DE19646219A1 - Schaltung für die Kommunikation externer Geräte mit einer zentralen/dezentralen Datenverarbeitungsanlage über einen Bus - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für die Kommunika­ tion externer Geräte mit einer zentralen/dezentralen Datenverarbeitungsanlage über einen Bus nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Derartige Schaltungen werden beispielsweise in der Prozeßtechnik verwendet, um externe Geräte, beispiels­ weise "intelligente" Sensoren und Aktoren, an eine zentrale oder dezentrale Überwachungs- und Regelungs­ anlage anschließen zu können. Dabei kann sowohl die Versorgung des externen Geräts, des sogenannten Feldge­ räts, als auch die Übertragung der von dem Feldgerät empfangenen bzw. ausgegebenen Daten mittels eines Busses, des sogenannten Feldbusses, erfolgen.

Als Feldbussysteme sind beispielsweise in der Sensortech­ nik HART (Highway Addressable Remote Transmitter), der DIN-Meßbus, der PROFIBUS (PROCESS FIELD BUS), FIP (Flux Information Processor oder auch Factory Instrumentation Protocol), der IEC-Feldbus und weitere gängig. Dabei geschieht die Übertragung der Daten durch die Busse teilweise binär, zum Beispiel über genormte digitale Signale, teilweise auch analog. So wird beispielsweise die Datenübertragung durch den PROFIBUS binär vorgenom­ men, während bei HART der Meßwert analog mit einem überlagerten amplitudmodulierten Kommunikationssignal an die Datenverarbeitungsanlage weitergegeben wird.

Die Auswahl des verwendeten Bussystems und des ver­ wendeten Busprotokolls richtet sich dabei in erster Linie nach den eingesetzten Feldgeräten und umgekehrt. Hierbei ist es nachteilig, daß die Feldgeräte immer auf ein ver­ wendetes Feldbussystem abgestimmt sein müssen. Dies bedeutet, daß nur ein bestimmter Typ von Feldgeräten bei Vorgabe eines Feldbussystems verwendet werden kann. So ist es beispielsweise nicht möglich, Feldgeräte, die mit dem verwendeten Bussystem nicht kompatibel sind, sich aber in anderer Weise für den Meßvorgang als vorteilhaft erweisen, ebenfalls zu verwenden. Umgekehrt müßten bei einer Änderung des Bussystems sämtliche bereits vorhande­ nen Feldgeräte durch Meßgeräte ersetzt werden, die eine Kommunikation mit dem neu einzusetzenden Bussystem ermöglichen.

Aus diesen Gründen ist die Flexibilität bekannter Schaltungen zur Kommunikation externer Feldgeräte mit einer zentralen Überwachungs- und Regelungsanlage über einen Feldbus erheblich eingeschränkt, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Schaltung insgesamt begrenzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine gattungsgemäße Schaltung für die Kommunikation externer Geräte mit einer zentralen/dezentralen Datenverarbeitungsanlage über einen Bus, vorzugsweise für die Kommunikation externer Feldge­ räte mit einer Überwachungs- und Regelungsanlage über einen Feldbus zum Einsatz in der Sensor- und Aktortech­ nik, dahingehend zu verbessern, daß beliebige externe Feldgeräte unabhängig von dem vorhandenen Daten-/Ver­ sorgungsbussystem (Feldbussystem) verwendet und an eine Überwachungs- und Regelungsanlage angeschlossen werden können. Insbesondere soll beim Anschluß eines externen Feldgeräts an einen Bus eine Erkennung des Bussystems und des Busprotokolls und eine automatische Anpassung des Feldgeräts an das Bussystem und das Busprotokoll durch die Schaltung ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung für die Kommunika­ tion externer Geräte mit einer zentralen Datenverarbei­ tungsanlage über einen Bus mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Schaltung Schalt­ kreise zur automatischen Erkennung an welches Bussystem das externe Gerät angeschlossen ist, wie z. B. HART, DIN-Meßbus, PROFIBUS, FIP, IEC-Feldbus und dergleichen, und zur automatischen Anpassung auf das Bussystem umfaßt. Hierdurch können beliebige externe Geräte an jegliche Art von in der Sensor- und Aktortechnik gängige Daten-/Versorgungsbussysteme (Feldbussysteme) angekoppelt werden.

Hinsichtlich der Ausbildung dieser Schaltkreise zur automatischen Erkennung des Bussystems sind die unter­ schiedlichsten Ausführungen denkbar.

Beispielsweise umfassen die Buserkennungs- und Anpas­ sungsschaltkreise vorteilhafterweise eine Verarbeitungs­ einheit in Form eines Prozessors (Mikrocontroller, DSP und dgl.) oder eines ASIC′s zum Austausch und zur Ver­ arbeitung der von den externen Geräten ausgegebenen Daten und zur Erkennung und Auswahl des verwendeten Bussystems, eine Anschalteinheit (MAU) zur angepaßten Filterung und Verstärkung der vom Bus empfangenen Eingangssignale und zu deren Umwandlung in digitale, dem Mikrocontroller über ein Modem zuführbare Signale und zur angepaßten Ver­ stärkung der vom Mikrocontroller über das Modem an den Bus ausgegebenen Signale, wobei die Anschalteinheit eine ansteuerbare Stromquelle/Stromsenke zur Anpassung an die Strom-/Spannungsquelle des externen Gerätes und zur internen Strom-/Spannungsversorgung der gesamten Schal­ tung, einen von dem Mikrocontroller über das Modem ansteuerbaren Summenverstärker zur Ausgabe der dem externen Gerät und dem Bus angepaßten Kommunikations­ signale und zur Ansteuerung der Stromquelle/Stromsenke, aufweist.

Darüber hinaus sind zum Schutz der Schaltung Übertrager­ schaltkreise vorgesehen, die eine galvanische Entkopplung der Strom-/Spannungsversorgung des an die Schaltung angeschlossenen externen Geräts (Sensors, Aktors) zur Gewährleistung der Explosionssicherheit ermöglichen.

Ferner findet zur galvanischen Trennung des Stromkreises des externen Geräts (Sensorstromkreis) von dem Ver­ sorgungs-/Kommunikationsstromkreis der Schaltung, d. h. um die Schaltung eigensicher zu machen, die Datenübertragung von dem externen Gerät zu dem Mikrocontroller über eine digitale Schnittstelle, vorzugsweise über einen galva­ nisch entkoppelten I²C-Bus, statt.

Von Vorteil ist es auch, daß die Schaltung die Verwendung von Bussystemen ermöglicht, die sowohl auf einer digita­ len als auch auf einer analogen Datenkommunikation basieren. Auch insoweit wird die beliebige Verwendbarkeit unterschiedlicher externer Geräte sichergestellt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegen­ der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Schaltung zur Kommunikation externer Geräte mit einer zentralen Datenverarbeitungsanlage über einen Bus;

Fig. 2 den detaillierten Aufbau der in Fig. 1 darge­ stellten erfindungsgemäßen Schaltung und

Fig. 3 schematisch das Schaltbild von externen Gerä­ ten, die an eine zentrale Datenverarbeitungs­ anlage auf an sich bekannte Weise über unter­ schiedliche Busse angekoppelt sind.

In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer zentralen Datenverarbeitungsanlage 1 dargestellt, an die auf an sich bekannte Weise mehrere unterschiedliche externe Feldgeräte 2, beispielsweise Sensoren oder Aktoren, über unterschiedliche Feldbusse 3 angekoppelt sind.

Dabei können die Feldgeräte .2 direkt über den Feldbus 3 an die Datenverarbeitungsanlage 1 angeschlossen sein, es können aber auch mehrere Feldgeräte 2 zunächst über einen Feldverteiler 4, der beispielsweise ein Multiplexer sein kann, angeschlossen sein, wobei dieser Feldverteiler 4 seinerseits über einen Feldbus 3 mit der Datenverarbei­ tungsanlage 1 kommuniziert. Die Datenverarbeitungsanlage kann auch durch eine speicherprogrammierte Schaltung (SPS), ein Prozeßleitsystem (PLS), einen Personal-Computer (PC) oder ein sogenanntes Hand-Held-Terminal (HHT) realisiert sein.

Bei Verwendung mehrerer unterschiedlicher Feldgeräte 2, die jeweils ein anderes Feldbussystem 3 erfordern, müssen zu deren Anschluß an die Datenverarbeitungsanlage 1 unterschiedliche Typen von Feldbussen 3 vorgesehen sein. Wenn diese unterschiedlichen Typen, beispielsweise HART oder PROFIBUS u. dgl. nicht vorhanden sind, so ist es nicht möglich, zwischen externen Geräten, die diesen Bustyp erfordern, und der Datenverarbeitungsanlage 1 über die vorhandenen Busse 3 eine Datenverbindung vorzunehmen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Schaltung zu vermitteln, die unabhängig vom eingesetzten Feldbussystem die entsprechenden Busprotokolle erkennen und die erforderlichen Anpassungen vornehmen kann, so daß das Feldgerät 2 an jedes beliebige Feldbussystem 3 ohne externe Maßnahmen z. B. Betätigung von Schaltern o. dgl. ankoppelbar und somit unabhängig vom jeweils verwendeten Feldbussystem 3 verwendbar ist.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, in der eine Schaltung für die Kommunikation externer Geräte 2 mit einer zentralen Datenverarbeitungsanlage 1 über Bussysteme 3 schematisch dargestellt ist, umfaßt die Schaltung im wesentlichen eine Verarbeitungseinheit, beispielsweise einen Mikrocon­ troller 6, Strom-/Spannungsversorgungsschaltkreise 7 und eine Anzeige 8.

Die externen Feldgeräte 2 können beispielsweise pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren u. dgl. sein, die sowohl in explosionsgefährdeter als auch in nicht explosions­ gefährdeter Umgebung angeordnet sein können.

Zum Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung ist die gesamte Schaltung eigensicher ausgeführt. Hierzu ist es erforderlich, daß sowohl die Strom-/Spannungsversorgung der externen Geräte 2 durch die Strom-/Spannungsver­ sorgungsschaltkreise 7 als auch der Datenaustausch der von den externen Geräten 2 erfaßten Daten mit dem Mikrocontroller 6 über Schaltkreise 5 stattfindet, die eine galvanische Entkopplung der externen Geräte 2 von dem Strom-/Spannungsversorgungsschaltkreis 7 bzw. dem Mikrocontroller 6 ermöglichen.

Die Schaltung für die Kommunikation externer Geräte 2 mittels einer zentralen Datenverarbeitungsanlage 1 über einen Bus 3 ist detaillierter in Fig. 2 dargestellt.

Wie aus Fig. 1 und Fig. 2 hervorgeht, sind Schaltkreise 5 zur Gewährleistung der Eigensicherheit der Schaltung vorgesehen.

Filter- und Überspannungsschutzschaltkreise 11 ermögli­ chen nicht nur eine Filterung der mittels beispielsweise einer an sich bekannten Zweileitertechnik eingespeisten Versorgungs- und Datensignale, sondern sie gewährleisten auch, daß keinerlei Störspannungen/-ströme aus der Schaltung heraus auf den Datenbus 3 gelangen können; sie ermöglichen somit den Einsatz der gesamten Schaltung in explosiver Umgebung.

Die Eingangssignale werden zunächst über die Schaltkreise 5 sowie die Filter- und Oberspannungsschutzschaltkreise 11 einer Anschalteinheit (MAU, engl. Medium Attachment Unit) 12 zugeführt. Diese Anschalteinheit 12 dient zur Filterung der Eingangs-/Ausgangssignale, im Falle von analogen Signalen zu deren Umwandlung in digitale Signale.

Von der Anschalteinheit 12 gelangen die Signale über ein Modem 14 zu dem Mikrocontroller 6, der beispielsweise mit einem externen Tastenfeld 16 sowie mit der Anzeige 8 oder auch mit einem EEPROM 20 über Anschlußleitungen verbunden ist. Der Mikrocontroller 6 ist - entkoppelt über eine digitale Schnittstelle 17, beispielsweise einen I²C-Bus 17 - mit einem Transmitter 22 verbunden, über den eine pH-, Temperatur-, Leitfähigkeits-Messung oder dgl. mittels eines (nicht dargestellten) Sensors erfolgt.

Die Anschalteinheit 12 umfaßt darüber hinaus eine ansteuerbare Stromquelle oder -senke 12a zur Anpassung an die Strom-/Spannungsverhältnisse des ansteuerbaren Geräts und zur internen Strom-/Spannungsversorgung der gesamten Schaltung.

Des weiteren ist in der Anschalteinheit 12 ein von dem Mikrocontroller 6 über das Modern 14 ansteuerbarer Summenverstärker 12b zur Ausgabe von auf das externe Gerät und den Bus angepaßten Kommunikationssignalen und zur Ansteuerung der Stromquelle/Stromsenke 12a vor­ gesehen.

Die Schaltung erkennt automatisch den an ihrem Eingang vorhandenen Bus und nimmt eine Anpassung des externen Feldgeräts auf diesen Bus 3 vor.

Es ist mittels der Schaltung beispielsweise möglich, eine digitale Übertragung der Daten, wie sie beispielsweise bei dem PROFIBUS vorliegt, genauso zu erkennen und zu verarbeiten, wie eine analoge Datenübertragung, wie sie beispielsweise bei dem bekannten HART-Bus üblich ist.

Dabei stellt sich die Schaltung, nachdem sie mittels der Anschalteinheit 12 des Modems 14 und des Mikrocontrollers 6 sowie der ansteuerbaren Strom-/Spannungsversorgungs­ schaltkreises erkannt hat, welcher Bus 3 am Eingang anliegt, selbständig auf die für die unterschiedlichen Bussysteme notwendigen Spannungen ein - beispielsweise auf einen Stromwert zwischen 4 und 20 mA, abhängig vom gemessenen Wert, im Falle der Verwendung des HART-Busses, oder auf die entsprechenden Strom- und Spannungswerte der digitalen Signalübertragung im Falle des PROFIBUS.

Abschließend ist zu erwähnen, daß die Anschalteinheit 12, das Modem 14 und der Mikrocontroller auch Teil eines einzigen integrierten Schaltkreises sein können.

Claims (7)

1. Schaltung für die Kommunikation externer Geräte mit einer zentralen/dezentralen Datenverarbeitungsanlage über einen Bus, vorzugsweise für die Kommunikation externer Feldgeräte mit einer Überwachungs- und Regelungsanlage über einen Feldbus für die Prozeß­ datenerfassung, Steuerung und Regelung in der Sensor- und Aktortechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Schaffung einer Anschluß­ möglichkeit beliebiger externer Geräte über beliebi­ ge Bussysteme (3) an die Datenverarbeitungsanlage (1) Buserkennungs- und -Anpassungsschaltkreise (12, 14, 6, 7) zur automatischen Erkennung des für das externe Gerät erforderlichen Bussystems (3) und zur automatischen Anpassung auf dieses Bussystem (3) umfaßt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

• - eine Verarbeitungseinheit zum Austausch und zur Verarbeitung der vom externen Gerät ausge­ gebene Daten und zur Erkennung und Auswahl des verwendeten Bussystems (3) und des verwendeten Protokolls,
• - eine Anschalteinheit (12) zur angepaßten Filterung und Verstärkung der vom Bus (3) empfangenen Eingangssignale und zu deren Umwandlung in digitale, dem Mikrocontroller (6) über ein Modem (14) zuführbare Signale und zur angepaßten Verstärkung der vom Mikrocon­ troller (6) über das Modem (14) ausgegebenen Signale an den Bus (3), umfassend, welche
• - eine ansteuerbare Stromquelle/Stromsenke (12a) zur Anpassung an die Strom-/Spannungsverhält­ nisse des externen Geräts und zur externen Stromversorgung der Schaltung,
• - einen von dem Mikrocontroller (6) über das Modem (14) ansteuerbaren Summenverstärker (12b) in der Anschalteinheit (12) zur Ausgabe der auf das externe Gerät und den Bus angepaß­ ten Kommunikationssignale und zur Ansteuerung der Stromquelle/Senke (12a) aufweist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Buserkennungs- und -Anpassungs­ schaltkreise eine automatische Erkennung des Bus­ protokolls, sowie eine automatische Anpassung der erforderlichen Impedanz-, Strom- und Spannungs­ verhältnisse an den erkannten Bus vornehmen.

4. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zum Schutz der Schaltung und um sie in explosiver Umgebung ein­ setzen zu können, Filter- und Überspannungsschutz­ schaltkreise (5) vorgesehen sind.

5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Schaltkreise (17) umfaßt, die eine vollständige galvanische Entkopp­ lung des externen Geräts zur Gewährleistung der Explosionssicherheit ermöglichen.

6. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eigensicher ist.

7. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Verwendung von Bussystemen (3) ermöglicht, die sowohl auf einer digitalen als auch auf einer analogen Datenkom­ munikation basieren.