DE3304300A1 - Verfahren und einrichtung zur busanforderung und sammelquittierung in einem prozessbus-system - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur busanforderung und sammelquittierung in einem prozessbus-system

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Description

Verfahren und Einrichtung' zur Busanforderung und Sammelquittierung in einem Prozeßbus-System
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Busanforderung und Sammelquittierung in einem Prozeßbus-System gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Prozeßbus-Systeme werden zur Prozeßdatenkommunikation in der Automatisierungstechnik angewendet, z.B. in Leitanlagen zur Führung industrieller Prozesse. Es handelt sich dabei um digitale Systeme mit byte- oder bitserieller Datenübetragung zwischen mehreren Teilnehmern. Da in solchen Datenübertragungssystemen nicht mehrere Teilnehmer zugleich Daten senden dürfen, sorgt eine Steuerungseinrichtung für eine Buszuteilung z.B. nach einem zyklischen Verfahren, wobei den Teilnehmern der Bus nach einer vorgegebenen Reihenfolge nacheinander zugeteilt wird. Häufig wird außer einer turnusmäßigen Buszuteilung noch eine Möglichkeit zur spontanen Busanforderung für Ereignismeldungen benötigt. Aufgrund einer spontanen Büsanforderung kann der zyklische Ablauf unterbrochen
werden und eine vom Zyklus unabhängige Buszuteilung erfolgen. Aus wirtschaftlichen Gründen kann für die spontane Busanforderung zur Ereignismeldung in der Regel nur eine Sammelleitung für sämtliche Teilnehmer zur Verfü- _ gung gestellt werden. Trotzdem muß es beliebig vielen Teilnehmern möglich sein, gleichzeitig oder mit beliebiger Phasenverschiebung ein Busanforderungsignal zu senden. Eine solche Sammelleitung ist also als ODER-Verknüpfung aufzufassen.
Außer der Busanforderung zur Ereignismeldung wird manchmal auch eine Sammelquittierung mit dem Sammelleitungssystem durchgeführt. Bei der Sammelquittierung geben normalerweise alle Teilnehmer ständig ein Signal ab. Bei
„-. ordnungsgemäßem Empfang einer (durch alle zu quittierenden) Nachricht wird für eine gewisse Zeit der Sender abgeschaltet. Der Ruhezustand auf der Leitung wird (vom Busverwalter z.B.) als Positiv-Quittierung interpretiert. Bei der Sammelquittierung handelt es sich logisch um eine UND-Verknüpfung, die hier nach den de Morgan'schen Regeln mit Hilfe einer ODER-Verknüpfung realisiert wird.
Es gibt jeweils mehrere Lösungen für die Ereignismeldung
oder Quittierung auf Sanimelleitungssystemen. Im DIN-Ent-25
wurf 192*11, Teil 2, vom Oktober 1982 ist auf Seite 6 eine zyklische Kurzabfrage beschrieben. Dabei wird den Teilnehmern in einem besonderen Abfragezyklus die Möglichkeit gegeben, eine Busanforderung durchzuführen. Die zyklische Kurzabfrage verringert allerdings den Datendurchsatz, d.h. die pro Zeiteinheit übertragbare Datenraenge.
In dem Buch "Digitale Prozeßdaten-Kommunikationssysteme
β_ (Bus-Systeme), Herausgeber K. Fleck, VDE-Verlag, 1980 35
ist auf Seite 71 eine im System TDC 2000 der Firma
508/83 I i:—:·= ^v.x ::
Honeywell realisierte Ereignisabfrage nach dem Zeitmultiplexprinzip beschrieben. Dabei wird im Zyklus von mindestens 10 ms eine Abfrage durchgeführt, wobei die Teilnehmer nacheinander innerhalb eines vorbestimmten Zeit-
g fensters antworten und gegebenenfalls eine Busanforderung melden können. Dieses Verfahren ist jedoch auf wenige Teilnehmer beschränkt, weil die Abfrage sonst zuviel Zeit beanspruchen würde. Anstelle Zeitmultiplex ist auch Frequenzmultiplex möglich, erfordert aber eine individuelle Einstellung der Teilnehmer-Sender.
Weiterhin ist aus DIN IEC 625, Teil 1, Mai 1981, Seite 67 bis 69 eine ODER-Verknüpfung mit Hilfe eines Leitungstreibers mit offenem Kollektor bekannt. Die Anwendung dieser Schaltung ist auf kurze Buslängen (z.B. innerhalb eines Schrankes) und niedrige Übertragungsgeschwindigkeiten beschränkt.
Für das Sammelleitungssystem eines Prozeßbuses im Anlagenbereich mit Entfernungen bis zu einigen Kilometern wird ein Signal benötigt, das nachstehenden Anforderungen genügt:
a) Es muß gleichstromfrei sein und sich z.B. induktiv auf eine Übertragungsleitung einkoppeln lassen.
b) Die additive Überlagerung einer begrenzten Zahl 25
zeitlich beliebig gegeneinander versetzter Sendesignale darf nicht zur totalen Auslöschung innerhalb des Beobachtungszeitraumes führen.
Um eine Mehrfachnutzung des übertragungswegs im Frequenzmultiplex zu erleichtern, wird außerdem gefordert:
c) Die Sendeleistung des Signals soll in einem beliebig vorgebbaren Frequenzband zu etwa 80 % konzentriert sein.
d) Die Überlagerung einer begrenzten Zahl von Sendesignalen darf nicht zur totalen Auslöschung der
. . .. β J3U43UU
508/83 : :- r :"i"Mi \?"ί:
Sendeleistung in diesem vorgegebenen Band führen. e) Das Signal soll in'allen Sendern ohne individuelle Einstellung nach dem gleichen Bildungsgesetz gebildet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung anzugeben, die eine ODER-Verknüpfung auf einem Sammelleitungssystem eines Prozeßbusses mit Hilfe eines gleichstromfreien bandbegrenzten und überlagerungsfähigen Signals entsprechend den vorstehenden Forderungen ermöglichen.
v Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen sowie durch Ausgebe staltungen und einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind.
Gemäß der Aufgabenstellung wird ein gleichstromfreies überlagerungsfähiges Signal benötigt. Die Gleichstromfreiheit des Signals wird im Hinblick auf eine Übertragungsmöglichkeit ohne galvanische Kopplung gefordert. Dieser Bedingung genügen periodisch gleichstromfreie Signale. Ein Signal der Periodendauer T wird als gleichstromfrei bezeichnet, wenn das Integral des Signals über die Periodendauer T den Wert null ergibt.
Der außerdem geforderten Überlagerungsfähigkeit genügen jedoch nicht alle periodisch gleichstromfreien Signale. Sinusschwingungen und Rechteckschwingungen sind z.B. nicht unbegrenzt überlagerungsfähig, da die Überlagerung zweier um eine halbe Periode gegeneinander phasenverschobener Signale gleicher Amplitude zum Nullsignal, also zur Auslöschung führen. Dagegen ist eine Sägezahnschwingung theoretisch unbegrenzt überlagerungsfähig. In der Praxis wird die Überlagerungsfähigkeit allerdings
durch die zur Verfügung stehende Bandbreite begrenzt. Die Überlagerung von zwei gleichgroßen Sägezahnschwingungen, die gegeneinander um eine halbe Periode verschoben sind, ergibt nämlich eine Sägezahnschwingung gleieher Amplitude und doppelter Frequenz. Entsprechend steigt bei sonst gleichen Voraussetzungen bei M Signalen die resultierende Frequenz auf das M-fache.
In'praktischen Anwendungen ist eine unbegrenzte Überlagerungsfähigkeit des Signals jedoch nicht erforderlich. Es genügt eine auf eine bestimmte Anzahl von Signalen, nämlich auf die Zahl der bei einem Prozeßbus-System zugelassen Teilnehmer begrenzte Überlagerungsfähigkeit. Solche begrenzt überlagerungsfähigen Signale lassen sich relativ einfach mittels einer Digitalschaltung erzeugen und auf eine relativ geringe Bandbreite begrenzen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Das Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Übertragung von Daten und von Signalen zur Busanforderung oder Sammelquittierung auf einer gemeinsamen Leitung in getrennten Frequenzbändern. Die or bekannte Übertragung von Daten wird im folgenden jedoch
nicht weiter ausgeführt, sondern nur die erfindungsgemäße Erzeugung und Übertragung des überlagerungsfähigen bandbegrenzten Signals zur Busanforderung und Sammelquittierung.
Es zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild eines digitalen Rauschsenders, Fig. 2 Signalkurven zur Erläuterung der Arbeitsweise des Rauschsenders.
Fig. 3 Leistungsspektrum des Pseudorauschsignals.
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Fig. 1I Blockschema der Übertragungsstrecke. ·
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines digitalen Rauschsenders 6 dargestellt. Der Rauschsender 6 besteht aus einem Rechteckgenerator 1, einem Frequenzteiler 2, einem Pseudo-Rauschfolge-Generator 3, einem Exklusiv-ODER-Glied 1J und einem Signalverstärker 5. Der Ausgang des Rechteckgenerators 1 ist mit dem Eingang des Frequenzteilers 2 und mit einem Eingang des Exklusiv-ODER-Glieds 1J verbunden. Der Ausgang des Frequenzteilers 2 ist mit dem Eingang des Pseudo-Rauschfolge-Generators 3 verbunden, dessen Ausgang auf einen zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Glieds H führt. Der Signalverstärker 5 ist dem Exklusiv-ODER-Glied 4 nachgeschaltet.
Die Arbeitsweise des Rauschsenders 6 aus Fig. 1 wird mit Hilfe der Signalkurven in Fig. 2 beschrieben. Der Rechteckgenerator 1 gibt eine wählbare (siehe weiter unten) Rechteckschwingung S-j mit der Frequenz fi ab. Im nachgeschalteten Frequenzteiler 2 wird diese Rechteckschwingung S-| umgesetzt in eine Schwingung S2· Im dargestellten Beispiel hat der Frequenzteiler einen Teiler k = 2, die Frequenz wird also im Verhältnis 2 : 1 herabgeset-zt.
Die Schwingung S2 wird dem Pseudo-Rauschgenerator 3 zugeführt. Der Pseudo-Rauschgenerator 3 ist auch unter der Bezeichnung PN (Pseudo Noise)-Generator bekannt. Solche Generatoren sind in der Literatur beschrieben: J.MacWilliams, N.J.A. Sloane, "Pseudo-Random Sequences and Arrays", Proc. IEEE 6H (1976) 12, Seite 1715-1729-Der Pseudo-Rauschgenerator 3 erzeugt mit Hilfe eines rückgekoppelten Schieberegisters im Takt der Schwingung S2 eine bestimmte Folge von Binärimpulsen, die sich nach einer Impulszahl N periodisch wiederholen. Diese Folge von Binärimpulsen wird hier als pseudostochastische
508/83 : :: f *V "
Binärfolge BF bezeichnet und ist in Fig. 2 in einem Abschnitt beispielhaft dargestellt. Am Ausgang des Pseudo-Rauschgenerators 3 erscheint ein digitales Signal S3, das der Binärfolge BF entspricht.
Mit Hilfe des Exklusiv-ODER-Glieds M wird die Rechteckschwingung S-] durch das digitale Signal S3 phasenmoduliert. Das am Ausgang des Exklusiv-ODER-Glieds 4 erscheinende Signal wird noch einem Signalverstärker 5 (Leitungstreiber) zugeführt und von diesem als Sendesignal abgegeben/Das Sendesignal ist in Fig. 2 als Impulsfolge Sn dargestellt. Die Impulse werden symmetrisch zur Nullinie umgetastet und sind periodisch gleichstromfrei.
Die zweckmäßige Wahl der Frequenz f1, der Rechteckschwingung S-], des Teilers k, des Frequenzteilers 2 und die Anzahl N der Impulse je Periode der Binärfolge BF wird anhand der Darstellung des Leistungsdichtespektrums S des Pseudo-Rauschsignals in Fig. 3 beschrieben. In Fig· 3 ist das Leistungsdichtespektrum S für ein Beispiel mit k = 2 und N = 15 dargestellt. Dabei ist eine normierte Leistungsdichte L der Einzelimpulse über einer normierten Frequenz f aufgetragen. Bei dieser Normierung wird die Frequenz f-| der Rechteckschwingung S-] ( =
Nyquistfrequenz) gleich 1 und die Leistung des gesamten 25
Sendeimpulses ebenfalls gleich 1. Aus Fig. 3 ist zu entnehmen, daß sich die Sendeleistung auf einzelne Spekträllinien aufteilt, jedoch hauptsächlich auf Spektrallinien in der Nähe der Frequenz f-| konzentriert ist.
Durch Wahl des Teilers k kann die Form des Spektrums S beeinflußt werden. Je größer k ist, desto schmaler ist das Band, in dem der größte Teil, z.B. 80 %, der Sendeleistung liegt. Damit läßt sich erreichen, daß die Verluste in den Filtern zur Bandbegrenzung des zu übertra-
„ genden Signals gering sind.
508/83
Die Zahl der lückenlos vorhandenen Spektrallinien zwischen den beiden Nullstellen, die am nächsten bei der Frequenz f<| liegen, beträgt 2 N-1. Theoretisch wäre damit das Rauschssignal (2 N-1)-fach überlagerungsfähig. g Unter der Annahme, daß das Übertragungsband soweit begrenzt wird, daß etwa N Spektrallinien in den Durchlaßbereich fallen und unter Berücksichtigung der relativ geringen Leistung der Spektrallinie bei der Frequenz fι, kann man in der Praxis mit einem lückenlosen Spektrum aus etwa N/2-Spektrallinien mit etwa gleichmäßig hoher Leistung rechnen, d.h. das Rauschsignal als N/2-überlagerungsfähig ansehen. Man wird also zweckmäßig die Anzahl N der Impulse je Periode der Binärfolge BF etwa doppelt so hoch wählen wie die Anzahl der maximal an das Bussystem anschließbaren Teilnehmer.
Der Fig. 3 ist zu entnehmen, daß das Maximum des Leistungsspektrums nicht genau mit der Frequenz f-j der Rechteckschwingung S-j übereinstimmt. Die Frequenz f-j wählt man deshalb so, daß das Maximum des Leistungsspektrums S des Sendesignals (Impulsfolge Si\) mit der Bandmittenfrequenz fj4 eines vorgebenen Frequenzbandes mit der Frequenzbreite B übereinstimmt. Die gewünschte Konzentration der Sendeleistung auf Spektrallinien in einem
schmalen Band erreicht man, indem man den Teiler k so 25
wählt, daß 1/k in etwa der relativen Bandbreite B/fM entspricht.
Fig. 4 zeigt die gesamte Übertragungsstrecke als Hintereinanderschaltung des in Fig. 1 dargestellten Rauschsenders 6, eines Sende-Bandfilters 7, einer Übertragungsleitung 8, eines Empfangs-Bandfilters 9, einer Einrichtung 10, die das Empfangssignal gleichrichtet, und einer Begrenzerschaltung 11, die Signale unterhalb eines eingestellten Schwellwertes unterdrückt. Die Funktion des Sende-Bandfilters 7 und des in Fig. 1 dargestellten
508/83 I Y'y\ \\:
Signalverstärkers 5 kann auch in einem Begrenzerverstärker zusammengefaßt sein. In Fig. 1J ist nur ein Teilnehmer dargestellt, der mit seinem Sender zur Busanforderung an die Übertragungsleitung 8 angeschlossen ist. In einer Datenübertragungsanlage sind jedoch mehrere Teilnehmer parallel angeschlossen, so daß auf der Übertragungsleitung 8 die ODER-Verknüpfung des Signals zur Busanforderung oder Sammelquittierung erfolgt. Außerdem können an die Übertragungsleitung 8 die Datensender der
IQ Teilnehmer angeschlossen werden, die in einem anderen Frequenzband senden.
Als Alternative zu dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen digitalen Rauschsignal läßt sich auch ein nach
Ig einem anderen Verfahren erzeugtes Rauschsignal verwenden. Es ist z.B. bekannt, daß Rauschsignale mit Hilfe von in Sperrichtung betriebenen Dioden erzeugt werden können. Dabei kann es sich z.B. um eine Zenerdiode oder um die Basisemitterdiode eines Transistors handeln. In Versuchen hat sich gezeigt, daß mit derartigen relativ einfachen Rauschsendern ein überlagerungsfähiges Signal erzeugt werden kann. Allerdings können Streuungen in den Eigenschaften der in den Rauschsendern verwendeten Dioden die Einstellung eines in einem bestimmten Frequenzband liegenden Rauschsignals mit dem erforderlichen Leistungspegel erschweren. Ein digitales Rauschsignal hat demgegenüber den Vorzug, daß das Signal in der gewünschten Form erzeugt und seine Überlagerungsfähigkeit mathematisch nachgewiesen werden kann.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich so zusammenfassen:
Durch Bandbegrenzung ist eine Übertragung von Daten und Signalen zur Busanforderung oder Sammelquittierung im Frequenzmultiplex auf einer Leitung möglich. Rauschsignale als Signale zur Busanforderung oder Sammelquittie-
• 33U4JUU
508/83 : 1:ψί ''
rung erübrigen eine individuelle Einstellung der Teilnehmer. Soweit es sich um digitale Rauschsignale handelt, ist ihre Uberlagerungsfähigkeit zur Durchführung der ODER-Verknüpfung mathematisch nachweisbar und sie können in einer solchen Form erzeugt werden, daß bei einer Bandbegrenzung nur geringe Leistungsverluste auftreten.

Claims (1)

  1. 508/83 : ::π :":"': V.''.1
    Ansprüche
    Verfahren zur Busanforderung oder Sammelquittierung auf einem Sammelleitungssystem in einem Prozeßbus-System zur seriellen Datenübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer am Prozeßbus-System IQ zur Busanforderung oder Sammelquittierung ein überlagerungsfähiges bandbegrenztes und bei allen Teilnehmern nach dem gleichen Bildungsgesetz erzeugtes Signal senden, und daß dieses Signal von einer Bussteuerungseinrichtung ausgewertet wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als überlagerungsfähiges Signal ein digitales Pseudo-Rauschsignal verwendet wird, wobei das Signal für alle Teilnehmer gleich ist und eine Impulsfolge (Sij) darstellt, die sich aus Rechteckschwingungen (S-]) zusammensetzt, die durch ein mit einer pseudostochastischen Binärfolge (BF) gebildeten digitalen Signal (S3) phasenmoduliert sind, die Anzahl N der Impulse je Periode der Binärfolge
    __ (BF) etwa doppelt so hoch gewählt wird, wie die An-Zo
    zahl der maximal an das Prozeßbus-System anschließbaren Teilnehmer,
    die Frequenz (f-|) der Rechteckschwingung (Si) so gewählt wird, daß das Maximum des Leistungsdichte-
    3Q spektrums (S) der Impulsfolge (Sij) etwa mit der Bandmittenfrequenz (f^) eines vorgegebenen Fequenzbandes mit der Bandbreite (B) übereinstimmt, die Anzahl k der Rechteckschwingungen (S-|) je Impuls der Binärfolge (BF) so gewählt wird, daß 1/k in etwa der Relativen Bandbreite B/fM entspricht.
    5OÖ/83 -■-..
    3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als überlagerungsfähiges Signal ein Rauschsignal verwendet wird, das mit einer in Sperrichtung betriebenen Diode erzeugt und durch Filter begrenzt g wird.
    H. Verfahren nach'einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung von Daten und die Übertragung der Signale zur Busanforderung oder Sam-IQ melquittierung auf einer gemeinsamen Leitung in getrennten Frequenzbändern erfolgt.
    5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des digitalen Pseudo-Rauschsignals ein Rauschsender (6) vorgesehen ist, der aufgebaut ist aus einem Rechteckoszillator (1), dessen Ausgang sowohl mit einem Eingang eines Exklusiv-ODER-Glieds (H) als auch mit dem Eingang eines Frequenzteilers (2) verbunden ist,
    einem Pseudo-Rauschfolgenerator (3), der ein rückgekoppeltes Schieberegister enthält, wobei der Eingang des Generators (3) mit dem Ausgang des Frequenzteilers (2) verbunden ist und wobei der Ausgang des Generators (3) auf einen zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Glieds (H) geführt ist, sowie einem Signalverstärker (5), der dem Exklusiv-ODER-Glied (H) nachgeschaltet ist.
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