichtung ein Datensignal-Regenerator sein, der zum Empfangen eines Eingangssignals ausgelegt ist. Der Mikroprozessor kann zum Erkennen eines binären Inhalts im Eingangssignal adaptiert werden sowie zum Generieren des genannten Rechteckwellen-Ausgangssignals in Übereinstimmung mit dem Inhalt des Eingangssignals.
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Der Mikroprozessor kann den binären Inhalt des Eingangssignals auf allgemein bekannte Weise erkennen, jedoch wird dies bevorzugt durch einen Bezug auf Nulldurchgänge [Vergleich der Nulldurchgangspunkte] im Eingangssignal ausgeführt. Solche Elemente werden in einem Eingangssignal entsprechend eines Feldbus-Protokolls angewendet, um dann Binärzeichen darzustellen. Das Rechteckwellen-Ausgangssignal kann Übergänge in Übereinstimmung mit den genannten Nulldurchgangspunkten aufweisen. Dazu wird das eingehende, binäre Datensignal mithilfe des Mikroprozessors in eine binäre Rechteckwellenform umgewandelt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Mikroprozessor mit einer Takteinrichtung bereitgestellt und adaptiert werden, um ein Rechteckwellen-Ausgangssignals mit zeitlicher Taktsteuerung zu erzeugen, die von der genannten Takteinrichtung festgesetzt wird. Diese Ausgestaltung beseitigt Taktzeitfehler aus Eingangssignalen, welche üblich sind. Selbstverständlich ist davon auszugehen, dass ein gewisser Verarbeitungsaufwand erforderlich ist, um einen Taktzeitfehler zu ermitteln und zu korrigieren; deshalb kann der Mikroprozessor in einer erfindungsgemäßen Variante eine puffernde Zeitverzögerungsfunktion zwischen dem Empfang des Eingangssignals und der Ausgabe des Rechteckwellen-Ausgangssignals durchführen.
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Der lineare Rampenanstieg und Rampenabfall der Ausgangssignalspannung und/oder des Ausgangssignalstroms kann auf jede beliebige Weise durchgeführt werden. Aber vorteilhafterweise kann der digitale Spannungsteiler so adaptiert sein, dass er einen Rampenanstieg und Rampenabfall in einer Ausgangssignalspannung mit einem 1-Volt-Spitze-Spitze-Wert ausführt, und zwar entsprechend den festgesetzten Obergrenz- und Untergrenz-Sollwertspannungen. Dies ist im Hinblick auf ein Feldbussystem sehr zweckdienlich.
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Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden, aber zwei Ausführungsformen werden nun anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, welche zeigen:
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1 ist eine schematische Darstellung von einer ersten Datensignal-Generierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine schematische Darstellung von Datensignalen, die von der in 1 dargestellten Datensignal-Generierungseinrichtung generiert worden sind.
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3 ist eine schematische Darstellung von einer zweiten Datensignal-Generierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine schematische Darstellung von Datensignalen, die von der in 3 dargestellten Datensignal-Generierungseinrichtung empfangen und generiert worden sind, und
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5 ist eine schematische Darstellung von alternativen Datensignalen, die von der in 3 dargestellten Datensignal-Generierungseinrichtung empfangen und generiert worden sind.
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Mit Bezug auf 1 umfasst eine erfindungsgemäße Datensignal-Generierungseinrichtung, die in diesem Fall in einem Feldgerät (das nicht dargestellt ist) integriert ist, einen Mikroprozessor 5 und einen digitalen Spannungsteiler 8. Der Mikroprozessor 5 ist zum Erzeugen eines Rechteckwellen-Ausgangssignals 17 ausgelegt – siehe 2 –, wobei der digitale Spannungsteiler 8 – wie noch nachstehend beschrieben wird – zum Empfangen des besagten Rechteckwellen-Ausgangssignals 17 und zum Ausführen des linearen Rampenanstiegs und Rampenabfalls der Ausgangssignalspannung und/oder des Ausgangssignalstroms 18 in Übereinstimmung mit den Zustandsübergängen in dem genannten Rechteckwellen-Ausgangssignal 17 ausgelegt ist.
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Das Feldgerät ist auf einer Hauptleitung 1 angebracht und auf dieser kommuniziert es mit einem Host-System in bekannter Art und Weise. Eingehende Datensignale passieren den Filter 2 und gelangen dann in den Eingang 3. Zum Kommunizieren mit dem Host-System erzeugt der Mikroprozessor 5 rechteckige, nach Manchester-Technik kodierte TTL-Binärtelegramm-Datensignale 17 – siehe 2 –, welche sich auf den Betriebsvorgang im Feldgerät beziehen, wie beispielsweise auf Betriebszustands- oder Diagnosesignale. Solche Rechteckwellen-Datensignale 17 dürfen nicht auf die Hauptleitung 1 weitergeleitet werden, da sie mit dem Feldbus-Protokoll nicht kompatibel sind, und insbesondere deshalb nicht, da eine solch kontrastreiche, digitale Wellenform die Bildung von digitalen Spannungsspitzen, Störzonen und dergleichen verursachen würden.
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Daher werden die Rechteckwellen-Datensignale 17 bei Bezugszeichen 10 an den digitalen Spannungsteiler 8 gesendet. Dieser führt in der bereitgestellten Spannung automatisch einen linearen Rampenanstieg und Rampenabfall aus, um in Übereinstimmung mit den Zustandsübergängen in den Rechteckwellen-Datensignalen 17 eine Ausgangsspannung 18 zu erzeugen, wie diese in 2 veranschaulicht wird. Die Taktzeit in der Sequenz wird von einer Takteinrichtungsfrequenz gesteuert, welche vom Mikroprozessor 5 an den digitalen Spannungsteiler 8 bereitgestellt wird, was mit Bezugszeichen 6 dargestellt ist. Um dies zu ermöglichen, wird auch der Mikroprozessor 5 zeitlich getaktet, was mit Bezugszeichen 4 dargestellt ist. Der lineare Rampenanstieg und Rampenabfall erreicht eine Obergrenze und eine Untergrenze, welche mit den Spannungspunkten 7a und 7b festgesetzt werden. Die Spannung verbleibt auf diesem festgesetzten Sollwert bis zum nächsten Übergang. Der digitale Spannungsteiler 8 generiert in etwa einen 1-Volt-Spitze-Spitze-Wert oder ähnlich.
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Die Ausgangssignalspannung 18 wird dann bei Bezugszeichen 9 gepuffert, wobei über den Mikroprozessor 5 ein Schaltkontakt 11 geschlossen wird, um dann das ausgegebene Datentelegramm – über den Filter 2 – an die Hauptleitung 1 zu senden.
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Mit Bezug auf 2 umfasst dann die Ausgangssignalspannung 18 ein trapezförmiges Signal, welches mit dem Feldbus-Protokoll kompatibel ist. Es besitzt insbesondere schräge Seitenbereiche, die keine unzulässigen Spannungsspitzen erzeugen können.
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3 zeigt einen Datensignal-Regenerator, in dem die gleiche, vorstehend beschriebene Anordnung zum Regenieren bzw. Verstärken von Feldbus-Datensignalen eingesetzt wird. Wenn hier die Komponenten die gleichen wie in 1 sind, dann sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.
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Der Regenerator ist auf einer Hauptleitung 1 und einer Nebenleitung 15 angebracht und regeneriert Datensignale aus der Hauptleitung 1 hin zur Nebenleitung 15 und umgekehrt. Wenn Eingangssignale aus der Hauptleitung 1 kommen, passieren sie den Filter 2 und werden am Eingang 3 in den Mikroprozessor 5 eingegeben. Eine Ausgangssignalspannung 18 wird über ein Schließen des Schaltkontakts 12 zur Nebenleitung 15 gesendet. Gleichermaßen, wenn Eingangssignale aus der Nebenleitung 15 kommen, passieren sie den zweiten Filter 14 und gelangen am Eingang 3 in den Mikroprozessor 5. Eine Ausgangssignalspannung 18 wird über ein Schließen des Schaltkontakts 11 zur Hauptleitung 1 gesendet.
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Die typische Wellenform von diesen Eingangssignalen 16 ist in 4 dargestellt. Dieser Wellenformtyp ist das Ergebnis von einem Qualitätsverlust durch die Länge über die gesamte Leitung. Sowohl die äußerliche Form als auch die zeitliche Taktung dieses Wellentyps 16 besitzen eine geringe Qualität. Allerdings ist der Mikroprozessor 5 so programmiert, dass er den Inhalt eines Eingangssignals 16 erkennen kann, indem er die darin enthaltenen Nulldurchgangspunkte vergleicht, die verbunden sind, um ein binäres Datentelegramm herstellen zu können. Eine solche Technik ist allgemein bekannt.
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Der Mikroprozessor erzeugt anschließend ein Rechteckwellen-Datensignal 17, welches Zustandsübergänge in Übereinstimmung mit den erfassten Nulldurchgangspunkten in dem Eingangsdatensignal 16 aufweist, wie dies in 4 veranschaulicht ist. Wie bereits erwähnt, kann dieser Typ Rechteckwellen-Datensignal 17 nicht auf die Hauptleitung 1 oder auf die Nebenleitung 15 weitergeleitet werden, da es mit dem Feldbus-Protokoll nicht kompatibel ist. Stattdessen wird das Rechteckwellen-Datensignal 17 bei Bezugszeichen 10 an den digitalen Spannungsteiler 8 gesendet, welcher in einer bereitgestellten Spannung automatisch einen linearen Rampenanstieg und Rampenabfall ausführt, um in Übereinstimmung mit den Zustandsübergängen im Rechteckwellen-Datensignal 17 eine Ausgangsspannung 18 zu erzeugen, wie dies auch in 4 veranschaulicht ist. Der lineare Rampenanstieg und Rampenabfall erreicht eine Obergrenze und eine Untergrenze, welche mit den Spannungspunkten 7a und 7b festgesetzt werden. Die Spannung verbleibt auf diesem festgesetzten Sollwert bis zum nächsten Übergang. Der digitale Spannungsteiler 8 erzeugt in etwa einen 1-Volt-Spitze-Spitze-Wert auf einer 50-Ohm-Feldbus-Belastung.
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Die Ausgangssignalspannung 18 wird dann an die Hauptleitung 1 oder an die Nebenleitung 15 – je nach Zweckdienlichkeit – geleitet, indem entweder der Schaltkontakt 11 oder der Schaltkontakt 12 geschlossen wird. Auf alle Fälle wird das Signal 18 bei Bezugszeichen 9 gepuffert und es passiert den Filter 2 oder 14.
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Mit Bezug auf 4 umfasst die Ausgangssignalspannung 18 dann ein trapezförmiges Signal, welches mit dem Feldbus-Protokoll kompatibel ist. Es besitzt insbesondere schräge Seitenbereiche, die keine unzulässigen Spannungsspitzen erzeugen können.
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In der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung wird die Ausgangssignalspannung 18 gleichzeitig mit dem Eingangsdatensignal 16 erzeugt. Dies ist aber nicht ideal, da Fehler in der zeitlichen Taktung im Eingangsdatensignal 16 auf die Ausgangssignalspannung 18 übertragen werden können. Daher umfasst der Mikroprozessor 5 in einer bevorzugten Betriebsvorgangsweise eine Pufferphase, in der er in Übereinstimmung mit der Takteinrichtung 4 die Bitbereiche neu taktet. Diese Pufferphase kann sich um einige Bits verlängern, um dem Mikroprozessor 5 genügend Zeit für die Verarbeitung zu geben.
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5 veranschaulicht diese Funktionsweise, wobei eine 5-Bit-Pufferzeit 19 entsteht, bevor mit dem Rechteckwellen-Datensignal 17 begonnen wird. Hierbei wird im Vergleich zum Eingangsdatensignal 16 die Ausgangssignalspannung 18 sowohl neu geformt als auch zeitlich korrigiert [neu getaktet].
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung können modifiziert werden, ohne dass der Schutzumfang des nachstehend angeführten Patentanspruchs 1 aufgegeben wird. Als Beispiel in einer alternativen Ausführungsform (die nicht dargestellt ist) führt der digitale Spannungsteiler den linearen Rampenanstieg und den Rampenabfall in einem elektrischen Strom aus, um einen Ausgangssignalstrom zu erzeugen. Aufgrund einer solchen Konfiguration kann der Ausgangssignalstrom sowohl an die Hauptleitung als auch an die Nebenleitung ausgegeben werden, weshalb die Schaltkontakte 11 und 12 nicht mehr benötigt werden.
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Aufgrund dessen stellt die vorliegende Erfindung einen kostengünstigen und energiesparenden Feldbus-Regenerator zur Verfügung, der die verzerrten Datensignale präzise neu formen und neu takten kann.
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Zusammenfassung
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Eine Datensignal-Generierungseinrichtung mit einem Mikroprozessor und einem digitalen Spannungsteiler, in welcher der Mikroprozessor zum Generieren eines Rechteckwellen-Ausgangssignals ausgelegt ist, und in welcher der digitale Spannungsteiler zum Empfangen des genannten Rechteckwellen-Ausgangssignals und zum Ausführen eines linearen Rampenanstiegs und Rampenabfalls in einer Ausgangssignalspannung und/oder im Ausgangssignalstrom in Übereinstimmung mit den Zustandsübergängen in dem genannten Rechteckwellen-Ausgangssignal ausgelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm IEC 61158 (”Digital data communication for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems”) [0002]
