DE4232922A1 - Anordnung zur Datenübertragung in Prozeßsystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Datenübertragung in Prozeßleitsystemen, wie sie in der Verfahrenstechnik angewendet werden.

In der Prozeßleittechnik ist es üblich, im sogenannten "Feldbereich" Feldgeräte, das sind Meß-, Stell- und Anzeigebaugruppen entsprechend den vorgegebenen Sicherheitsbedingungen vor Ort anzuordnen und zu verknüpfen. Diese Feldgeräte weisen zur Datenübertragung untereinander analoge und digitale Schnittstellen auf. Die Datenübertragung wird dabei über die Speiseleitungen der im Wartenbereich angeordneten Stromversorgung vorgenommen. Zur Fernsteuerung und Ferndiagnose dieser Feldgeräte sind auch Bediengeräte in dem sogenannten "Wartenbereich" vorgesehen, an dessen Sicherheitsbestimmungen regelmäßig geringere Anforderungen gestellt sind.

Die Datenübertragung zwischen den Bediengeräten im Wartenbereich und den Feldgeräten wird durch bekannte 20 mA-Stromschleifen mit Hilfe der FSK-Modulation (Frequenz Shift Keying) realisiert. Dabei werden zwei Frequenzen, die den binären Zuständen "0" und "1" zugeordnet sind, rahmenweise analog übertragen.

Die Rahmenbedingungen für das FSK-Signal und die Art der Modulation sind in der "Hart Physical Layer Specification Revision 7.1 - Final" vom 20.06.1990 (Rosemount Dokument-No. D8900097; Revision B) beschrieben. In dieser Veröffentlichung sind darüber hinaus zwei grundlegende Netzwerktopologien zur Verknüpfung von Feldgeräten mit Bediengeräten angegeben.

Die erste Netzwerktopologie betrifft eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Dabei ist an jedes Bediengerät nur ein Feldgerät anschaltbar. Durch das Feldgerät ist sowohl analoge wie digitale Übertragung zugelassen.

Die zweite Netzwerktopologie betrifft eine Busstruktur, bei der eine Mehrzahl von Feldgeräten über einen gemeinsamen Bus ein Bediengerät anschaltbar sind. Dabei ist ausschließlich die digitale Datenübertragung zugelassen. Aufgrund definitionsgemäßer Parametervorgaben ist die maximale Anzahl der an einen Bus anschaltbaren Feldgeräte auf 15 und die maximale Lange des Buses auf etwa 3300 m beschränkt.

Entscheidender Bestandteil dieser definitionsgemäßen Parametervorgaben ist der Innenwiderstand der den Feldgeräten zugeordneten Stromversorgungseinrichtungen. Feldgeräte werden in der Regel mit einer stabilen und geglätteten Versorgungsgleichspannung gespeist. Der Innenwiderstand einer diesen Anforderungen genügenden Spannungsquelle ist nahezu Null.

Da die Speiseleitungen der Stromversorgung zu den Feldgeräten auch für die Datenübertragung benutzt werden, ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle dem Eingangswiderstand der jeweiligen Empfängerschaltung parallel geschaltet, so daß der resultierende Abschlußwiderstand aus Senderichtung ebenfalls nahezu Null ist. Aus diesem Grunde ist dem Innenwiderstand der Stromversorgung ein diskreter ohmscher Widerstand Rz in Reihenschaltung zugeordnet, dessen Dimensionierung folgenden Widerspruch zu lösen hat.

Einerseits soll dieser Widerstand Rz möglichst klein sein, um die Verluste zu begrenzen, die durch den Speisestrom Is der Feldgeräte entstehen und eine demzufolge leistungsfähigere Dimensionierung der Stromversorgung verlangen. Darüber hinaus werden mit wachsendem Widerstand Rz zunehmend thermische Probleme geschaffen, weil die entstehende Verlustleistung P=Rz×Is² abgeführt werden muß, was insbesondere in eigensicheren Feldbereichen den Sicherheitsbestimmungen zuwider läuft.

Andererseits ist es wünschenswert den Widerstand Rz möglichst groß zu dimensionieren, um die Signaldämpfung bei der Datenübertragung zu minimieren.

Im Rahmen von Feldversuchen wurde für den Widerstand ein zu bevorzugender Wert von Rz = 250 Ω gefunden.

Die Dimensionierung des Eingangswiderstandes der Feldgeräte ist wesentlich größer (z. B. 100 KΩ), um eine weitere Signaldämpfung zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter den gegebenen Randbedingungen zwischen einem Bediengerät und einer größeren Anzahl Feldgeräte und über größere Entfernungen Daten austauschen zu können. Darüber hinaus soll neben der digitalen Datenübertragung zwischen dem jeweiligen Feldgerät mit dem Bediengerät die analoge Datenübertragung zwischen zusammengehörigen Feldgeräten bestehen bleiben können.

Ausgehend von einem linienförmigen zweiadrigen Datenbus mit Zweigleitungspaaren zu jedem Feldgerät wird diese Aufgabe durch einen Buskoppler gelöst, der in jedes Zweigleitungspaar eingeschaltet ist. Dieser Buskoppler ist bidirektional ausgelegt und weist in Sende- und Empfangsrichtung identische Bauteile in identischer Reihenfolge auf. In jeder Übertragungsrichtung sind jeweils ausgehend von einem sendeseitigen Anschluß ein Öffner, ein Verstärker, eine Schwellwertschaltung und eine retriggerbare Monoflopschaltung in Kette geschaltet. Der Ausgang des Verstärkers ist darüber hinaus über einen Schließer mit einem empfangsseitigen Anschluß verbunden. Die Öffner und Schließer weisen Betätigungselemente auf. Die Betätigungselemente der empfangsseitigen Öffer-/Schließer-Kombination ist an Ausgänge der sendeseitigen Monoflopschaltung angeschlossen und die sendeseitige Öffner-/Schließer-Kombination ist an Ausgänge der empfangsseitigen Monoflopschaltung angeschlossen.

Der sendeseitige wie empfangsseitige Eingangswiderstand ist durch den Eingangswiderstand des jeweiligen Verstärkers gebildet und somit unabhängig von vorgegebenen Parametern der Feldgeräte dimensionierbar. Das bedeutet, daß der empfangsseitige Eingangswiderstand so wählbar ist, daß trotz busseitiger Parallelschaltung einer Vielzahl von derartigen Buskopplern und großer Entfernungen zum Bediengerät und damit verbundenem hohen Leitungswiderstand eine zuverlässige Datenübertragung ermöglicht wird.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Figuren zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Gerätekonfiguration in der Prozeßleittechnik,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Buskopplers.

Ausgehend von einer vorgegebenen Struktur miteinander linear verbundener Geräte, die in Fig. 1 als Kettenschaltung, bestehend aus den Feldgeräten, Meßwertgeber 10 und Meßumformer 20, sowie einer Stromversorgung 30 und einer Anzeige 40, dargestellt sind, ist ein Bediengerät 50 im Wartenbereich vorgesehen, mit dem die Feldgeräte 10 und 20 ferngesteuert und/oder fernüberwacht werden. Die Stromversorgung 30 ist mit einem diskreten ohmschen Widerstand Rz versehen, der in einer der Speiseleitungen für die Feldgeräte angeordnet ist. Jede derartige Struktur miteinander verbundener Feldgeräte ist mit einer eigenen Stromversorgung 30 ausgerüstet. Das Bediengerät 50 ist beispielsweise aus einer Personalcomputer 51 und einem Modem 52 gebildet. An dem Modem 51 ist ein Datenbus 70 in Form einer zweiadrigen Leitung angeschlossen. Zwischen dem Datenbus 70 und jeder Struktur verbundener Feldgeräte ist Je ein Buskoppler 60 vorgesehen.

Im einzelnen ist dieser Buskoppler 60 gemäß Fig. 2 bidirektional ausgelegt und weist in Sende- und Empfangsrichtung identische Bauteile in identischer Reihenfolge auf. Ausgehend von einem sendeseitigen Anschluß 601 sind in Senderichtung in einem ersten Zweig ein Öffner 611, ein Verstärker 621, eine Schwellwertschaltung 631 und eine retriggerbare Monoflopschaltung 641 in Kette geschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 621 ist in einem weiteren Zweig über einen Schließer 651 mit einem empfangsseitigen Anschluß 602 verbunden.

In der entgegengesetzten Übertragungsrichtung, der Empfangsrichtung, sind ausgehend von dem empfangsseitigen Anschluß 602 in einem ersten Zweig ein Öffner 612, ein Verstärker 622, eine Schwellwertschaltung 632 und eine retriggerbare Monoflopschaltung 642 in Kette geschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 622 ist in einem weiteren Zweig über einen Schließer 652 mit dem sendeseitigen Anschluß 601 verbunden.

Die Öffner 611, 612 und Schließer 651, 652 weisen Betätigungseinrichtungen auf. Die Betätigungseinrichtungen der am sendeseitigen Anschluß 601 angeschlossenen Öffner 611 und Schließer 652 sind mit Ausgängen der empfangsseitigen Monoflopschaltung 642 verbunden. Die Betätigungseinrichtungen der am empfangsseitigen Anschluß 602 angeschlossenen Öffner 612 und Schließer 651 sind mit Ausgängen der sendeseitigen Monoflopschaltung 641 verbunden.

Die Öffner 611, 612 und Schließer 651, 652 sind in der Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber als Kontakte dargestellt, jedoch körperlich als Halbleiterschalter realisiert.

Die Schwellwertschaltungen 631, 632 sind an mindestens eine Referenzspannung 66 angeschlossen. Diese Referenzspannung 66 weist einen Pegel auf, der einerseits durch das FSK-modulierte Wechselstromsignal sicher überschritten wird und andererseits verhindert, daß durch Influenz verursachte Störsignale die Datenübertragung beeinträchtigt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Schwellwertschaltungen 631, 632 so ausgeführt, daß unabhängig von der Polarität des Eingangssignals stets dann der Schaltzustand gewechselt wird, wenn der Betrag der Eingangsspannung die Referenzspannung 66 überschreitet.

Die Verweildauer der Monoflopschaltung in ihrem instabilen Zustand ist mindestens so lang, wie die längste hälftige Periodendauer der im FSK-Signal verwendeten Frequenzen. Mit jedem während des instabilen Schaltzustandes erkannten Triggerimpuls wird diese Verweildauer erneut gestartet.

Der signalfreie Grundzustand des Buskopplers 60 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Öffner 611, 612 sind geschlossen und die Schließer 651, 652 sind geöffnet.

Ein an den empfangsseitigen Anschluß 602 angelegtes FSK-moduliertes Wechselstromsignal ist über den geschlossenen Öffner 612 am Eingang des Verstärkers 622 anliegend, wird verstärkt und mit der Schwellwertschaltung 632 bewertet. Sofern der Augenblickspegel des verstärkten FSK-Signals das erstemal die Referenzspannung 66 überschreitet, wird die Monoflopschaltung 642 in ihren instabilen Schaltzustand versetzt. Infolge dessen wird der Schließer 652 geschlossen und der Öffner 611 geöffnet. Damit ist der Sendezweig beginnend mit dem Verstärker 621 von dem sendeseitigen Anschluß 601 des Buskopplers 60 getrennt und das verstärkte FSK-Signal zum sendeseitigen Anschluß 601 durchgeschaltet. Der instabile Schaltzustand der Monoflopschaltung 642 und damit die Verbindung des Ausganges des Verstärkers 622 mit dem sendeseitigen Anschluß 601 wird solange aufrechterhalten, wie FSK-Signale ausreichender Amplitude erkannt werden. Nach Beendigung der Datenübertragung in Empfangsrichtung kippt die Monoflopschaltung nach Ablauf ihrer vorgegebenen Verweildauer in ihren stabilen Zustand zurück. Der Schließer 652 wird geöffnet und der Öffner 611 wird geschlossen. Damit ist der signalfreie Grundzustand wieder hergestellt.

In analoger Weise führt ein am sendeseitigen Anschluß 601 angelegtes FSK-Signal ausgehend vom signalfreien Grundzustand des Buskopplers 60 mit erstmaliger Überschreitung der Referenzspannung zur Schließung des Schließers 651 und zur Öffnung des Öffners 612 und damit zur Durchschaltung des Sendesignals auf den empfangsseitigen Anschluß 602.

Dadurch, daß bei geöffneten Öffner 612 der Öffner 611 nicht mehr geöffnet werden kann und bei geöffnetem Öffner 611 der Öffner 612 nicht mehr geöffnet werden kann, ist eine gegenseitige Eigenblockierung des Sende- und des Empfangszweiges ausgeschlossen.

Darüber hinaus ist das Übertragungsprotokoll zwischen dem Bediengerät und den Feldgeräten so ausgelegt, daß die Feldgeräte ausschließlich nach Aufforderung des Bediengerätes, also nicht eigeninitiativ, senden. Damit ist ausgeschlossen, daß gleichzeitig mehrere Geräte sendend auf den Datenbus 70 zugreifen.

Entsprechend den geltenden Sicherheitsvorschriften kann eine galvanische Trennung zwischen den Feldgeräten 10, 20 und dem Bediengerät 50 erforderlich sein. Zweckmäßigerweise wird diese galvanische Trennung mit einem Trennübertrager vorgenommen, der feldgeräteseitig an den Buskoppler 60 angeschlossen ist.

Der Buskoppler 60 wird bevorzugt in die Stromversorgung 30 integriert, die wahlweise eine galvanische Trennung eigensicherer von nichteigensicheren Stromkreisen beinhaltet.

Wegen der geringeren Sicherheitsanforderungen wird vorzugsweise das Bediengerät 50 auf der nichteigensicheren Seite der Datenübertragungsschnittstelle, dem Wartenbereich, gehalten. Demzufolge wird auch der Buskoppler 60 auf der nichteigensicheren Seite angeordnet.

Zum Aufbau eines hierarchisch strukturierten Datenbusses 70 kann der Buskoppler 60 auch als autarkes Gerät realisiert werden.

Außerdem kann der Buskoppler 70 auch in anderen Ein- und Ausgangskomponenten von Prozeßleitsystemen verwendet werden.

Zwecks Minimierung der konstruktiven Abmessungen kann der Buskoppler 60 auch als integrierte Schaltung in unterschiedlichen Technologien hergestellt werden.

Bezugszeichenliste

 10 Meßwertgeber
 20 Meßumformer
 30 Stromversorgung
 40 Anzeige
 50 Bediengerät
 51 Personalcomputer
 52 Modem
 60 Buskoppler
601 sendeseitiger Anschluß
602 empfangsseitiger Anschluß
611, 612 Öffner
621, 622 Verstärker
631, 632 Schwellwertschaltung
641, 642 Monoflop
651, 652 Schließer
 66 Referenzspannung
 70 Datenbus

Claims (6)

1. Anordnung zur Datenübertragung mittels FSK-Modulation in Prozeßleitsystemen zwischen im Feldbereich angeordneten Feldgeräten (10, 20) und einem im Wartenbereich angeordneten Bediengerät (50), das an einen Datenbus (70) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldgeräte (10, 20) über einen Buskoppler (60) an den Datenbus (70) angeschlossen sind, der bidirektional ausgelegt ist und in Sende- und Empfangsrichtung identische Bauteile in identischer Reihenfolge aufweist, wobei während der Datenübertragung ausschließlich die der jeweiligen Übertragungsrichtung zugeordneten Bauteile angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Buskoppler (60) in Sende- und Empfangsrichtung ausgehend von je einem sende- und empfangsseitigen Anschluß (601, 602) eine Kettenschaltung, bestehend aus jeweils einem Öffner (611, 612), einem Verstärker (621, 622), einer Schwellwertschaltung (631, 632) und einer retriggerbaren Monoflopschaltung (641, 642) aufweist,
• - daß der Ausgang jedes Verstärkers (621, 622) über einen zugeordneten Schließer (651, 652) mit dem Anschluß (602, 601) der entgegengesetzten Übertragungsrichtung verbunden ist,
• - daß die Öffner (611, 612) und Schließer (651, 652) Betätigungseinrichtungen aufweisen,
• - daß die Betätigungseinrichtungen der am sendeseitigen Anschluß (601) angeschalteten Öffner (611) und Schließer (652) an Ausgänge der empfangsseitigen Monoflopschaltung (642) angeschlossen sind und
• - daß die Betätigungseinrichtungen der am empfangsseitigen Anschluß (602) angeschalteten Öffner (612) und Schließer (651) an Ausgänge der sendeseitigen Monoflopschaltung (641) angeschlossen sind.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltungen (631, 632) an eine gemeinsame Referenzspannung (66) angeschlossen sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Feldgeräten (10, 20) eine Stromversorgung (30) zugeordnet ist und daß der Buskoppler (60) in die Stromversorgung (30) integriert ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stromversorgung (30) und dem Buskoppler (60) eine galvanische Trennung vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Buskoppler (60) als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist.