DE19811584A1 - Signalkonverter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Signalkonverter, das heißt eine Ein/Ausgabeschaltung für Prozeßkontroll- und Pro­ zeßsteuersignale, in der die von verschiedenen Sensoren er­ haltenen Signale zur späteren Verarbeitung umgewandelt wer­ den. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Signalkonver­ ter für Prozeßsignale, wobei der Signalkonverter für die Mehrpunkteingabe von Temperaturwandlern wie Thermowiderstän­ den und Thermoelementen und für eine Mehrbereichsoperation vorgesehen und wobei zur Prozeßsteuerung an einer großen An­ zahl von Stellen Ausgabemodule für Prozeßsteuersignale in­ stalliert sind.

Zur Prozeßsteuerung sind im allgemeinen in einer Pro­ duktionsanlage verschiedene Sensoren oder Meßwandler angeord­ net, etwa Druck- bzw. Druckdifferenzmeßgeräte oder Thermoele­ mente und Thermowiderstände, um z. B. die Drücke und Tempera­ turen an verschiedenen Stellen der Anlage zu erfassen. Die Meßwerte von den Sensoren werden in einen Zentralrechner ein­ gegeben, der den Betriebszustand der Anlage überwacht und der die Arbeitsabläufe in der Anlage entsprechend den gemessenen Werten steuert. In der Regel können die von den Sensoren er­ zeugten Meßwerte nicht direkt im Zentralrechner verarbeitet werden. Die Meßwerte von den Sensoren sind zum Beispiel vor der Eingabe in den Zentralrechner in Signale umzuwandeln, die im Bereich von 1 Volt (V) Gleichspannung bis 5 V Gleichspan­ nung liegen. Dazu ist gewöhnlich zwischen die Sensoren und den Zentralrechner ein Signalkonverter geschaltet, der die Signale entsprechend umwandelt.

Zusätzlich zu einem solchen Signalkonverter für die Eingangssignale von den Sensoren ist in einer Produktionsan­ lage in der Regel eine Mehrpunkt-Steuersignalausgabeeinheit vorgesehen, die die Steuersignale, die der Zentralrechner zur Prozeßsteuerung etwa gemäß einer PID-Regelung errechnet und ausgibt und die z. B. im Bereich von 4 Milliampere (mA) Gleichstrom bis 20 mA Gleichstrom oder im Bereich von 1 V Gleichspannung bis 5 V Gleichspannung liegen, in für die Steuerung bestimmter Ventile geeignete Signale umwandelt.

Anhand des in der Fig. 5 der Zeichnung gezeigten Bei­ spiels für den Aufbau einer einfachen Produktionsanlage er­ folgt nun eine Beschreibung des herkömmlichen Systems. Der Aufbau umfaßt zwei Regelkreise, die jeweils einen einfachen Prozeß zur Steuerung des Betriebs eines Kessels darstellen, bei dem die Brennstoffzufuhr zum Kessel derart geregelt wird, daß die Dampftemperatur konstant bleibt.

Die Anlage der Fig. 5 umfaßt einen Zentralrechner 201, der arithmetische Steueroperationen wie PID-Berechnungen ausführt, und eine Prozeß-Ein/Ausgabeeinheit (PIO-Einheit) 502, die eine Analog-Digital-Umwandlung ausführt, um Ana­ logsignale von einem Konverter in Digitalsignale umzuwandeln und die daher als Kommunikationsinterface für den Zentral­ rechner 201 dient. Die PIO-Einheit 502 umfaßt ihrerseits eine Analogeingabeschaltung 503, eine Analogausgabeschaltung 504, ein Kommunikationsinterface 505 und eine Stromversorgung 506.

Eine Kommunikationsleitung 507 verbindet die PIO-Einheit 502 mit dem Zentralrechner 201. Darüberhinaus gibt es eine Si­ gnalkonvertereinheit 508 für die Umwandlung der Signale von Sensoren mit Signalkonvertermodulen 509 bis 512, einem Inter­ face 513 zur Aufnahme der Analogsignale von einer Anzahl von Konvertermodulen, um sie zur Eingabeschaltung 503 der PIO-Ein­ heit 502 zu führen, einer Stromversorgung 514 und einer Signalleitung 515 zur PIO-Einheit 502. Die Fig. 5 zeigt des weiteren eine Anschlußleisteneinheit 516 zum Weiterleiten der Ausgangssignale von der Ausgabeschaltung 504 der PIO-Einheit 502 mit Anschlußleisten 517 und 518 und einem Interface 519 zur Signalübertragung. Die Einheit 516 ist mit einer Anzahl von Anschlußleisten für gewöhnlich 8, 16 oder 32 Punkten ver­ sehen. Die Anschlußleisten schließen einen externen Verbin­ dungsanschluß ein, an den ein Steuerventil oder dergleichen angeschlossen wird und der in gewöhnlichen Fällen einem M4-Schraubanschluß entspricht. Die Anschlußleisteneinheit 516 ist nicht an der PIO-Einheit 502, sondern unabhängig davon angeordnet. Das System umfaßt des weiteren Durchflußratenmeß­ geräte 221(1) und 221(2), Steuerventile 222(1) und 222(2), Temperatursensoranschlüsse 223(1) und 223(2) und Kessel 224(1) und 224(2).

Es wird nun die Arbeitsweise dieses Systems beschrie­ ben.

Zur Umwandlung werden zuerst die Signale von den Durchflußmeßgeräten 221(1) und 221(2) und den Temperatursen­ soranschlüssen 223(1) und 223(2) zu den Konvertermodulen 509 bis 512 der Signalkonvertereinheit 508 geführt. Die Einheit 508 ist mit einer Anzahl von Anschlußleisten für 8, 16 oder 32 Punkte verbunden. Die Signale aus den jeweiligen Modulen werden dann zum Interface 513 geführt, um über die Leitung 515 der Eingabeschaltung 503 der PIO-Einheit 502 eingegeben zu werden. Die Eingabeschaltung 503 wandelt das analoge Ein­ gangssignal von der Signalkonvertereinheit 508 in ein Digi­ talsignal um. Das vom Digitalsignal dargestellte Prozeßsignal wird dann über das Interface 505 zum Zentralrechner 201 über­ tragen.

Der Rechner 201 führt am erhaltenen Prozeßsignal eine arithmetische Operation wie eine PID-Operation aus und ermit­ telt ein Steuerausgangssignal. Dieses Signal wird über die Leitung 507 und das Interface 505 zur Analogausgabeschaltung 504 geführt. Die Schaltung 504 wandelt die Digitalsignale in Analogsignale um und erzeugt so Steuerausgangssignale, die Ausgangssignale für den ersten Regelkreis und Ausgangssignale für den zweiten Regelkreis sind. Diese Ausgangssignale werden über die Leitung 520 und das Interface 519 zu der Anschluß­ leisteneinheit 516 geführt, um von da über die Anschlußschal­ tungen 517 und 518 zu den Steuerventilen 222(1) und 222(2) geführt zu werden.

Die Prozesse des ersten und zweiten Regelkreises stellen ein einfaches Beispiel für die Zuführung von Brenn­ stoff zum Kessel zur Regelung der Dampftemperatur dar. Es entsteht so ein Regelkreis, bei dem die Dampftemperatur und die Brennstoff-Durchflußrate gemessen werden und an den Meß­ werten eine PID-Operation ausgeführt wird, um Steuersignale für die Brennstoffventile zu erzeugen.

Es werden nun die Konvertermodule 509 bis 512 der Si­ gnalkonvertereinheit 508 genauer beschrieben.

An die Sensoranschlußstellen sind verschiedene Arten von Sensoren angeschlossen, und die erhaltenen Signale vari­ ieren über einen großen Bereich. Es ist daher erforderlich, im Konvertermodul die Verstärkung und die Vorspannung der Verstärkerschaltung darin auf den jeweils angeschlossenen Sensor einzustellen. Wenn eine elektrische Trennung erforder­ lich ist, ist eine Isolierschaltung vorzusehen.

Es wird im folgenden ein herkömmliches Konvertermodul für einen Thermoelementsensor (insbesondere ein Thermoelement vom Typ K mit einem Betriebsbereich von 300°C bis 600°C) be­ schrieben.

Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines solchen, ersten Konvertermoduls.

Der Aufbau der Fig. 3 umfaßt einen Eingangsanschluß 1, einen Eingangsverstärker 2, einen Verstärkungseinstellwi­ derstand Rg 3 zum Einstellen der Verstärkung des Verstärkers 2, eine Vorspannungs-Stromversorgung 4, eine Vorspannungsein­ stellschaltung 5, eine Isolierschaltung 6, eine Ausgangs­ schaltung 7 und einen Ausgangsanschluß 8.

Die Thermoelementsignale für die Temperaturen im Be­ reich von 300°C bis 600°C werden im Konvertermodul in Span­ nungssignale im Bereich von 1 V Gleichspannung bis 5 V Gleichspannung umgewandelt, um in die PIO-Einheit 502 einge­ geben werden zu können. Bei der Umwandlung werden die Werte für die thermoelektromotorische Kraft des Thermoelements, die im Bereich von 12,207 mV bis 24,902 mV liegen, mit etwa 315 multipliziert, um Spannungen im Bereich von 3,846 V bis 7,846 V zu erhalten. Durch das Hinzuaddieren einer Vorspannung von -2,846 V werden dann Spannungswerte im Bereich von 1 V Gleichspannung bis 5 V Gleichspannung erhalten. Wenn der Sen­ sor ein K-Typ-Thermoelement mit einem Betriebsbereich von 300°C bis 600°C ist, ist es daher erforderlich, vorab die Vorgabewerte einzustellen, d. h. 315 als den Wert für die Ver­ stärkung und -2,846 V als Vorspannung. Das erste Konvertermo­ dul wird daher wie folgt initialisiert: Zuerst wird der Ver­ stärkungseinstellwiderstand 3 entsprechend eingestellt, um die Verstärkung des Verstärkers 2 auf den Wert von 315 zu bringen, und dann werden die Vorspannungs-Stromversorgung 4 und die Vorspannungseinstellschaltung 5 so eingestellt, daß die Vorspannung -2,846 V beträgt.

Die Werte für die Verstärkung und die Vorspannung sind somit entsprechend der Art des Sensors und dem Bereich der von diesem erzeugten Eingangssignale vorher zu berechnen, und die Schaltungsparameter des ersten Konvertermoduls sind demgemäß einzustellen.

Anhand der Fig. 4 erfolgt nun die Beschreibung eines Beispiels für ein zweites Konvertermodul mit einem Mikropro­ zessor.

In der Fig. 4 haben gleiche Komponenten wie in der Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen. Die Konfiguration umfaßt einen Eingangsanschluß 1, einen Eingangsverstärker 2, eine Ausgangsschaltung 7, einen Ausgangsanschluß 8, einen Analog- Digital-Konverter 9, eine digitale Signalverarbeitungsschal­ tung 10 mit einem Mikrocomputer MPU, eine Isolierschaltung 11 und einen Digital-Analog-Konverter 12.

Bei diesem Beispiel kann der Sensortyp und der Si­ gnalbereich in der Signalverarbeitungsschaltung 10 einge­ stellt werden. Während beim obigen ersten Konvertermodul der Verstärkungseinstellwiderstand und die Vorspannungs-Strom­ versorgung so eingestellt wurden, daß für jeden Sensortyp der entsprechende Signalbereich erhalten wurde, werden beim zwei­ ten Konvertermodul die Meßbereiche für die jeweiligen Senso­ ren wie Thermoelemente und Thermowiderstände auf den ganzen möglichen Wertebereich eingestellt, und die entsprechenden Signalbereiche werden durch arithmetische Operationen in der Schaltung 10 bestimmt. Zum Beispiel umfaßt der Meßbereich von Thermoelementen Werte für die elektromotorische Kraft von -10 mV bis 80 mV. Entsprechend diesem Bereich werden der Ein­ gangs-Nullpunkt und die Eingangssignalspanne für die Ein­ gangssignale eingestellt. Wenn zum Beispiel das Eingangs­ signal im Verstärker 2 mit 89 multipliziert wird und zum ver­ stärkten Wert eine Spannung von 1,9 V addiert wird, werden Signale im Bereich von -10 mV bis 80 mV in Signale im Bereich von 1 V bis 9 V umgewandelt. Wenn der A/D-Konverter 9 nun einen Eingangsbereich von 0 V bis 10 V aufweist und der Be­ reich von 0 V bis 1 V sowie der Bereich von 9 V bis 10 V ein Unterlaufbereich bzw. Überlaufbereich ist, kann das Modul für jede Art von Thermoelement einschließlich K- und E-Typ-Ther­ moelementen verwendet werden, da die anderen erforderlichen Einstelloperationen über arithmetische Operationen in der Signalverarbeitungsschaltung 10 ausgeführt werden.

Die Signalverarbeitungsschaltung 10 umfaßt einen Speicherbereich zum Speichern der Sensortypen und Signalbe­ reiche; darüberhinaus sind Datentabellen zum Linearisieren der Ausgangswerte einer Anzahl von Sensoren vorgesehen. Als Korrekturdaten für Thermoelemente sind zum Beispiel die Werte der thermoelektromotorischen Kraft gemäß der Definition im japanischen Industriestandard (JIS) geeignet. Wenn solche Werte vorab als Datentabelle von Korrekturdaten gespeichert werden, kann bei der Linearisation der Daten leicht eine In­ terpolation erfolgen.

Bei diesem Aufbau werden, wenn wie beim ersten Kon­ vertermodul ein Thermoelement des Typs K mit einem Betriebs­ bereich von 300°C bis 600°C an den Eingangsanschluß ange­ schlossen werden soll, der Thermoelementtyp und der Signalbe­ reich vorab als "Typ K" und "von 300°C bis 600°C" in die Si­ gnalverarbeitungsschaltung 10 eingegeben. In der Schaltung 10 ist festgelegt, daß dabei der Eingangs-Nullpunkt auf 12,207 mV eingestellt wird und ein Ausgangssignal von 1 V Gleich­ spannung 300°C entspricht; darüberhinaus reicht die Eingangs­ signalspanne bis zu 24,902 mV, und ein Ausgangssignal von 5 V Gleichspannung entspricht 600°C. Die Bereichsfestlegung und die Signalverarbeitung erfolgt unter diesen Bedingungen. Zur Korrektur wird in der Datentabelle der Abschnitt ausgewählt, der den Bereich von 300°C bis 600°C betrifft.

Das zweite Konvertermodul kann daher die gewünschten Ausgangssignale erzeugen, wenn nur der Sensortyp und der Ein­ gangssignalbereich eingestellt werden. Insbesondere brauchen bei diesem Modul keine Schaltungsparameter gemäß dem Sensor­ typ und dem Signalbereich berechnet und eingestellt werden, wie dies beim ersten Konvertermodul erforderlich war.

Die oben als Beispiele für den Stand der Technik be­ schriebenen Konvertermodule haben die folgenden Nachteile.

Jedesmal, wenn sich der Sensortyp und der Signalbe­ reich ändern, müssen beim ersten Konvertermodul die Verstär­ kungs- und Vorspannungswerte zum Einstellen der Schaltungspa­ rameter neu berechnet und geändert werden.

Bei der Prozeßsignalverarbeitung wird jedoch in der Regel eine große Anzahl von Konvertermodulen verwendet. Es ist daher üblich, die Konvertermodule als Blöcke in der Art der Signalkonvertereinheit 508 der Fig. 5 auszubilden, wobei die Konvertermodule in Gruppen für 8, 16 oder 32 Punkte zu­ sammengefaßt werden, was den Installationsraum und den Ver­ drahtungsaufwand verringert. Die Gesamtschaltung kann so mit relativ geringen Kosten erstellt werden. Die einzelnen Ele­ mente bzw. Module der Mehrpunkt-Signalkonvertereinheit erfor­ dern jedoch bei dem obigen Aufbau mit ersten Konvertermodu­ len, daß an jedem Punkt eine Bestimmung und Einstellung der Verstärkung und der Vorspannung erfolgt.

Bei den zweiten Konvertermodulen brauchen dagegen die Verstärkung und die Vorspannung nicht bei jeder Änderung des Sensortyps und des Signalbereichs im Schaltungsbereich erneut festgelegt und eingestellt zu werden. Mit einem hochpräzisen A/D-Konverter und einem Mikrocomputer läßt sich ein Konver­ termodul aufbauen, das nur durch die Eingabe des Sensortyps und des Signalbereichs betrieben werden kann. Es ist jedoch dabei an jedem Punkt ein A/D-Konverter, ein Mikrocomputer und ein D/A-Konverter erforderlich. Bei einem Mehrpunktsignalkon­ verteraufbau dieser Art erhöht daher das zweite Konvertermo­ dul die Gesamtkosten für das System beträchtlich.

Darüberhinaus tritt, auch wenn bei einer Anzahl der obigen ersten oder zweiten Konvertermodule die Verstärkung und die Vorspannung nominell gleich sind, aufgrund von Schwankungen in der Qualität der einzelnen Bauteile ein Feh­ ler von mehreren Prozent auf. Um diesen Fehler zu korrigie­ ren, wurde bisher in den Modulen ein variabler Widerstand oder dergleichen vorgesehen, was jedoch einen erheblichen Aufwand darstellt.

Außerdem sind die PIO-Einheit, die Signalkonver­ tereinheit und die Anschlußleisteneinheit bei dem herkömmli­ chen Aufbau der Fig. 5 voneinander getrennt. Wenn daher bei der Wartung des Systems die einzelnen Regelkreise überprüft werden, wird der Signalkonverter für die Eingangsprüfung ver­ wendet und die Anschlußleisteneinheit für die Ausgangsprüfung betrieben. Das heißt, daß bei der Regelkreisüberprüfung für jedes Eingangs- und Ausgangssignal das Konvertermodul und die Anschlußleiste einzeln identifiziert werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mehrpunktsignalkonverter des Blocktyps zu schaffen, dessen Herstellungskosten gering sind und der leicht auf den jewei­ ligen Aufgabenbereich eingestellt werden kann. Um die Wartung zu erleichtern, sollen die Eingangs- und Ausgangssignale je­ des Regelkreises zusammengefaßt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist, wie im Patentanspruch 1 angegeben, erfindungsgemäß ein Signalkonverter vorgesehen, der die Signale von einer Anzahl von Sensoranschlüssen auf­ nimmt, um die physikalischen Größen einer Produktionsanlage zu erfassen, der an den Signalen die erforderliche Verarbei­ tung ausführt, um die Signale zu einem Zentralrechner geben zu können, und der die Signale vom Zentralrechner zu Operati­ onsanschlüssen in der Anlage überträgt. Der Signalkonverter umfaßt wenigstens ein Konvertereingangsmodul mit einem Ver­ stärker für die Aufnahme des Signals von einem Sensoranschluß und das Ausführen einer vorgegebenen Verstärkungsoperation am Signal und mit einem Speicher, in dem Informationen für den Sensoranschluß und den Verstärker gespeichert sind, wenig­ stens ein Konverterausgangsmodul mit einer Steuersignalaus­ gangsschaltung zum Umwandeln der Signale vom Zentralrechner in vorgegebene Steuersignale, die dann zum Operationsanschluß geführt werden, und mit einem Speicher, in dem Informationen für den Operationsanschluß und die Steuersignalausgangsschal­ tung gespeichert sind, sowie einen Signalverarbeitungsab­ schnitt mit einer Verbindungseinheit zum Verbinden der Kon­ vertereingangsmodule mit einer Signalverarbeitungsschaltung zur Signalverarbeitung für die Kommunikation mit dem Zentral­ rechner.

Diese erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß die Konvertereingangs- und Konverterausgangsmodule mit minimalem Aufwand aufgebaut werden können, was die Kosten verringert, und daß der Signalverarbeitungsabschnitt die Li­ nearisierung und die Bereichsfestlegung für eine Anzahl von Konvertermodulen ausführt, wodurch sich der Aufwand für den Signalverarbeitungsabschnitt auf 1/n (n = 8, 16 oder 32) des ursprünglichen Aufwands verringert. Jedes Konvertermodul be­ inhaltet einen Speicher zum Speichern von Informationen über den angeschlossenen Sensor bzw. das angeschlossene Gerät und zum Einstellen der Daten für das Modul, so daß die Module ersetzt werden können, ohne daß Einstellvorgänge erforderlich sind.

Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Si­ gnalkonverter werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalkonverters;

Fig. 2 die Darstellung eines Signalverarbeitungssy­ stems, bei dem der erfindungsgemäße Signalkonverter verwendet wird;

Fig. 3 ein erstes Beispiel für den Aufbau eines her­ kömmlichen Signalkonvertermoduls;

Fig. 4 ein zweites Beispiel für den Aufbau eines her­ kömmlichen Signalkonvertermoduls;

Fig. 5 die Darstellung eines Signalverarbeitungssy­ stems, bei dem der herkömmliche Signalkonverter verwendet wird;

Fig. 6 ein Flußdiagramm für die Signalverarbeitung im erfindungsgemäßen Signalkonverter;

Fig. 7 eine Darstellung des Speicherinhalts eines nichtflüchtigen Speichers;

Fig. 8 eine Darstellung der Datenanordnung in einer Moduldatentabelle;

Fig. 9 die Darstellung einer Eingabeabfragetabelle;

Fig. 10 die Darstellung einer Ausgabeabfragetabelle; und

Fig. 11 die Darstellung einer Ausgangssignal-Datenta­ belle.

Es werden im folgenden einige Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt ein einfaches Beispiel für ein Pro­ zeßsteuersystem, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird.

Das System umfaßt einen Zentralrechner 201; eine Kom­ munikationsleitung 207; einen Signalkonverter 208 mit Konver­ tereingangsmodulen 209 bis 212, Konverterausgangsmodulen 225 und 226, einem Interface 213, einer Stromversorgung 214 und einem Signalverarbeitungsabschnitt 208'; Durchflußratenmeßge­ räte 221(1) und 221(2); Steuerventile 222(1) und 222(2); Tem­ peratursensoranschlüsse 223(1) und 223(2) und Kessel 224(1) und 224(2). Dieses Beispielsystem weist, wie das der Fig. 5, zwei Regelkreise auf, von denen jeder einen einfachen Prozeß ausführt, bei dem Brennstoff so zum Kessel 224 geführt wird, daß die Dampftemperatur davon geregelt ist.

Die Arbeitsweise dieses Aufbaus gemäß der vorliegen­ den Erfindung wird nun kurz erläutert. Zuerst werden die Si­ gnale vom Durchflußmeßgerät 221(1) und 221(2) und von den Sensoranschlüssen 223(1) und 223(2) zu den Konvertereingangs­ modulen 209 bis 212 geführt und anschließend im Signalverar­ beitungsabschnitt 208' in digitale Werte umgewandelt. Die verarbeiteten Signale aus den einzelnen Konvertereingangsmo­ dulen werden dann vom Interface 213 aufgenommen, um über die Leitung 207 zum Zentralrechner 201 geführt zu werden.

Der Rechner 201 führt an den aufgenommenen Prozeßsi­ gnalen arithmetische Operationen wie PID-Operationen aus, um Steuerwerte zu erzeugen. Diese Werte werden über die Leitung 207 und das Interface 213 wieder dem Signalverarbeitungsab­ schnitt 208' zugeführt. Im Abschnitt 208' werden die digita­ len Werte in analoge Werte umgewandelt, damit sie als Steuer­ ausgangssignale für den ersten bzw. zweiten Regelkreis zu den Konverterausgangsmodulen 225 und 226 geführt werden können. Die Module 225 und 226 verstärken die erhaltenen Signale, um die endgültigen Steuerausgangssignale zum Ansteuern der Ven­ tile 222(1) und 222(2) zu erzeugen, und geben sie an das Steuerventil 222(1) bzw. 222(2) aus.

Wie sich aus dieser Erläuterung der Vorgänge bei der Verarbeitung der Signale von der Produktionsanlage wie den Signalen von bzw. für das Durchflußmeßgerät und das Steuer­ ventil und der Signale vom Zentralrechner 201 ergibt, sind die drei Einheiten des herkömmlichen Signalkonverters der Fig. 5, die PIO-Einheit 502, die Signalkonvertereinheit 508 und die Anschlußleisteneinheit 516, bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Fig. 2 im Signalkonverter 208 zusammenge­ faßt.

Anhand der Fig. 1 wird die Funktionsweise des erfin­ dungsgemäßen Signalkonverters beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Teil des Signalkonverters 208 der Fig. 2, bei dem nur die beiden Eingänge und der eine Ausgang für den ersten Regelkreis dar­ gestellt sind. Der Aufbau umfaßt somit die beiden Konver­ tereingangsmodule 209 und 210 mit jeweils einem Eingangsan­ schluß 1, einem Eingangsverstärker 2, einer Isolierschaltung 6, einer Ausgangsschaltung 7 und einem nichtflüchtigen Spei­ cher 14; das Konverterausgangsmodul 225 mit einem Steueraus­ gangsanschluß 22, einer Steuerausgangsschaltung 23, einer Analogsignal-Halteschaltung 24 und ebenfalls einem nicht­ flüchtigen Speicher 14; den Signalverarbeitungsabschnitt 208' mit einer Verbindungseinheit mit drei Multiplexern (MPX) 15, 16 und 25, einem A/D-Konverter 9, einer digitalen Signalver­ arbeitungsschaltung 10, einer Kommunikationsschaltung 13, einem D/A-Konverter 27 und einem Ausgangsanschluß 28.

Die Eingangsmodule 209 und 210 und das Ausgangsmodul 225 der Fig. 1 werden wie in der Fig. 2 gezeigt modular zu­ sammengesetzt. Die zugehörigen Komponenten sind mit den glei­ chen Bezugszeichen bezeichnet. Die einzelnen Module sind mit dem Signalverarbeitungsabschnitt 208' verbunden. Der Signal­ verarbeitungsabschnitt 208' umfaßt die Verbindungseinheit mit den Multiplexern 15, 16 und 26, die jeweils mit einer Anzahl von Modulen wie den Eingangsmodulen 209 und 210 und dem Aus­ gangsmodul 225 sowie den nichtflüchtigen Speichern in den Mo­ dulen verbunden sind. Die Multiplexer weisen für die Verbin­ dung mit einem Eingangsmodul und/oder einem Ausgangsmodul einen entsprechenden Eingangs/Ausgangsanschluß bzw. Anschlüs­ se für den nichtflüchtigen Speicher 14 auf. Es können belie­ big viele Multiplexer mit beliebig vielen Anschlüssen als Verbindungselemente verwendet werden, zum Beispiel 8, 16 oder 32 Verbindungselemente. In der Fig. 1 sind die ersten beiden Verbindungselemente bzw. Anschlüsse der Multiplexer 15 und 26 jeweils für ein Eingangsmodul vorgesehen und das dritte Ver­ bindungselement bzw. der dritte Anschluß für das Ausgangsmo­ dul, um die Ein- und Ausgangssignale zu und vom ersten Regel­ kreis der Fig. 2 weiterzuleiten.

Beispielhaft wird nun anhand des Moduls 210 die Ar­ beitsweise eines Konvertereingangsmoduls für die Verarbeitung der Sensoreingangssignale beschrieben.

Das Konvertereingangsmodul stellt ein Interface dar, das in Abhängigkeit von der angeschlossenen Vorrichtung wie einem Thermoelement, einem Temperaturwiderstand, einem Meß­ wandler oder dergleichen verschieden ausgestaltet ist. Das heißt, daß das Modul speziell für die an den Eingangsanschluß angeschlossene Vorrichtung vorgesehen ist. Der Grundaufbau des Moduls entspricht jedoch dem in der Fig. 1 gezeigten Auf­ bau, damit alle Eingangsmodule die gleichen Operationen aus­ führen, bei denen das Eingangssignal vom Verstärker 2 auf eine vorgegebene Spannung verstärkt wird und die aus der Schaltung 7 ausgegebenen Signale von der Schaltung 6 isoliert werden.

Wenn der an den Eingangsanschluß 1 des Moduls 210 an­ geschlossene Temperatursensor 223 ein Thermoelement vom Typ K mit einem Betriebsbereich von 300°C bis 600°C ist, wird das Modul 210 wie folgt vorab eingestellt: Der Verstärker 2 weist eine Verstärkung auf, bei der das Eingangssignal mit 89 mul­ tipliziert wird, und die Vorspannung ist gleich 1,9 V, wie im Beispiel der Fig. 4.

Jedes der Eingangs- und Ausgangsmodule weist einen nichtflüchtigen Speicher 14 auf. Die Fig. 7 zeigt den Inhalt des Speichers 14. Wie sich aus dieser Datenanordnung ergibt, sind in den Speicher 14 die Einstelldaten für die in die je­ weiligen Module eingegebenen und davon ausgegebenen Signale, Daten über die Sensortypen und Meßbereiche und Daten für die Linearisierung eingeschrieben.

Da beim vorliegenden Beispiel das Eingangsmodul 210 für ein Thermoelement verwendet wird, sind die Vorgabewerte für die Verstärkung und die Vorspannung 89 bzw. 1,9 V. Auch bei gleichen Vorgabewerten tritt jedoch von einem Modul zum anderen ein Fehler von mehreren Prozent aufgrund von Schwan­ kungen in der Qualität der Bauteile davon auf. Um den Fehler zu korrigieren, wird nicht wie beim Stand der Technik ein veränderbarer Widerstand oder dergleichen vorgesehen, sondern es werden erfindungsgemäß vorher Eingangs- und Ausgangsdaten aufgenommen, um daraus Einstelldaten zu erzeugen, die eine Korrektur mittels arithmetischer Operationen erlauben. Auch wenn die Präzision der Linearisierung von der Größenordnung der zu linearisierenden Daten abhängt, kann für ein Thermo­ element eine Genauigkeit von etwa 0,1% garantiert werden, wenn die Daten mit einem Intervall von etwa 10°C vorbereitet werden. Da nur wenige Daten zu speichern sind, kann der nichtflüchtige Speicher 14 ein kostengünstiger Speicher mit seriellem Interface und einer Kapazität von etwa 512 Bit sein.

Anhand des Flußdiagramms der Fig. 6 erfolgt nun eine Beschreibung der Arbeitsweise des Signalverarbeitungsab­ schnitts 208'. Die Vorgänge der Fig. 6 werden nach dem Ein­ schalten des Systems und in bestimmten Zeitabständen danach ausgeführt. Die Wiederholung erfolgt, um auch den Fall zu erfassen, bei dem der Verstärkerabschnitt im aktiven Zustand ersetzt wird.

Zuerst wird die Verarbeitung des Sensorsignals im Ab­ schnitt (1) des Flußdiagramms beschrieben.

Zuerst fragt der Multiplexer 16 den Speicher 14 jedes Moduls ab, das an den Signalverarbeitungsabschnitt 208' ange­ schlossen ist, um daraus die erforderlichen Informationen auszulesen (Schritt 601).

Dann wird mit den aus den jeweiligen Modulen erhalte­ nen Daten eine Moduldatentabelle erstellt (Schritt 602). Die Fig. 8 zeigt ein Beispiel für eine solche Tabelle. Für jedes abgefragte Modul sind in der Tabelle eine Anzeige für die Eingabe- oder Ausgabeoperation des Moduls, die Art der Ein­ gangssignale bei einem Eingangsmodul (d. h. von einem Thermo­ element, einem Thermowiderstand, einem Meßwandler oder der­ gleichen), der Meßbereich der Eingangssignale und erforderli­ chenfalls Daten für die Einstellung und Linearisierung ge­ speichert.

Gemäß den Daten, die eine Eingabe- oder Ausgabeopera­ tion der Module in der Tabelle anzeigen, wird eine Eingabeab­ fragetabelle und eine Ausgabeabfragetabelle erstellt, wie es in der Fig. 9 bzw. der Fig. 10 dargestellt ist (Schritt 603). Im vorliegenden Fall wird in Verbindung mit einem Eingangsmo­ dul eine "1" an jeder entsprechenden Adresse der Eingabeab­ fragetabelle gesetzt und in Verbindung mit einem Ausgangsmo­ dul eine "1" an jeder entsprechenden Adresse der Ausgabeab­ fragetabelle.

Der Multiplexer 15 sucht dann jedes Modul, das an den Signalverarbeitungsabschnitt 208' angeschlossen ist, nach Eingangssignalen ab (Schritt 604). Der Multiplexer 15 führt die Abfrage auch dann vollständig durch, wenn an den Ab­ schnitt 208' auch oder nur Ausgangsmodule angeschlossen sind oder Anschlüsse vorhanden sind, die nicht mit einem Modul verbunden sind.

In Übereinstimmung mit der Eingangsabfragetabelle werden nur die Eingangssignale von Modulen angenommen, die als Eingangsmodule erkannt wurden, und diese Signale werden von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 10 umgewandelt und von der Kommunikationsschaltung 13 am Ausgangsanschluß 28 ausgegeben (Schritt 605). Bei der Umwandlung werden die Daten des Eingangssignals, die über den A/D-Konverter 9 erhalten werden, gemäß den Einstelldaten für jedes Modul verarbeitet, die vorher in der Moduldatentabelle gespeichert wurden. Dann werden gemäß dem Sensortyp, dem Meßbereich des Sensors und den Linearisierungsdaten eine Bereichsoperation und eine Li­ nearisierungsoperation ausgeführt, um Ausgangswerte zu erzeu­ gen. Im Gegensatz zum herkömmlichen Beispiel der Fig. 4, bei dem die Ausgangswerte in Analogwerte umgewandelt wurden, wer­ den bei der vorliegenden Ausführungsform die Ausgangsdaten aus den folgenden Gründen von der Kommunikationsschaltung 13 digital übertragen: Auch wenn die Daten als Analogsignale erhalten werden, wandelt der Zentralrechner die Analogsignale zur Verarbeitung in Digitalsignale um. Es ist natürlich auch möglich, in der Stufe nach der digitalen Signalverarbeitungs­ schaltung 10 eine D/A-Konverterschaltung und eine Ausgabe­ schaltung vorzusehen, um Analogsignale auszugeben.

Es wird nun die Ausgabe von Steuersignalen im Ab­ schnitt (2) des Flußdiagramms der Fig. 6 beschrieben.

Die Steuerausgangssignale werden vom Zentralrechner 201 ausgegeben. Der Signalverarbeitungsabschnitt 208' spei­ chert beim Erhalt von Steuerdaten, die an ein Ausgabemodul auszugeben sind, das an die Verbindungseinheit angeschlossen ist, die Daten in der Ausgangsdatentabelle der Fig. 11 (Schritt 606).

Daraufhin fragt der Abschnitt 208' den Inhalt der Ta­ belle ab, um die Steuerdaten zu einem der Module zu übertra­ gen. Bei dem Abschnitt 208' der vorliegenden Ausführungsform wird, auch wenn die ersten beiden Anschlüsse der Verbindungs­ einheit mit einem Eingabemodul verbunden sind und nur der dritte Anschluß der Verbindungseinheit mit einem Ausgabemodul verbunden ist, die Datenausgabeoperation auf allen Kanälen ausgeführt. Da die Hardware der Leitungsverbindung bei einem Eingabemodul anders ist als bei einem Ausgabemodul, werden die zu einem Eingabemodul ausgegebenen Daten schlicht igno­ riert, so daß dadurch keine Schwierigkeiten entstehen.

Beim Aussenden der Daten zum Konverterausgangsmodul 225 werden, wenn das Modul 225 vom Multiplexer 26 angewählt wurde, die dem Modul 225 zugeordneten Steuerdaten vom D/A-Kon­ verter 27 in ein Analogsignal umgewandelt und als solches ausgegeben. Die Daten werden in der Analogsignal-Halte­ schaltung 24 des Moduls 225 gehalten. Dann werden die Daten von der Ausgangsschaltung 23 zum Steuersignalausgangsanschluß 22 gegeben. Die Halteschaltung 24 braucht nur eine einfache Schaltung mit Kondensatoren zu sein. Die Schaltung 23 ist ein Spannungs-Strom-Wandler (V/I-Wandler), der ein analoges Span­ nungssignal in ein Stromsignal im Bereich von 4 mA Gleich­ strom bis 20 mA Gleichstrom umwandelt.

Im Abschnitt (2) erfolgt somit die Ausgangssignalver­ arbeitung. Es ist ersichtlich, daß, auch wenn eine Anzahl von Eingabe- und Ausgabemodulen in der Anordnung vorhanden ist, die obigen Operationen durch Kombinieren der Eingangssignal­ verarbeitung im Abschnitt (1) mit der Ausgangssignalverarbei­ tung im Abschnitt (2) durchgeführt werden können.

Nach der Ausgangssignalverarbeitung gemäß Abschnitt (2) kehrt die Steuerung nach einem festen Zeitintervall zum Schritt 601 der Fig. 6 zurück, um die Verarbeitung zu wieder­ holen.

Bei der Eingangssignalverarbeitung im Schritt 604 und der Ausgangssignalverarbeitung im Schritt 607 kann die Verar­ beitungsgeschwindigkeit dadurch angehoben werden, daß selek­ tiv die Verarbeitung nur für Module erfolgt, bei denen eine "1" in der Eingabe- bzw. Ausgabeabfragetabelle steht.

Dank dieser Verarbeitung lassen sich die PIO-Einheit, die Konvertereinheit und die Anschlußleisteneinheit der Fig. 5 in einer einzigen Einheit, dem erfindungsgemäßen Signalkon­ verter 208, zusammenfassen.

Im Vergleich zu dem herkömmlichen Aufbau der Fig. 5 sind somit bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Fig. 2 die PIO-Einheit und die Anschlußleisteneinheit nicht erforder­ lich. Das heißt, daß sich das System preisgünstiger aufbauen läßt. Auch die Leitungen zwischen diesen Einheiten sind nicht erforderlich. Bei der erfindungsgemäßen Konfiguration können die Eingangs- und Ausgangsmodule für jeden Regelkreis zusam­ mengefaßt werden, was die Wartung sehr erleichtert.

Erfindungsgemäß läßt sich das Konvertereingangsmodul aus einer Verstärkerschaltung, einer Isolierschaltung und einem nichtflüchtigen Speicher einfach aufbauen. Dadurch wer­ den die Kosten für das Modul und damit die Kosten je An­ schlußpunkt verringert. Da die Eingangs- und Ausgangsmodule des Signalkonverters 208 auch gemischt angebracht werden kön­ nen, können die Eingangs- und Ausgangssignale für jeden Re­ gelkreis zusammen betrachtet werden, was die Wartung erleich­ tert.

Wenn das System erfindungsgemäß aufgebaut wird, kön­ nen die beim Stand der Technik erforderlichen PIO- und An­ schlußleisteneinheiten weggelassen werden. Die Systemkosten verringern sich dadurch.

Der Signalverarbeitungsabschnitt 208' unterstützt ei­ ne Anzahl von Modulen, d. h. für eine Anzahl von Konverterein­ gangs- und Konverterausgangsmodulen ist nur ein gemeinsamer Signalverarbeitungsabschnitt 208' erforderlich. Wenn mit dem Abschnitt 208' n Module verbunden sind, verringern sich die Kosten pro Modul auf 1/n der ursprünglichen Kosten. Die vor­ liegende Erfindung umfaßt die Grundlage für einen Mehrbe­ reichssignalkonverter, bei dem ein Eingangs/Ausgangsmodul ein und derselben Art für mehrere Bereiche verwendet werden kann, wodurch sich die Systemkosten ebenfalls vermindern.

Der nichtflüchtige Speicher des Moduls enthält auch die Einstelldaten, und der variable Widerstand des Standes der Technik ist nicht erforderlich. Entsprechend ist auch keine Einstellung des Widerstandes erforderlich, was die Sy­ stemkosten weiter vermindert. Es sind keine beweglichen Teile mehr vorhanden, was die Zuverlässigkeit des Systems erhöht. Die Daten über den Sensortyp und den Meßbereich sind eben­ falls im nichtflüchtigen Speicher des Moduls gespeichert. Folglich braucht, wenn in einem Modul ein Fehler auftritt, nur das Modul ersetzt zu werden, d. h. die Arbeit kann schnell wieder aufgenommen werden. Da mit dem Signalverarbeitungsab­ schnitt verschiedene Module verbunden werden können, ist es möglich, Signalkonverter für die verschiedensten Zwecke zu konstruieren.

Claims (4)

1. Signalkonverter des Mischtyps, der an einer Anzahl von Sensoranschlüssen (221, 223) Signale aufnimmt, die physi­ kalische Größen in einer Produktionsanlage darstellen; der die Signale verarbeitet, um sie an einen Zentralrechner (201) geben zu können; und der Signale vom Zentralrechner (201) zu Operationsanschlüssen (22) in der Anlage überträgt; gekennzeichnet durch
wenigstens ein Konvertereingangsmodul (209; 210) mit einem Verstärker (2) zur Aufnahme eines Signals von einem Sensoranschluß (221; 223) und zum Ausführen einer vorgegebe­ nen Verstärkungsoperation am Signal sowie mit einem Speicher (14), in dem Informationen über den Sensoranschluß (221; 223) und den Verstärker (2) gespeichert sind;
wenigstens ein Konverterausgangsmodul (225) mit einer Steuersignalausgangsschaltung (23) zum Umwandeln der Signale vom Zentralrechner (201) in vorgegebene Steuersignale, die zum Operationsanschluß (22) übertragen werden, und mit einem Speicher (14), in dem Informationen über den Operationsan­ schluß (22) und die Steuersignalausgangsschaltung (23) ge­ speichert sind; und durch
einen Signalverarbeitungsabschnitt (208') mit einer Verbindungseinheit (15, 16, 26), die mit den Konverterein­ gangs- und Konverterausgangsmodulen (209, 210, 225) verbunden ist, und mit einer Signalverarbeitungsschaltung (10), die zum Ausführen der Signalverarbeitung für die Kommunikation mit den Zentralrechner (201) an die Verbindungseinheit (15, 16, 26) angeschlossen ist.

2. Signalkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Konvertereingangs- und Konverterausgangsmodule (209, 210, 225) an bzw. von jeder beliebigen Stelle der Ver­ bindungseinheit (15, 16, 26) des Signalkonverters (208) in­ stalliert und entfernt werden können.

3. Signalkonverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbindungseinheit (15, 16, 26) ein erstes Ver­ bindungselement (Multiplexer 15) für die Aufnahme eines Si­ gnals vom Konvertereingangsmodul (209; 210), ein zweites Ver­ bindungselement (Multiplexer 26) zum Übertragen eines Signals zum Konverterausgangsmodul (225) und ein drittes Verbindungs­ element (Multiplexer 16) zum Auslesen von Informationen aus dem Speicher (14) des jeweiligen Moduls (209, 210, 225) um­ faßt.

4. Signalkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verstärker (2) des Konvertereingangsmoduls (209; 210) jeweils in Abhängigkeit von der Art des daran ange­ schlossenen Sensors (221; 223) verschieden eingestellt ist.