-
ÜBERTRAGUNGSVORRICHTUNG FÜR ELEKTROMAGNETISCHE SIGNALE IN STARK GESTÖRTEN
RÄUMEN Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen von elektromagnetischen
Signalen durch Räume hindurch, in denen starke Störsender in Gestalt von Schützen,
Motoren, Schweißmaschinen od. dgl. stehen, deren elektromagnetische Wellen in den
Kabeln Störsignale erzeugen können, von einer ersten senderseitigen Steuervorrichtung
zu einer zweiten empfängerseitigen Steuervorrichtung, mit einer Sendevorrichtung
und mit einer Empfangsvorrichtung und mit einem Sendevorrichtung und Empfangsvorrichtung
verbindenden Kabel, wobei mindestens auf einem Teil der Übertragungsstrecke die
Signale Gleichstromsignale sind.
-
In Fabrikhallen, aber auch im Freigelände von Firmen, stehen immer
starke Störsender, die das elektromagnetische Feld in ihrem Gebiet stark ändern
können, Schaltet z. B.
-
ein Schütz einen Motor von einigen zig Kilowatt, so entstehen kurzzeitig
starke elektromagnetische
Felder in der Umgebung des SchUtz Noch
größer sind Feldänderungen, welche Schweißmaschinen beim Aus- und Einschalten erzeugen.
Liegen elektrische Leitungen im Bereich solcher Störsender, so liegt die eingekoppelte
Leistung im Milliwattbereich, die Spannungen mit Spannungsspitzen von etwa 100 -
200 Volt haben können Die Längen von Fabrikhallen oder Fabrikgeländen liegen größenordnungsmößig
im Bereich von einigen zig Metern bis zu wenigen Kilometern. Verlegt man in diesen
Bereichen eine elektrische Leitung, so ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß sie
längs mehrerer Störsender verläuft. Mehrere Störsender passiert auch eine Leitung,
wenn sie längs Werkzeugmaschinenstraßen und Transferstraßen liegt.
-
Räume, in denen elektrische Rechenmaschinen untergebracht sind, muß
man für diese Rechenmaschinen präparieren. In den Boden, die Decke und die Wände
dieser Rechenmaschinen werden Erdungsfolien und Erdungsnetze zur e lektromagnetischen
Abschirmung eingebaut. Spezielle Anordnungen und Fußbodenbeläge sorgen dafür, daß
keine elektrostatischen Aufladungen entstehen. Zum Einschalten der Beleuchtung in
diesen Räumen verwendet man besondere Lichtschalter. Dagegen gelingt es in der Praxis
nur unvollkommen, die durch Gewitter in die Rechner induzierten Störungen auszuschalten,
Abgesehen hiervon kann man jedoch Rechner von den Einflüssen der Störsender abschirmen.
-
Die von den Rechnern zu den Werkzeugmaschinen od. dgl. führenden Kabel
müssen jedoch oftmals dicht neben den Störsendern vorbei geführt werden
Bis
jetzt sind Übertragungssysteme bekannt, die bis 30 m weit übertragen können und
solche, die eine Übertragungslänge ab 300 km haben. DieSteernng von Werkzeugmaschinen
odv dgl. aus mehreren hundert Kilometern Entfernung ist zwar eindrucksvoll, in der
9Praxis jedoch wenig sinnvoll, ;denn in der Praxis sind Werkzeugmaschinen od.
-
dgl. nur innerhalb eines Werkgeländes zu steuern und außerdem benötigt
man ohnehin eine Ruckmeldungsleitung, die dem Rechner wieder sagt, was an der Maschine
geschehen ist.
-
Es ist bekannt, Rechnern Modems nachzuschalten und am Ende des Spezialkabeis
ebenfalls einen Modem vorzusehen. Bei diesem System verwendet man Bänder von 30
Hz bis 3,3 kHz, in denen man natürlich nur eine beschränkte Anzahl von Signalkanälen
unterbringen kann. Sind mehrere Bänder notwendig, so moduliert man sie mit einer
Trägerfrequenz und legt die Bänder in bestimmte Frequenzbereiche, so wie dies bei
der Telefonie auch der Fall ist. Sind viele Bänder zu übertragen, was häufig der
Fall ist, so benötigt man zur Verbindung der Modems Breitbandkabel oder vielleicht
sogar Koaxialkabel. Modems können nur eine bestimmte bit-Zahl übertragen, z. B.
2400 bit/sec oder 1200 bit/sec. Frequenzen bis zu 10 kHz kann man mit Modems schlecht
bewältigen.
-
Man muß hier sehr viel Aufwand für die Prüfung der richtigen Übertragung
treiben. Eine Gleichstromübertragung ist prinzipiell nicht möglich. Man braucht
für jede anzusteuernde Maschine einen Rechnerausgang und zwei Modems. Benützt man
Modems, so muß man sich mit den Vorschriften der Post,6useinandersetzen, denn Modems
dienen ja ansich dazu, Rechner an ein vorhandenes Fernmeldenetz anzupassen. Zu den
innerhalb eines
Werksgeländes wenig interessierenden Postvorschriften
kommt dann noch, daß man ggf.
-
an die Post auch noch Gebühren zahlen muß. Das bel<annte System
kostet mit zwei Modems und einem Kontroller 40.000.-- DM und ist daher im Vergleich
mit den Kosten für eine Werkzeugmaschine viel zu aufwendig. Der Aufwand wird vollends
unerträglich, wenn man ein solches System zur Übertragung auf einigen hundert Metern
oder wenigen Kilometern verwendet.
-
Für ein anderes bekanntes System dieser Art wurde ein bestimmtes spezielles
Prozesselement entwickelt. Von diesem aus führt zu jeder Maschine eine Leitung in
Gestalt eines Koaxkabels. Auf den Koaxkabeln fließen Ströme von etwa 20 mA. Die
Ausgabefrequenz ist 1 Khz, d. h. 1 kBd. Die Spannung liegt bei 12 oder 24 Volt.
Es müssen bestimmte Vorschriften über die Art des Koaxkabels und es müssen auch
Schirmungsvorschriften am Koaxkabel beachtet werden Dadurch wird die einzelne Übertragungsstrecke
sehr teuer Ein Meter Kabel kostet im Bereich zwischen 8 und 10 DM. 1 kBd ist als
Übertragungsfrequenz zu nieder. Werkzeugmaschinen, die in mehreren Achsen simultan
arbeiten, brauchen jeweils wesentlich mehr Informationen. Eigentlich bräuchten sie
12 - 16 kBd. Wegen der 1 kBd müssen sie jedoch entsprechend langsamer arbeiten und
es tritt der seltene Fall ein, daß wegen der Übertragungsstrecke der Rechner weniger
die Informationen liefern kann, als die periphere, mechanische Einheit schneller
arbeiten könnte als sie mit Informationen versorgt wird Die langsame Arbeitsweise
hängt auch mit der Störung durch die Störsender zusammen, so daß man auch wegen
der hierdurch hervorgerufenen Störung. genügend langsam arbeiten muß.
-
Viele Maschinen, wie z. B. Werkzeugmaschinen, müssen eine bestimmte
Arbeitsgeschwindigkeit haben, damit die Oberflächengüte des Werkstücks bestimmten
Anforde -rungen entspricht. Man kann deshalb nicht auf den Ausweg verfallen, die
Maschine stehen zu lassen und sie dann wieder anzufahren, wenn genügend Informationen
angesammelt worden sind.
-
Bei einem dritten bekannten System wird mit Gleichstrom und einem
maximal 5 000 Fuß langem abgeschirmten Übertragungskabel gearbeitet, das entsprechend
niedrige Signalpegel hat und bei dem man aus diesem Grund beim Abschirmen einen
großen Aufwand treiben muß. Jede Leitung des Kabels ist für sich geschirmt und alle
Leitungen miteinander werden nochmals geschirmt. Weil man auch hier ein spezielles
Prozesselement benötigt und wegen der Spezialkabel kann man sich hinsichtlich der
Bauelemente nicht auf dem freien Mark bedienen, sondern muß speziell angepasste
Geräte kaufen, die sehr teuer sein können und man muß auch spezielle Justierungen
vornehmen. Dies bedeutet in der Praxis, daß man nicht beliebige Werkzeugmaschinen
anschließen kann. Ansich wird bei Werkzeugmaschinen ein 8 bi t-Kode benötigt plus
einem weiteren Kanal für das Taktsignal. Damit nun die Übertragungskabel bei dem
bekannten System nicht zu teuer werden, setzt man einen Kodewandler ein, der auf
dem Kabel den 8 bit-Kode in einen 4 bit-Kode umwandelt. Mit diesem 4 bit-Kode steuert
man dann die Werkzeugmachine an, Damit hat man nicht mehr genügend Redundanz, so
daß die Steuerung unsicher wird.
-
Bis lang in den einschlägigen Schaltungen verwendete diskrete Logik
hat 4 Volt Störabstand.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der
man auch in stark gestörter Umgebung jede beliebige Werkzeugmaschine, Transferstraße
od. dgl. mit der notwendigen Geschwindigkeit ansteuern kann, man von den Anforderungen
an Spezialkabeln und deren Verlegung frei wird und der Gesamtaufwand höchstens etwa
1/3 bis 1/4 so groß ist, wie bei bekannten Systemen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der gesamten
Übertragungsstrecke Gleichstromsignale vorliegen, daß das Kabel ein übliches Schaltkabel
ist, daß das Kabel maximal 2,5 km lang ist, daß die Sendervorrichtung zwei antivalente
Signale gleicher Amplitude und Dauer mit einer Frequenz von maximal 10 kHz ausgibt,
daß für jedes Signal eine Ader des Kabels vorhanden ist, daß der Sendervorrichtungsausgang,
das Kabel und der Empfängc;rvorrichtungsausgang niederohmig sind und daß in der
Empfangsvorrichtung im Übertragungsweg eine Schwellwertschaltung mit einer oberen
und einer unteren Schwelle vorgesehen ist, deren Schwellwertabstand bei einer Grenzfrequenz
von 10 kHz des frequenzbestimmenden Glieds von 10 kHz das etwa 100-fache der nach
dem Glied auftretenden Störspannung ist.
-
Unter einem üblichen Schaltkabel versteht man ein solches, das weder
auf Breitbandigkeit noch Übersprechdämpfung noch besonderen Abschirmmaßnahmen noch
Anordnungen der einzelnen Leiter zueinander usr. gezüchtet ist und das gegenwärtig
zu a nem Preis etra DM/m erhältlich ist. einer gemäß der Erfindung ausRalegten Vorrichtung
kann
man das Übertragungskabel einige Male um eine Schweißmaschine herumlegen, ohne daß
Störsignale auftreten. Die angesteuerten Maschinen laufen nicht durch undefinierte
Störimpulse weg, was zu Ausschuß oder noch schlimmer zu Unfällen führen kann. Durch
den Sperreingang kann man praktisch und theoretisch eine unbegrenzte Anzahl von
Verbrauchern an den Rechner anhängen. Es entstehen keine Schwingungen, weil derjenige
Strom, den die Stromversorgung aufbringen muß, immer konstant ist.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Übertragungsstrecke, Fig. 2 ein Schaltbild
der Baugruppen des Senders, Fig. 3 ein Schaltbiid eines tatsächlich ausgeführten
Senders, Fig. 4 ein Schaltbild der Baugruppen des Empfängers, Fig. 5 ein Schaltbild
eines tatsächlich ausgeführten Empfängers.
-
Gemäß Fig. 1 hat ein Sender 11 einen Eingang E, der von einem Rechner
angesteuert wird. An seinen Ausgängen 12, 13 steht ein antivalentes Signal H (high),
L (low) an.
-
Liegt am Ausgang 12 eine Spannung an, dann liegt am Ausgang 13 keine
Spannung an und umgekehrt. Das Kabel 14 hat zwei Adern 16, 17, die aus Kupferlitze
bestehen und einen gemeinsamen Schirm 18 aufweisen. Ein Empfänger 19 hat zwei Eingänge
21, 22, wobei der Eingang 21 der H-Eingang und der Eingang 22 der L-Eingang ist.
-
Außerdem ist ein Sperreingang 23 vorgesehen. An seinem Ausgang 24
steht das Nutz-
Ausgangssignal an, das von einer Werkzeugmaschine
od. dgl. verarbeitet wird. Der Ausgang 26;ist ein Prüfausgang und gibt an, ob die
vom Sender 11 antivalent abgehenden Signale auch antivalent im Empfänger 19 angekommen
sind. Wird ein Fehler in der Übertragung festgestellt, so können die üblichen Maßnahmen
eingeleitet werden, wie Wiederholung, Stillsetzen der Maschine usw.
-
Pro Maschine wird eine solche Übertragungsstrecke zur Übertragung
von Signalen von links nach rechts benötigt. Genau der gleiche Aufbau wird nochmals
benötigt, um von der Maschine aus die Rückmeldungen an den Rechner zu geben. Die
senderseitige Steuervorrichtung ist also in diesem Fall der Rechner und die empfängerseitige
Steuervorrichtung ist die Werkzeugmaschine.
-
Vom Rechner aus wird auch der Sperreingang 23 gesteuert Wenn er zum
Beispiel einem Pufferspeicher einer bestimmten Werkzeugmaschine Informationen eingeben
will, so erhält der Sperreingang 23 aller anderen Übertragungsstrecken ein Sperrsignal.
Dies bedeutet, daß die Stromversorgung nur an diejenige Übertragungsstrecke Strom
abgeben muß, die auch gerade benutzt wird. Mit dem Sperreingang 23 kann man nicht
nur den Stromverbrauch des Empfängers 19, sondern auch die Stromzufuhr vom Sender
11 unterbrechen, weil ja der Ausgangsgleichstrom des Senders 11 zugleich der Eingangsgleichstrnmdes
Empfängers 19 ist. Durch die antivalenten Signale ist der Stromverbrauch konstant
und durch den Sperreingang wird er ganz erheblich gesenkt, was natürlich umsomehr
zu Buche schlägt, je mehr Übertrngungsstrecken vorhanden sind, d, h; je mehr Maschinen
angesteuert werden
Die Fig. 2 zeigt den Sender 11 in seinem schematischen
Aufbau. Man erkennt zwei Auskoppelstufen 27, 28, die die notwendige Leistung aufbringen.
Der Auskoppelstufe 28 ist eine Umkehrstufe 29 vorgeschaltet. Wenn beide Auskoppelstufen
27, 28 die Phase nicht drehen, die Umkehrstufe 29 die Raste dagegen dreht, so kann
man aus dem einen Eingangssignal vom Eingang E ein antivalentes Signalpaar H, L
erzeugen.
-
In Fig. 3 erkennt man eine positive Versorgungsspannung Up, eine-negative
Stromversorgungsspannung UN , eine zwischen beiden liegende Stromversorgungsspannung
Uo und den Eingang. Der Transistor T 1 stellt einen Teil einer Eingangsstufe dar,
zu der auch der Widerstand R1 gehört. Auf ihn folgt ein Differenzverstärker, der
die Transistoren T2, T3 und die Widerstände R2 - R8 umfasst. Der Kollektorausgang
des Transistors T2 wird durch eine Ausgangsstufe verstärkt, die den Transistor T4
, den Widerstand R9 , R11 umfasst, während der Kollektorausgang des Transistors
T3 von einer Ausgangsstufe verstärkt wird, die den Transistor T5 und den Widerstand
R10, R12 umfasst.
-
An den Kdlektoren der Transistoren T4, T5 stehen die Signale H, L
an. Die Transistoren T1 - T3 sind NPN-Transistoren, während die Transistoren T4,
T5 PNP-Transistoren sind Letztere werden in Kollektorschaltung betrieben und haben
damit einen niederen Ausgangswiderstand, eine starke gleichstrommäßige Gegenkopplung
und eine hohe Stromverstärkung.
-
InFig. 4 erkennt man die Eingänge 21, 22 und den Sperreingang 23.
Auf die Eingänge 21, 22 erfolgt je ein frequenzbestimmendes Glied 31, 32, dessen
Grenzfrequenz 10 kHz ist. Es folgen zwei UND-Stufen 33, 34, die auch vom Sperreingang
23 her angesteuert
werden können. Ist der Sperreingang 23 belegt
und geben auch die Glieder 31, 32 ein Signal ab, so lassen die Glieder 31, 32 nunmehr
ein H, L-Signal passieren, wobei das durchgelassene Signal jedoch wesentlich weniger
steile Flanken hat als das vor den Gliedern 31, 32 anstehende Signale Das so deformierte
H-Signal wird von der UND-Stufe 33 über eine verstärkende und impulsformende Stufe
36 dem Ausgang 24 zugesandt.
-
Natürlich könnte man auch die UND-Stufe 34 statt der UND-Stufe 33
mit der Stufe 36 verbinden.
-
Zusätzlich ist noch eine Antivalenzschaltung, bestehend aus den UND-Stufen
37, 38 und der ODER-Stufe 39 vorgesehen. Der Punkt vor den UND-Stufen 37, 38 bedeutet,
daß dort ein negativer Eingang vorgesehen ist. Ist das Signal auf der Leitung 41
positiv und auf der Leitung 42 negativ, so gibt die UND-Stufe 37 an ihrem Ausgang
einSignal ab, das von der ODER -Stufe 39 zum Prufausgang 43 weitergegeben wird Liegt
sowohl auf der Leitung 41, 42 ein positives Signal an, so läßt die UND-Stufe 37
nicht durch.
-
Das gleiche gilt, wenn auf der Leitung 41 ein negatives und auf der
Leitung 42 ein positives Signal vorhandeÇst. Die UND-Stufe 38 verhält sich genau
umgekehrt, so daß so lange am Prüfausgang 43 ein Signal ansteht, als antivalente
Signale empfangen werden.
-
In Fig. 5 erkennt man die Eingänge 21, 22 und den Sperreingang 23,
Die Signale H, L bilden die Kollektorspannung für Verstärkertransistoren T1, T2,
Indem man den Widerständen R3, R4 weitere Widerstände parallel oder vorschaltet,
kann man einfach die
unterschiedlichen Widerstände der Adern 16,
17 kompensieren. Die Transistoren T1 und T 2 arbeiten in starker Sättigung und bilden
zugleich UND-Stufen, da an ihrem Emitter nur dann eine Spannung abgegeben wird,
wenn entweder das Signal und ein Sperrsignal am Eingang 23 (das in diesem Fall ein
Öffnungssignal ist) anliegt, oder wenn das H-Signal oder ein Sperrsignal am Sperreingang
23 anliegt. Auch mit den Widerständen R1, R2 kann man unterschiedliche Längen des
Zuleitungsdrahts kompensieren. Mit dem Sperreingang 23 kann man also beide Transistoren
bez. UND-Stufen sperren oder auch leitend machen. Die Widerstände R3, R4 sind niederohmig.
Ebenfalls sind die Widerstände R5, R6 der beiden RC-Glieder niederohmig, die zusammen
mit den Kondensatoren C1, C2 die Grenzfrequenz bestimmen. Die RC-Glieder sorgen
für eine Trägheit der Anstiegsflanke der H, L-Signale. Wie gezeichnet ist eine Gräzschaltung,
bestehend aus den Dioden D1, - D4 angeschlossen, die als Antivalenz-Prufschaltung
wirkt. Solange Antivalenz besteht, erhält der Transistor T3 an seiner Basis-Emitterstrecke
stets dann eine Spannung, wenn die Eingänge 21, 22 bzw. die Emitter der Transistoren
T1, T 2 antivalent sind. R9 ist der Arbeitswiderstand für den Transistor T3 und
am Prüfausgang 43 gibt er seine Spannung ab.
-
Die Transistoren T4 und T5 sind Teil eines Schmitt-Triggers. Sein
unterer Schwellwert liegt möglichst tief, damit die Spannung, die man für die obere
Schwelle benötigt, nicht zu hoch liegen muß. Der Abstand zwischen demoberen und
dem unteren Schwellwert bestimmt den Unempfindlichkeitsbereich. Innerhalb dieses
Bereichs auftretende Störimpulse werfen den Schmitt-Trigger nicht um. Mit einer
solchen Vorrichtung hat er ein Störabstand von 18 - 20 Volt.
-
Der ohmsche Widerstand zwischen dem H, L-Eingang einerseits und Uo
andererseits ist 250 Ohm.