DE2623699A1

DE2623699A1 - Verfahren und vorrichtung zur wechselseitigen uebertragung von impulsen

Info

Publication number: DE2623699A1
Application number: DE19762623699
Authority: DE
Inventors: Ernst Felix
Original assignee: Zellweger Uster AG
Current assignee: Zellweger Uster AG
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1977-03-31
Also published as: FR2326087A1; US4097692A; JPS5240909A; CH589979A5; NL7607898A; CS203127B2

Description

Patentanwälte Z 2 0 4

Manitz, Finsterwaid & Srämkow 2623699 München 22, Robert-Koch-Straße 1 &

te. WM^

Zellweger Uster AG OH-8610 Uster / Schweiz

Verfahren und Vorrichtung zur wechselseitigen Uebertragung von Impulsen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wechselseitigen Uebertragung von Impulsen.

Die Erfassung von Daten, deren Erfassungsstellen über g&nze Areale verteilt sind, wird von stets grösserem Interesse. Beispielsweise in der Textilindustrie wird an sehr vielen Fabrikationsstellen produziert oder weiterverarbeitet. Ss existieren beispielsweise Webereien mit über tausend Webmaschinen oder Spinnereien mit über hunderttausend Fpindeln. Diese Maschinen sind öfter über mehrere Räume, mehrere Etagen oder sogar auf mehrere Gebäude verteilt. Bei dieser Vielzahl von einzelnen Pr-oduktionsstellen ist es naheliegend, diese mit Hilfe von Computern zu überwachen.

Bis heute sind hierfür geeignete Computer-Systeme allerdings noch wenig verbreitet. Der Hauptgrund hierzu ist in den hohen Kosten zu suchen, die bei einer solchen Vielzahl und Ausbreitung der Messstellen anfallen. Die Kosten entstehen nicht nur durch die zahlreichen Messwertaufnehmer, sondern vor allem durch die umfangreichen Datenübertragungss3'steEie.

709813/0642

In der Regel muss von jeder einzelnen Produktionsstelle (im folgenden Aussenstation genannt) eine Verbindung zum Eingangsteil (im folgenden Zentraleinheit genannt) hergestellt werden. Gewisse Vereinfachungen lassen sich mit Multiplexern erzielen, doch ist auch in diesem 3?alle von jeder Aussenstation eine Verbindungsleitung zum Multiplexer notwendig. Vielfach besteht das Bedürfnis, solche Systeme in bestehende Betriebe einzubauen. Dazu müssen nachträglich Kabel und Leitungen verlegt werden, wodurch zusätzliche erhebliche Kosten entstehen.

Vielfach besteht auch das Bedürfnis, Informationen von der Zentraleinheit an die Aussenstationen zu übermitteln, d.h. es muss eine wechselseitige Uebertragung möglich sein. Unter Umständen werden hierzu ebenfalls weitere teure Verkabelungennotwendig.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese' Hachteile und besteht in einem Verfahren für die wechselseitige Uebertragung von Impulsen von einer Vielzahl von in der Regel mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Aussenstationen und mindestens einer Zentraleinheit, und zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die Zentraleinheit als auch alle Aussenstationen unmittelbar bei ihrer Speisung aus dem Energieversorgungsnetz hochfreqjaenzmässig an das Energieversorgungsnetz angekoppelt werden und dass das Energieversorgungsnetz als Datenbussystem verwendet wird.

709813/0 642

4 75

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und zeichnet sich aus durch Mittel zur Hochfrequenzmodulation der zu übertragenden Impulse, durch Mittel zur Einkopplung dieser modulierten Hochfrequenz in das Energieversorgungsnetz, Mittel zur Auskopplung dieser modulierten Hochfrequenzsignale aus dem Energieversorgungsnetz und Mittel zur entsprechenden Rückumformung in Impulse.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, örtlich relativ weit auseinanderliegende Aussenstationen und die Zentraleinheit miteinander in Verbindung zu bringen. Hierzu wird erfindungsgemäss das Energieversorgungsnetz benutzt. Damit die Datenübertragungsimpulse und die Netzspannung auseinandergehalten ■werden können, werden die Datenübertragungsimpulse in mit Hochfrequenz modulierte Impulse umgeformt.

Für die Hochfrequenz werden vorteilhaft Frequenzen im Bereiche zwischen 50 und 200 Kilohertz gewählt. Sie können auch darunta* oder darüber liegen. Der erwähnte Bereich ist aber für die Hochfrequenzübertragung auf dem Energieversorgungsnetz von Industriebetrieben besonders geeignet. Einerseits ist ein hinreichend grosser Abstand von der Eetzfrequenz vorhanden und anderseits sind die Leitungsimpedanzen für die Uebertragung der Hochfrequenzimpulse noch nicht allzu hoch.

Die Einspeisung der Hochfrequenz könnte zwischen zwei beliebigen Phasen des Drehstromnetzes erfolgen. Es ist jedoch weit zweckmässiger, die Einspeisung zwischen einer belie-

709813/0642

4 75 0'-·

bigen. Phase und dem Beutralleiter, der Schutzerde oder ganz generell einer hochfrequenzmässig ausreichenden Betriebserde vorzunehmen. Für die letztere kann sich bereits der Betonboden des Gebäudes eignen. Dies hat den Vorteil, dass die Phasenschieberkondensatoren, die in der Regel bei Motoren zwischen den Phasen angeschlossen sind., die Hochfrequenz nicht kurzschliessen. Selbstverständlich wird durch diese Phasenschieberkondensatoren das Hochfrequenzpotential aus allen Phasen ungefähr gleichmässig verteilt. Dieser Effekt ist möglicherweise erwünscht, damit die Hochfrequenseinspeisung und Auskopplung an einer beliebigen. Phase des Drehst rosineΐzes erfolgen kann, d.h. die Einspeisung kann zwischen einer bestimmten Phase und ITuIl erfolgen, währenddem die. Auskopplung auf einer beliebigen Phase und Hull erfolgen kann.

Die Einspeisung zwischen einer beliebigen Phase und Null, bei dem auf einem dreiphasigen Netz die Hechfrequenz auch auf allen drei Phasen liegt, hat noch den Vorteil, dass der Hochspannungstransformator eine feste Barriere gegen aussei! darstellt. In der Regel sind diese Hochspannungstransfcrmatoren auf der Sekundärseite in Sternschaltung ausgeführt, so dass keine Uebertragung von Spannungen zwischen den drei Phasen und dem Sternpunkt zustande kommen kann. Dadurch geraten keine Impulse ins Hochspannungsnetz, so dass auch keine Störungen in eventuell vorhandenen anderen Datenerfassungssystenien auftreten können. Ebenso können über die Hoch-

709813/0642

" 4 75 03

Spannungszuführung keine Impulse über den Hochspannungstransformator ins Niederspannungsnetz erfolgen. Damit ist ein fest abgegrenzter Bereich für das Datenerfassungssystera gegeben, nämlich der gesamt sekundärseitige Energieversorgungsbereich des Hochspannungstransformators. Pur die Datenerfassung von Maschinen und Apparaten in den ganzen Industriebetrieben ist dies besonders vorteilhaft, da vielfach diese Industriebetriebe einen eigenen Hochspannungstransformator haben und derart der Datenerfassungsbereich zum vornherein auf den betreffenden Industriebetrieb festgelegt ist.

Selbstverständlich können in Industriebetrieben mit mehreren Hochspannungstransforinatoren mehrere Datenerfassungssysteme gleichzeitig gebildet, diese aber in einer einzigen Zentraleinheit zusammengefasst werden.

Bei Computersystemen -wird vielfach mit einem sogenannten Bussystem gearbeitet, bei dem von den Datenerfassungsstellen Impulse auf das Bussystem abgegeben -werden können oder von diesem entgegengenommen werden können. Dieses Bussystem ist auch mit der Recheneinheit verbunden, die in gleicher Weise aus diesem Bussystem die Impulse entgegennimmt oder Impulse an das Bussystem abgibt. Diese Bussysteme erstrecken sich in der Regel jedoch nur über ein ganzes Gerät oder mehrere Geräte innerhalb eines Computerraumes.

709813/0642

L 7 R η

In einem Datenerfassungssystem mit einem Bussystem wie es vorangehend beschrieben worden ist, werden in der Regel Taktimpulse (clock-Impulse) benötigt. Da gemäss den erfindungsmässigen Erfahrungen die Datenerfassungsstellen und die Zentraleinheit bereits aus G-ründen der Energieversorgung mit dem Energieversorgungsnetz verbunden sind, ist es besonders vorteilhaft, die Hetzfrequenz als Taktfrequenz zu benützen. Dadurch erübrigt sich die Abgabe spezieller Taktimpulse an das Bussystem.

Besonders vorteilhaft ist es, als Taktfrequenz ein Vielfaches der Hetzfrequenz zu wählen, vor allem aber ein Vielfaches, das den Paktor drei enthält, damit in dreiphasigen Fetzen alle Polleiter gleichwertig für die Synchronisation verwendbar sind. Bei der dreifachen Metzfrequenz und ganz— zahligen Vielfachen davon spielt es somit keine Rolle, welcher Polleiter für die Synchronisation gewählt wird.

Ein Bussystem besteht in der Regel aus mehreren Leitungssystemen. Auf ein erstes Leitungssystem werden zum Beispiel alle Informationen der Aussenstationen abgegeben und von der Zentraleinheit entgegengenommen. Auf einem zweiten Leitungssystem werden von der Zentraleinheit die Adressen an die Aussenstationen übermittelt. Ein drittes Leitungssystem überträgt die Taktimpulse u.s.w. Diese Trennung ist vorteilhaft, damit beispielsweise Informationsimpulse, Adressierimpulse und Taktimpulse nicht verwechselt werden.

709813/0642

■ ' 4 75.03

In der vorliegenden Erfindung ist jedoch nur ein Leitungssystem vorhanden, nämlich - das Energieversorgungsnetz. Damit aber trotzdem Ue"bertragungen auf verschiedenen Kanälen möglich sind, kann mit verschiedenen Frequenzen gearbeitet werden. Z.B. könnte für die Informationsübertragung eine Frequenz von 3.00 kHz und für die Adressierung eine solche von 130 kHz gewählt -werden. Vorteilhaft ist es jedoch, in einem dem Zeit-Multiplex-Verfahren ähnlichen Verfahren zu arbeiten. Dieses wird später noch beschrieben.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen eignen sich nun aber nicht ausschliesslich für ihren Einsatz in der Textilindustrie, die im vorstehenden als bevorzugtes Anwendungsgebiet dargestellt vmrde. Es kann auch in anderen Betrieben und Industriezweigen eingesetzt v;erden, wo an vielen Messstellen Daten zu überwachen und Informationen zu übertragen sind und diese Erfassungsstellen an und für sich bereits mit dem der Energieversorgung dienenden Leitungsnetz verbunden sind.

Anhand der Figuren wird das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch ein Leitungsnetz mit daran angeschlossenen Verbrauchern,

Fig. 2 ein erstes Impulsdiagramm,

Fig. 3 ein weiteres Impulsdiagramm,

Fig. 4 ein Prinzipschema eines Dreiphasennetzes mit daran angeschlossenem Sender-Empfänger.

709813/0642

* ' 4 75 03

In Figur 1 ist mit 2 ein der Energieversorgung dienendes Leitungsnetz dargestellt, an welches eine Anzahl Maschinen bzw. Apparate, im folgenden mit Aussenstationen 11, 12, 13, ....; 21, 22, 23 ... bezeichnet, angeschlossen sind. Ferner ist eine Zentraleinheit 10 mit dem Leitungsnetz 2 verbunden.

In der Datenübertragungstechnik wird beispielsweise beim sogenannten Zeitmultiplexverfahren mit Taktimpulsen gearbeitet. Diese Takt impulse müssen zur Sjmchronisation über ein Taktimpuls-Leitungssystem verteilt v/erden. In der vorliegenden Erfindung erfolgt nun die Synchronisation über das der Energieversorgung dienende Leitungsnetz 2, so dass ein besondres Leitungssystem nicht erforderlich ist.

Der zeitliche Ablauf einer Datenübertragung ist nun folgender: Von der Zentraleinheit 10 wird ein Startimpuls auf das Leitungsnetz 2 gegeben. Dam^.t Störspannungen im Leitungsnetz nicht einen Startimpuls simulieren, ist es vorteilhaft, bereits den Startimpuls zu codieren. Figur 2 zeigt einen solchen codierten Startimpuls als Beispiel. Er besteht aus vier Impulsplätzen, die entweder mit aktiven Impulsen L oder mit Impulslücken 0 besetzt sind. Dieser Startimpuls verbreitet sich über das Leitungsnetz 2 zu den im zu überwachenden Betrieb vorhandenen Aussenstationen 11..., 21... . In diesen Aussenstationen sind nun Zählvorrichtungen an sich bekannter Art, beispielsweise Ringzähler oder Schieberegister angebracht, die durch den Startimpuls von einem Anfangswert aus zu zählen beginnen, und zwar im Takte der Netzfrequenz oder

709813/0642

4 75 03

einem Vielfachen davon. Die erste Aussenstation kann nun sofort nach, dem Start impuls ihre Information an das Leitungssystem abgeben. Die Information besteht dabei mit Vorteil nicht aus einem einzigen Impuls, sondern aus einem Impulspaket, da von' jeder dei* Aussenstationen meistens mehr als eine Information angefordert wird (Fig. 3)· Dadurch können sämtliche zu übertragenden Informationen im Takte der Eetzfrequenz oder einem vorgegebenen Vielfachen davon übertragen werden. Sobald die erste Aussenstation ihre Information übermittelt hat, kann die Informationsübertragung der sueiten Aussenstation beginnen. Die Zählvorrichtung der zweiten Ausse'nstation ist entsprechend zu codieren. Schrittweise wird also eine Aussenstation nach der anderen auf Grund der getroffenen Codierung mit der Zentraleinheit 10 zur Informationsübertragung verbunden. Beim Codieren der Zählvorrichtungen der Aussenstationen ist nur darauf zu ach "i en, dass nicht zwei verschiedene Aussenstationen auf das gleiche Zeitintervall codiert sind, da dann gleichzeitig ihre Information an das Leitungsnets 2 abgeben bzw. aus diesem empfangen würde.

Wenn während eines Zeitintervalls, da beispielsweise die Aussenstation 21 mit dem Leitungsnets verbunden ist, keine Informationen zu übertragen sind, kann von der Zentraleinheit 10 ein Befehlsimpuls (oder ein Befehlsimpulspaket) auf das Leitungsnetz 2 abgegeben werden. Dieser Befehlsimpuls trifft dann nur bei der Aussenstation 21 ein, weil die anderen Zählvorrichtungen auf andere Zeitintervalle codiert sind. Demzufolge können Informationen in beiden Richtungen, d.h.

709813/0642

4 75 03

von der Zentraleinheit 10 zu den Aussenstationen und umgekehrt, übermittelt werden.

Figur 3 zeigt "beispielsweise ein Impulspaket 25 für die Aussenstation n. Hierbei wird in den ersten vier Inipulsplätzen 26 eine Information von der Aussenstation an das Leitungsnetz 2 abgegeben. Die Impulsplätze im Bereich 27 sind unbesetzt und vorbereitet, um gegebenenfalls einen Befehl aus dem Leitungsnetz 2 entgegenzunehmen. Die folgenden Inipulsplätze des Intervalls 28 dienen wiederum der Informationsvermittlung von der Aussenstation ή auf das Leitungsnetz 2. Angedeutet sind ferner mit 24 das Zeitintervall für die vorausgehende Aussenstation η - 1 und mit das Zeitintervall für die nachfolgende Aussenstaticn η +

Die Zeit, bis in einem grösseren Betrieb alle Informationen übermittelt sind, könnte nun unter Umständen recht lange dauern. Besonders vorteilhaft ist es daher, nicht mit der G-rundfrequens der Ketzfrequenz zu arbeiten, sondern mit einem Vielfachen davon. Besonders vorteilhaft ist es dabei im weiteren, wenn dieses Vielfache den Faktor 3 enthält, damit in 3-pkasigen Netzsystemen keine Vorschrift erlassen werden muss, welcher Polleiter tatsächlich für die Synchronisation der Netzfrequenz zu verwenden sei. Bei der 3-faehen Metzfrequenz und bei deren ganzzahligen Vielfachen hiervon spielt es daher keine Rolle, welcher Polleiter für die Synchronisation-gewählt wird.

Figur 4 zeigt schematisch ein Kraftnetz 18 mit den drei PoI-

709813/0642

- ' 4-75.03

leitern I-,, L-, L^ und dem Neutralleiter N. In diesem Beispiel ist der Sender-Empfänger 20 über einen Kondensator 19 mit dem Polleiter L_ und mit dem Neutralleiter N verbunden. Der Sender-Empfänger ist nun in an sich, bekannter Weise so ausgelegt, dass er als Sender die "Informationen als codierte Impulse an das Leitungsnetz abgibt und als Empfänger codierte Impulse aufnimmt und in entsprechende Schaltbefehle umformt. Die Zentraleinheit 10 ist in analoger Yieise eingerichtet, um neben der Erzeugung und Uebertragung von Taktimpulsen einerseits die von den Aussenstationen übermittelten Informationen in entsprechende Daten umzuformen, zu speichern und gegebenenfalls auszudrucken, und andererseits Befehle an die Aussenstationen in entsprechend codierte Impulse zu verwandeln und diese dem Leitungsnetz 2 aufzudrücken.

Selbstverständlich können auch andere Arten der Ankopplung des Sender-Empfängers 20 an das Leitungsnetz 18 gewählt werden, beispielsweise eine induktive Serie-Einspeisung, wobei mit Vorteil die Einspeisung zwischen einem echten oder nachgebildeten Sternpunkt des Dreileiternetzes und dem Neutralleiter, oder der Schutzerde oder einer hochfrequenzmässig genügenden Betriebserde vorgenommen wird.

709813/06A2

4 75 03

Leerseite

Claims

2623633

Patentansprüche

/ 1.)Verfahren für die wechelseitige Übertragung vom Impulsen ^—/ von einer Vielzahl von in der Regel mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Außenstationen und mindestens einer Zentraleinheit, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Zentraleinheit (10) als auch alle Außenstationen (11, 12, 13; 21, 22, 23) unmittelbar bei ihrer Speisung aus dem Energieversorgungsnetz hochrequenzmäßig an das Energieversorgungsnetz angekoppelt werden und daß das Energieversorgungsnetz als Datenbussystem verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen eines Drehstromnetzes die Einkopplung der Hochrequenzsignale zwischen mindestens einem Polleiter einerseits und dem Neutralleiter, oder einer Schutzerde, oder einer hochfrequenzmäßig genügenden Betriebserde andererseits vorgenommen wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Informationsübertragung ein Zeit-Multiplex-Verfahren eingesetzt wird.
4-, Verfahren nach Anspruch 1 und 3₅ dadurch gekennzeichnet , daß auf ein Leitungssystem (2) eines „ _w mindestens ein bestimmtes Startsignal gegeben wird, das in jeder Außenstation (11, 12, 13) eine Zählvorrichtung startet, wobei Taktimpulse, die aus der Hetzfrequenz abgeleitet werden, die Zählvorrichtungen fortschalten, und daß jede Zählvorrichtung auf eine bestimmte Anzahl Taktimpulse nach dem Startimpuls codiert ist, und nach Erreichen dieser bestimmten Anzahl Taktimpulse wahrend eines Zeitintervalls (25) Informationen an das Leitungssystem (2) abgegeben und oder aus diesem entgegengenommen werden.

709813/0642
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Startimpulse für das Zeit-MuItiplex-Verfahren codiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch verschiedene Codierung simultan verschiedene Datenerfassungssysteme auf dem gleichen Energieversorgungsnetz betrieben werden.
7· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (25) der Dauer eines Taktimpulses entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (25) der Dauer von zwei oder mehreren Taktimpulsen entspricht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsfrequenz für die modulierte Hochfrequenz der Bereich 50-200 kHz verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t , daß diePrequenz der Taktimpulse aus der ITetzfrequenz abgeleitet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeich net, daß die Frequenz der Taktimpulse ein Vielfaches der Ketzfrequenz beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 11 dadurch gekennzeichnet , daß in Dreiphasennetzen als Vielfaches der Uetzfrequenz ein den Faktor drei enthaltender Wert gewählt wird.

709813/0642
13- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Hochrequenzmodulation der zu übertragenden Impulse, durch Mittel zur Einkopplung dieser modulierten Hochrequenz in das Energieversorgungsnetz, Mittel zur Auskopplung dieser modulierten Hochrequenzsignale aus dem Energieversorgungsnetz und Mittel zur entsprechenden Rückumformung in Impulse.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Zentraleinheit (10) zur Ahgäbe von Start-

/der
impulsen an das Energieversorgung dienende Leitungsnetz (2), sowie durch Zählvorrichtungen in jeder Außenstation (11, 12, 13 ...,), die durch die Startimpulse startbar und durch aus der Netzfrequenz abgeleitete Taktimpulse forschaltbar

/en sind, wobei die genannten Zählvorrichtung auf vorgegebene Impulszahlen codiert sind und bei Erreichen dieser Impulszahlen während eines vorgegebenen Zeitintervalls (25) zur Abgabe bzw. Entgegennahme von Informationen bereit sind.
15· Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Zentraleinheit (10) in den Zeitintervallen (25) für die Entgegennahme von Daten aus einer der jeweils angesteuerten Außenstationen (11, 12, 13, -··) bereit und zur Abgabe von Befehlen an diese Außenstationen eingerichtet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Sender-Empfänger (20), der mit dem Leitungsnetz (18) verbunden ist und während der Zeitintervalle (25) mit Hochrequenz modulierte Impulse sendet bzw. empfängt.
17· Vorrichtung nach Anspruch 13 und 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Sender-Empfänger (20) kapazitiv an das Leitungsnetz (18) angekoppelt ist.

709813/0642
18. Vorrichtung nach Anspruch 13 und 16, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Sender-Empfänger (20) induktiv an das Leitungsnetz (18) angekoppelt ist.

70981 3/0B42