DE69121373T2

DE69121373T2 - Prozesssteuervorrichtung mit bausteinartigen Ein-/Ausgabeeinheiten

Info

Publication number: DE69121373T2
Application number: DE69121373T
Authority: DE
Inventors: Jon Barry Milliken; Dennis Gene Sickels; Richard Joseph Vanderah
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1990-12-11
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: EP0490864B1; DE69121373D1; EP0490864A1; AU658842B2; CA2057344A1; NO914850L; US5901323A; AU8894391A; NO302258B1; NO914850D0; JPH04268604A

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozeßsteuervorrichtung mit einer Vielzahl von Eingabe/Ausgabe- bzw. E/A-Einheiten sowie ein zugehöriges Steuerverfahren.
Prozeßsteuervorrichtungen werden verwendet, um eine Vielzahl von Funktionen auszuführen, die Prozeßsteuerfunktionen und Datenerfassungs funktionen einschließen. Prozeßsteuerfunktionen umfassen die Überwachung verschiedener Bedingungen wie etwa Flüssigkeits und Gasdrücke, Durchflüsse, Temperaturen etc. sowie die Reaktion auf den Zustand der Bedingungen durch selektives Betätigen von Pumpen, Ventilen usw., um die überwachten Bedingungen zu steuern. Die Prozeßsteuerfunktionen betreffen Anwendungen wie die Öl- und Erdgaserzeugung und -verteilung, die Steuerung von Industrie anlagen etc. Die Datenerfassungsfunktionen von Prozeßsteuervorrichtungen ermöglichen die Erstellung einer Ereignisaufzeichnung von solchen Variablen wie Drücken oder Durchflüssen über einen längeren Zeitraum wie beispielsweise über mehrere Wochen oder Monate.
Charakteristisch wird in einem Computersystem oder -netz, das einen zentralen Hauptrechner hat, eine Reihe von Prozeßsteuervorrichtungen verwendet. Beispielsweise kann ein einziger Hauptrechner mit nur 10 oder mehr als 100 Prozeß steuervorrichtungen in Kommunikation sein.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 352 683 zeigt eine programmierbare Steuerung, die ein Prozessormodul und eine Reihe von Ein/Ausgabemodulen aufweist. Jedes Ein/Ausgabemodul enthält eine Schaltung, die die Charakteristiken des Moduls für den Prozessormodul identifiziert. Die Schaltung jedes Moduls hat einen parallelen Eingabe-Port und einen parallelen Ausgabe-Port, die auf eine vorbestimmte Weise entsprechend den Modulcharakteristiken miteinander verbunden sind. Durch sequentielles Übermitteln von Daten zu dem Ausgabe-Port und anschließendes Lesen von Daten von dem Eingabe-Port jedes Moduls kann der Prozessor die Charakteristiken der Module in der programmierbaren Steuerung erkennen bzw. identifizieren.
Eine herkömmliche Prozeßsteuervorrichtung enthält charakteristisch eine Vielzahl von Leiterplatten in einem Gehäuse, wobei jede Leiterplatte elektronische Bauelemente und Schaltungen aufweist, um verschiedene Funktionen auszuführen. Eine solche Leiterplatte ist eine Steuerplatte, die den Gesamtbetrieb der Steuervorrichtung steuert. Die Steuerplatte hat charakteristisch einen Mikroprozessor, einen Rechnerprogrammspeicher wie etwa einen ROM und einen RAM, die über ein oder mehr Busse miteinander verbunden sind.
Die Prozeßsteuervorrichtung hat außerdem verschiedene Arten von E/A-Schaltungen, die auf der Steuerleiterplatte oder auf ein oder mehr speziellen E/A-Leiterplatten vorgesehen sein können. E/A-Leiterplatten haben charakteristisch eine festgelegte Anzahl von verschiedenen Arten von herkömmlichen E/A-Schaltungen. Es gibt wenigstens vier Grundtypen von E/A- Schaltungen: eine digitale Eingabeschaltung, eine digitale Ausgabeschaltung, eine analoge Eingabeschaltung und eine analoge Ausgabeschaltung. Die digitalen E/A-Schaltungen dienen dazu, Bedingungen und/oder Einrichtungen zu über wachen und zu steuern, die nur zwei Zustände wie beispielsweise Ein und Aus haben. Die analogen E/A-Schaltungen werden verwendet, wenn die Bedingung oder die Einrichtung viele Zustände hat. Beispielsweise kann eine analoge Eingabeschaltung verwendet werden, um die Temperatur einer Flüssigkeit in einem Tank zur Prozeßsteuervorrichtung einzugeben, und eine analoge Ausgabeschaltung kann verwendet werden, um die Position eines Ventils, das viele Stellungen hat, zu steuern.
Die oben beschriebene Verwendung der vier Arten von E/A- Schaltungen ist konventionell. Die Art und Weise, wie die E/A-Schaltungen in den herkömmlichen Steuervorrichtungen implementiert sind, weist jedoch Nachteile auf. Insbesondere ist charakteristisch eine bestimmte Anzahl E/A-Schaltungen auf jeder E/A-Leiterplatte in der Steuervorrichtung implementiert. Beispielsweise kann jede E/A-Leiterplatte vier digitale Eingabe-schaltungen, vier digitale Ausgabeschaltungen, vier analoge Eingabeschaltungen und vier analoge Ausgabeschaltungen haben. Da Anzahl und Typ von E/A- Schaltungen auf jeder E/A-Leiterplatte festgelegt sind, gibt es bei der Auslegung der E/A-Leiterplatten keine Flexibilität.
Beispielsweise sei für eine bestimmte Anwendung angenommen, daß ein Kunde fünf digitale Eingabeschaltungen und drei digitale Ausgabeschaltungen benötigt. In diesem Fall muß der Kunde zwei der oben beschriebenen E/A-Leiterplatten kaufen, um die fünf digitalen Eingabeschaltungen zu erhalten. Außerdem braucht der Kunde zwar die analogen E/A-Schaltungen nicht, müßte sie aber trotzdem ebenfalls kaufen.
Die inflexible Zuordnung der E/A-Schaltungen auf den E/A- Leiterplatten hat auch zur Folge, daß die Steuerkapazität der Prozeßsteuervorrichtung unnötig eingeschränkt wird. Eine Prozeßsteuervorrichtung hat charakteristisch eine maximale Anzahl von inneren Schlitzen, in die E/A-Leiterplatten ein gesetzt werden können. Wenn die Steuervorrichtung drei E/A- Schlitze für die oben beschriebene spezielle E/A-Leiterplatte hätte, könnte diese Steuervorrichtung nur ein Maximum von 12 digitalen Eingabeschaltungen, 12 digitalen Ausgabeschaltungen, 12 analogen Eingabeschaltungen und 12 analogen Ausgabeschaltungen steuern. Wenn der Anwendungsfall 13 Schaltungen irgendeines speziellen Typs benötigt, wäre eine zusätzliche Prozeßsteuervorrichtung erforderlich. Wenn der Anwendungsfall beispielsweise 13 digitale Eingabeschaltungen und keinen weiteren Typ von E/A-Schaltungen verlangt, wären zwei Steuervorrichtungen erforderlich. Zusätzlich dazu, daß eine zweite Steuervorrichtung gekauft werden müßte, müßte der Kunde auch für 16 Schaltungen jedes der vier Typen von E/A-Schaltungen, also für eine Gesamtanzahl von 64 einzelnen E/A-Schaltungen bezahlen, obwohl nur 13 E/A-Schaltungen benötigt werden.
Selbst wenn die oben beschriebenen Nachteile irgendwie überwunden werden könnten, indem für die nicht benötigten E/A- Schaltungen auf den E/A-Leiterplatten beispielsweise keine Schaltungskomponenten vorgesehen werden, hätte die herkömmliche Art der Implementierung von E/A-Schaltungen weitere Nachteile aufgrund der ihr innewohnenden Inflexibilität.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind eine Prozeßsteuervorrichtung und ein Verfahren vorgesehen, wie sie in den Ansprüchen 1 und 3 definiert sind. Eine Vielzahl von E/A- Satzbaugruppen bzw. E/A-Modulen ist vorgesehen, die vier verschiedene Typen aufweisen: eine analoge Eingabeschaltung, eine analoge Ausgabeschaltung, eine digitale Eingabeschaltung und eine digitale Ausgabeschaltung. Jede E/A-Satzbaugruppe ist mit einem von einer Vielzahl von Verbindern oder Buchsen innerhalb der Steuervorrichtung bzw. der Steuereinheit lösbar verbunden. Die Buchsen sind jeweils identisch, so daß jede E/A-Einheit ungeachtet des Typs von E/A-Einheit in jede Buchse eingesetzt werden kann. Infolgedessen sind Anzahl und Typen der mit der Steuereinheit vorgesehenen E/A- Einheiten äußerst flexibel.
Die Steuereinheit bestimmt automatisch den Typ jeder E/A- Einheit innerhalb der Steuereinheit durch Übertragen eines Codeanforderungssignals zu jeder E/A-Einheit. Bei Empfang des Codeanforderungssignals von der Steuereinheit überträgt die E/A-Einheit zu der Steuereinheit einen Multibit-Binärcode, der ihren E/A-Einheitstyp bezeichnet. Auf der Basis des von der E/A-Einheit empfangenen Codes nutzt die Steuereinheit ein bestimmtes Kommunikationsprotokoll, um mit dieser E/A-Einheit zu kommunizieren. Wenn beispielsweise in der Steuereinheit vier verschiedene Typen von E/A-Einheiten vorgesehen sind, sind vier verschiedene Kommunikationsprotokolle erforderlich, und zwar eines für jeden Typ von E/A- Einheit.
Im Betrieb der Steuereinheit kann der Bediener die Position von ein oder mehr E/A-Einheiten ändern. Dieser Ablauf wird durchgeführt durch Eingabe einer Moduländerungsanforderung durch den Bediener in die Steuereinheit. Bei Empfang der Moduländerungsanforderung unterbricht die Steuereinheit die Verbindung mit den E/A-Einheiten und erzeugt eine Sichtanzeige oder eine Nachricht, die anzeigt, daß die Kommunikation aufgehoben ist. Wenn der Bediener die Nachricht sieht, kann er die Position jeder beliebigen Anzahl von E/A-Modulen ändern, indem er zusätzliche Module in die Steuereinheit einsetzt, Module aus der Steuereinheit entfernt oder die Positionen von Modulen innerhalb der Steuereinheit ändert. Nach Abschluß der Anderungen gibt der Bediener einen Änderung-Komplett-Befehl in die Steuereinheit ein, um anzuzeigen, daß alle Änderungen durchgeführt worden sind. Bei Empfang des Änderung-Komplett-Befehls kommuniziert die Steuereinheit mit jeder der E/A-Einheiten, um ihren Typ festzustellen, bevor der Normalbetrieb wieder aufgenommen wird.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann auf diesem Gebiet aus der nachstehenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgt. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Kommunikationssystem, das einen Hauptrechner und eine Vielzahl von Prozeßsteuervorrichtungen bzw. Steuereinheiten hat;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Prozeßsteuervorrichtung bzw. Steuereinheit, die schematisch in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 eine E/A-Leiterplatte für eine Steuereinheit mit vier E/A-Satzbaugruppen bzw. Moduleinheiten, die damit verbunden sind;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines E/A-Moduls;
Fig. 5 ein Schaltbild einer in Fig. 2 schematisch gezeigten digitalen Eingabeschaltung;
Fig. 6 ein Schaltbild einer in Fig. 2 schematisch gezeigten analogen Eingabeschaltung;
Fig. 7 ein Schaltbild einer in Fig. 2 schematisch gezeigten digitalen Ausgabeschaltung;
Fig. 8 ein Schaltbild einer in Fig. 2 schematisch gezeigten analogen Ausgabeschaltung;
Fig. 9 ein Schaltbild einer Temperaturmeßwandlerschaltung, die in Fig. 2 schematisch gezeigt ist;
Fig. 10 ein Flußdiagramm einer E/A-Routine, die während des Betriebs der Prozeßsteuervorrichtung ausgeführt wird;
Fig. 11 ein Flußdiagramm einer A/D-Prüfroutine, die während des Betriebs der Prozeßsteuervorrichtung periodisch ausgeführt wird; und
Fig. 12 ein Flußdiagramm einer Moduländerungsroutine, die einem Bediener ermöglicht, die Positionen der E/A- Module innerhalb der Prozeßsteuervorrichtung zu ändern.
Ein Kommunikationssystem ist in Fig. 1 gezeigt. Das Kommunikationssystem umfaßt einen Hauptrechner 20 und eine Vielzahl von Prozeßsteuervorrichtungen bzw. Steuereinheiten 22 an einer Reihe von Stellen, die von dem Rechner 20 entfernt sind. Der Hauptrechner 20 kommuniziert periodisch mit jeder Steuereinheit 22 über eine Funkverbindung. Dazu hat der Hauptrechner 20 eine Antenne 24, und die Steuereinheiten 22 haben Antennen 26. Um die Funkverbindung zu verstärken, kann das Kommunikationssystem eine Vielzahl von Zwischenverstärkern 30 aufweisen. Anstelle der Nutzung einer Funkver bindung kann das Kommunikationssystem andere Arten von Nachrichtenverbindungen nutzen, beispielsweise eine Telefonleitung 32, die den Hauptrechner 20 mit den Steuervorrichtungen 22 verbindet.
Die Steuervorrichtungen 22 sind mit einer Vielzahl von E/A- Einrichtungen 34 verbunden. Die E/A-Einrichtungen 34 können jede Art von Einrichtungen sein, die entweder von Analog- oder Digitalsignalen angesteuert werden oder die Bedingungen erfassen und in Abhängigkeit von den erfaßten Bedingungen Analog- oder Digitalsignale erzeugen. Beispiele von E/A- Einrichtungen umfassen Pumpen, die ein- oder ausgeschaltet werden können, Ventile, deren Positionen inkrementell veränderlich sind, Temperatur- und Druckmeßwandler usw..
Im Betrieb kommuniziert jede Steuervorrichtung 22 mit den E/A-Einrichtungen 34, mit denen sie verbunden ist, um den Prozeß zu steuern, für den diese Steuervorrichtung verwendet wird. Als einfaches Beispiel kann eine der Steuervorrichtungen 22 mit zwei E/A-Einrichtungen 34 verbunden sein, deren eine ein Flüssigkeitspegelmeßwandler (nicht gezeigt) ist, um den Flüssigkeitspegel in einem Behälter zu erfassen, und deren andere ein Absperrorgan bzw. Ventil (nicht gezeigt) innerhalb einer mit dem Behälter verbundenen Rohrleitung ist. Der Flüssigkeitspegelmeßwandler erzeugt und überträgt an die Steuervorrichtung 22 ein analoges Eingangssignal, und die Steuervorrichtung 22 steuert den Flüssigkeitspegel in dem Behälter durch Übermittlung eines analogen Ausgangssignals zu dem Ventil, um die Position des Ventils zu regeln. Eine solche Regelung ist jede Art von herkömmlicher Regelung wie etwa eine Proportional- bzw. P- Regelung, eine Proportional-Integral- bzw. PI-Regelung oder eine Proportional-Integral-Differential- bzw. PID-Regelung.
Zusätzlich zu der Ausführung von Steuerfunktionen führen die Steuervorrichtungen 22 Datenerfassungsfunktionen aus, indem sie verschiedene Daten in einem Speicher speichern. Solche Daten können die Höhe der Behälterflüssigkeitspegel über einen vorbestimmten Zeitraum einschließen.
Die Steuervorrichtungen 22 kommunizieren periodisch mit dem Hauptrechner 20. Diese periodische Kommunikation kann die Steuerung der E/A-Einrichtungen 34 betreffen, oder sie kann zum Zweck der Erfassung von Daten von den Steuervorrichtungen 22 zum Speichern in dem Hauptrechner 20 erfolgen.
Ein Blockdiagramm der Elektronik einer der Prozeßsteuervorrichtungen 22 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Gesamtbetrieb der Steuereinheit 22 wird von einem Mikroprozessor 40 gesteuert, die ein Rechnerprogramm ausführt, das in einem ROM 42 gespeichert ist. Der Mikroprozessor 40 und der ROM 42 sind mit einem RAM 44 und einem EEPROM 45 über einen Datenbus 46 und einen Adreßbus 48 verbunden. Der RAM 44 dient als Universalspeicher und kann außerdem dazu dienen, Ereignisinformationen zu speichern, die von den E/A-Einrichtungen 34 erzeugt werden. Alternativ können Ereignisdaten in einem entfembaren Speichermodul gespeichert werden. Der RAM 44, der ein flüchtiger Speicher ist, kann von ein oder mehr Batterien gestützt werden, so daß bei einem Stromausfall keine Daten verlorengehen. Der EEPROM 45, der ein nichtflüchtiger Speicher ist, kann dazu dienen, Daten für die Systeminitialisierung und/oder -konfiguration zu speichern.
Der Mikroprozessor 40 ist über einen bidirektionalen Bus 54 mit einem bidirektionalen Puffer 50 verbunden. Der Puffer 50 ist mit einer Vielzahl von E/A-Schaltungen 60 über einen Zweirichtungsbus 62 verbunden. Es sind zwar nur vier E/A- Schaltungen 60 in Fig. 2 gezeigt, es ist aber wenigstens eine E/A-Schaltung 60 für jede der E/A-Einrichtungen 34 vorgesehen, mit denen die Steuervorrichtung 22 verbunden ist. Fig. 2 zeigt die vier Grundtypen von E/A-Schaltungen, die eine analoge Eingabeschaltung (AI) 60a, eine analoge Ausgabeschaltung (AO) 60b, eine digitale Eingabeschaltung (DI) 60c und eine digitale Ausgabeschaltung (DO) 60d aufweisen. Eine Temperaturmeßwandlerschaltung 64 ist mit dem Bus 54 verbunden. Wie noch im einzelnen beschrieben wird, kompensiert der Mikroprozessor 40 den von der analogen Eingabeschaltung 60a erzeugten Analogwert auf der Basis des analogen Temperaturwerts, der von der Meßwandlerschaltung 64 zugeführt wird.
Die Art und Weise, wie die E/A-Schaltungen 60 strukturmäßig in der Steuervorrichtung 22 implementiert sind, ist in Fig. 3 gezeigt. Jede E/A-Schaltung 60 ist in einem eigenen Gehäuse 66 vorgesehen, das beispielsweise ein Kunststoffgehäuse sein kann. Die Kombination aus der E/A-Schaltung 60 und ihrem Gehäuse 66 wird hier als eine E/A-Satzbaugruppe bzw. ein E/A-Modul 68 bezeichnet. Die E/A-Module 68 sind auf einer Leiterplatte 70, die hier als eine E/A-Leiterplatte bezeichnet wird, abnehmbar angebracht. Jedes E/A-Modul 68 hat zwei Reihen von Kontaktstiften 72, wie Fig. 4 zeigt.
Jedes Modul 68 kann in einen entsprechenden Verbinder oder eine Buchse 74 in der E/A-Leiterplatte 70 eingesteckt werden. Jede Buchse 74 hat zwei Reihen von Löchern oder Öffnungen, die durch die Linien 76, 78 dargestellt und vorgesehen sind, um dem Muster der Kontaktstifte zu entsprechen, die von jedem der E/A-Module 68 vorstehen. Jedes Modul 68 ist auf der E/A-Leiterplatte 70 mittels einer Schraube 82 in dem Modul 68 und einer entsprechenden Gewindebohrung 84 in der E/A-Leiterplatte 70 befestigt. Ferner hat die E/A-Platte 70 einen Verbinder 86, um jedes der E/A- Module 68 je nach Bedarf mit dem Bus 62 (Fig. 2) oder mit den E/A-Einrichtungen elektrisch zu verbinden. Die spezielle Art und Weise der Verbindung der E/A-Module 68 mit der E/A- Leiterplatte 70 wird nicht als wichtig angesehen, und es könnten verschiedene Verbindungsmöglichkeiten angewandt werden.
Auf der E/A-Leiterplatte 70 in Fig. 3 sind zwar nur vier E/A-Module 68 gezeigt, aber es könnten mehr Module 68 in den leeren Buchsen 74 vorgesehen sein, die in Vierergruppen angeordnet sind. Die E/A-Leiterplatte 70 kann somit eine Kapazität von wenigstens 16 E/A-Modulen haben.
Es versteht sich, daß die Buchsen 74 jeweils identisch sind und daß die Kontaktstifte 72 auf identische Weise ungeachtet des Typs des E/A-Moduls von den verschiedenen E/A-Modulen 68 vorstehen. So kann jeder der vier Typen von E/A-Modulen 68 in jede Buchse 74 in der E/A-Leiterplatte 70 eingesteckt werden. Infolgedessen kann die E/A-Platte 70 jede Kombination aus E/A-Modulen 68 tragen. Wenn beispielsweise die E/A-Leiterplatte 70 16 Buchsen daran aufweist, könnte die E/A-Leiterplatte 70 16 analoge Eingabemodule oder neun analoge Eingabemodule und sieben analoge Ausgabemodule oder auch 13 digitale Eingabemodule und drei digitale Ausgabe module usw. tragen.
Fig. 2 zeigt zwar nur vier E/A-Schaltungen 60, es versteht sich aber, daß mehr E/A-Schaltungen 60 charakteristisch verwendet werden und daß sämtliche derartigen E/A-Schaltungen mit dem Mikroprozessor 40 über den Puffer 50 ver bunden sind. Der Puffer 50 kann mit einer Vielzahl von Zweirichtungspuffern oder einer Vielzahl von Einrichtungspuffern implementiert sein. Es versteht sich ferner, daß die Steuervorrichtung 22 eine Vielzahl von E/A-Leiterpiatten 70 enthalten kann, so daß mehr E/A-Module 68 vorgesehen sein können. Alternativ könnten die E/A-Module auf derselben Leiterplatte wie der Mikroprozessor 40 angebracht sein.
Der Mikroprozessor 40 liest oder schreibt periodisch aus jedem bzw. in jedem der E/A-Module 68 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit wie beispielsweise 20mal je Sekunde. Die Art und Weise, wie das ausgeführt wird, wird nachstehend in Verbindung mit den Fig. 5 bis 8 beschrieben, die Schaltbilder der vier E/A-Schaltungen 60a bis 60d sind, sowie unter Bezugnahme auf Fig. 10, die ein Flußdiagramm eines Teils eines Rechnerprogramms ist, das in dem ROM 42 gespeichert ist und die Kommunikation mit den E/A-Modulen 60 steuert.

Digitale Eingabeschaltung

In Fig. 5 ist ein Schaltbild der digitalen Eingabeschaltung 60c gezeigt. Die digitale Eingabeschaltung (DI) umfaßt ein Paar von Leitern oder Leitungen 102, 104, die mit einer der E/A-Einrichtungen 34 elektrisch verbunden sind. Die Leitungen 102, 104 enden zwar hier an dem unteren Bereich des E/A-Modulgehäuses 66, aber geeignete Verbinder und Kabel (nicht gezeigt) verbinden die Leitungen 102, 104 mit der E/A-Einrichtung 34. Die E/A-Einrichtung erzeugt entweder einen offenen Stromkreis oder einen Kurzschluß über die Leitungen 102, 104 in Abhängigkeit von dem Zustand der über wachten Bedingung. Wenn die E/A-Einrichtung 34 einen Kurzschluß über die Leitungen 102, 104 erzeugt, wird ein Stromweg von einer Speisespannungsquelle V durch eine Diode 106, einen Widerstand 108, eine lichtemittierende Diode 110 und durch die Leitungen 102, 104 zu Masse gebildet. Eine Z-Diode 112 ist als Überspannungsschutz zwischen den Leitungen 102, 104 vorgesehen.
Aufgrund des Stromflusses schaltet die lichtemittierende Diode 110 einen Transistor 118 ein, der die Spannung am Eingang A4 eines Pufferkreises 120 herunterzieht. Bei Abwesenheit eines Stroms durch den Transistor 118 ist die Spannung am Puffereingang A4 normalerweise hoch infolge seiner Verbindung mit einer Speisespannungsquelle V durch einen Widerstand 124.
Wenn die E/A-Einrichtung 34 keinen Kurzschluß über die Leitungen 102, 104 erzeugt, leuchtet die lichtemittierende Diode 110 nicht, und der Transistor 118 schaltet nicht ein, so daß die Spannung am Puffereingang A4 hoch bleibt.
Wenn der Puffer 120 über ein Freigabesignal freigegeben wird, das dem Puffer 120 von dem Mikroprozessor 40 über eine Leitung 126 zugeführt wird, wird der Spannungswert an dem Puffereingang A4 zu seinem Y4-Ausgang und über eine Leitung 128 zu dem Mikroprozessor 40 übertragen.
Der Puffer 120 hat außerdem die zweite Funktion, dem Mikroprozessor 40 anzuzeigen, daß die E/A-Schaltung 60c eine digitale Eingabeschaltung ist. Das wird erreicht, indem die Puffereingänge AO bis A3 mit Masse in Kontakt sind. Beim Lesen durch den Mikroprozessor 40 liefern die Y0- bis Y3- Ausgänge, die den AO- bis A3-Eingängen zugeordnet sind, den Binärcode 0000 an den Mikroprozessor 40 über vier Leitungen 130. Dieser spezielle Code zeigt dem Mikroprozessor 40 an, daß er mit einer digitalen Eingabeschaltung in Verbindung ist.

Analoge Eingabeschaltung

Ein Schaltbild der analogen Eingabeschaltung 60a ist in Fig. 6 gezeigt. Die analoge Eingabeschaltung 60a hat ein Paar Leitungen 162, 164, die mit einer E/A-Einrichtung 34 verbunden sind und eine herkömmliche Stromschleife von 4 bis 20 mA zwischen dem analogen Eingabekreis 60a und der E/A- Einrichtung 34 herstellen. Ein Stromregler 166, der mit einer Speisespannungsquelle V verbunden ist, liefert 25 mA Strom an die E/A-Einrichtung 34 auf der Leitung 162. Ein Strom, der zwischen 4 und 20 mA veränderlich ist, wird auf Leitung 164 von der E/A-Einrichtung 34 zugeführt. Dieser veränderliche Strom wird über einen Widerstand 170 geliefert, um eine veränderliche Spannung zu erzeugen, die einem Skalierverstärker 172 zugeführt wird. Ein Paar von Z-Dioden 174, 175 ist zum Überspannungsschutz vorgesehen.
Die von dem Skalierverstärker 172 erzeugte Spannung wird dem Kanal 0 eines A/D-Wandlers 180 auf einer Leitung 176 zugeführt. Der Skalierverstärker 172, der eine herkömmliche Operationsverstärkerschaltung aufweisen kann, führt eine Skalierfunktion aus, die sicherstellt, daß der Bereich von Spannungen, der über dem Widerstand 170 erzeugt wird, ungefähr gleich dem Umwandlungsbereich eines A/D-Wandlers 180 ist, um eine maximale Auflösung zu erreichen. In Fällen, in denen diese Spannungsbereiche ungefähr gleich sind, ist der Skalierverstärker nicht erforderlich.
Kanal 1 des A/D-Wandlers 180 ist mit einer Leitung 182 verbunden, die eine konstante Bezugsspannung liefert. Wie noch im einzelnen beschrieben wird, wird die Bezugsspannung von dem A/D-Wandler 180 periodisch umgewandelt und von dem Mikrorozessor 40 gelesen, um sicherzustellen, daß der A/D- Wandler 180 richtig funktioniert.
Die analoge Eingabeschaltung 60a weist außerdem einen Puffer 190 auf, der Eingänge AO bis A2 hat, die mit Masse verbunden sind, und einen Eingang A3 hat, der mit einer relativ hohen Spannung über einen Widerstand 192 verbunden ist. Wenn der freigabeeingang des Puffers 190 von dem Mikroprozessor 40 über eine Leitung 194 aktiviert wird, überträgt der Puffer 190 den Binärcode 0001 auf vier Leitungen 196 zu dem Mikroprozessor 40. Auf der Basis dieses Binärcodes kann der Mikroprozessor 40 die E/A-Schaltung 60a als eine analoge Eingabeschaltung erkennen.
Eine Vielzahl von Leitungen 198 führt Takt- und Datensignale zwischen dem Mikroprozessor 40 und dem A/D-Wandler 180, der ein integrierter Schaltungs-Chip LTC1290DCJ sein kann, der im Handel von Linear Technologies erhältlich ist. Die Leitung 198, die mit dem DI-Eingang des A/D-Wandlers 180 verbunden ist, dient dazu, die Parameter des Wandlers 180 wie etwa, welcher Kanal zu lesen ist, zu wählen. Die Leitung 198, die mit dem DO-Ausgang des Wandlers 180 verbunden ist, überträgt seriell das Multibit-Binärsignal, das von dem A/D- Wandler 180 aus dem ursprünglichen analogen Eingangssignal von den Leitungen 162, 164 erzeugt wird.
Das dem analogen Eingangswert entsprechende Binärsignal, das von dem A/D-Wandler 180 übertragen wird, wird von dem Mikroprozessor 40 auf der Basis der Temperatur, die von dem Temperaturmeßwandler 64 aufgenommen wird, temperaturkompensiert. Das wird durchgeführt, weil der Verstärkungsfaktor der analogen Eingabeschaltung 60a sich mit der Temperatur ändert.

Digitale Ausgabeschaltung

Ein Schaltbild der digitalen Ausgabeschaltung 60d ist in Fig. 7 gezeigt. Die digitale Ausgabeschaltung umfaßt ein Paar Leitungen 210, 212, die mit einer E/A-Einrichtung 34 verbunden sind, die von dem digitalen Ausgangswert zu steuern ist. Zur Steuerung des Werts des digitalen Ausgangs überträgt der Mikroprozessor 40 das geeignete Binärsignal zum Eingang eines D-Flipflops 220 auf einer Leitung 222. Das nichtkomplementierte Q-Ausgangssignal des Flipflops 220 wird über einen Widerstand 226 an die Basis eines Transistors 224 geführt. Wenn das Q-Ausgangssignal hoch ist, schaltet der Transistor 224 ein und zieht somit Strom von einer Speisespannungsquelle V durch einen Widerstand 230 und ein Paar von Dioden 232, 234 ab. Bei Stromfluß durch die lichtemittierende Diode 234 bewirkt das erzeugte Licht das Einschalten eines Transistors 240. Infolgedessen wird Strom von einer Speisespannungsquelle V durch einen Strombegrenzer 242, durch eine Sicherung 244 in die Ausgangsleitung 210 und zurück von der E/A-Einrichtung 34 über die Eingangsleitung 212 zu Masse abgezogen. Eine Z-Diode 246 ist zum Überspannungsschutz vorgesehen.
Wenn der Mikroprozessor 40 dem Eingang des Flipflops 220 ein niedriges Spannungssignal zuführt, sind die Transistoren 224 und 240 nichtleitend, so daß die Zuführung von Strom zu der Leitung 210 verhindert wird.
Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 220 wird außerdem dem AS- Eingang eines Puffers 260 auf einer Leitung 264 zugeführt, so daß der Mikroprozessor 40 prüfen und sicherstellen kann, daß das Flipflop 220 das Ausgangssignal liefert, das der Mikroprozessor 40 auf Leitung 222 bezeichnet hat. Zu diesem Zweck liest der Mikroprozessor 40 bei Zuführung des Signals auf der Leitung 222 den Y5-Ausgang des Puffers 260 über Leitung 266, um sicherzustellen, daß es sich um denselben Binärwert handelt wie das Signal, das auf Leitung 222 übermittelt worden ist.
Das Flipflop 220 wird auf herkömmliche Weise von dem Y4- Ausgang des Puffers 260 über Leitung 270 getaktet. Der Y4- Ausgang des Puffers 260 wird von seinem A4-Eingang gesteuert, der von dem Mikroprozessor 40 über Leitung 272 zugeführt wird.
Der Puffer 260 hat ferner einen Eingang AO, der über einen Widerstand 280 mit einer relativ hohen Spannung verbunden ist, und drei Eingänge A1 bis A3, die mit Masse verbunden sind. Wenn die Freigabe über Leitung 284 erfolgt, überträgt der Puffer 260 zu dem Mikroprozessor 40 über die vier Leitungen 286 den Binärcode 1000 an seinen YO- bis A3-Ausgängen. Der Binärcode 1000 zeigt dem Mikroprozessor 40 an, daß die Schaltung 60d eine digitale Ausgabeschaltung ist.

Analoge Ausgabeschaltung

Ein Schaltbild der analogen Ausgabeschaltung 60b ist in Fig. 8 gezeigt. Die analoge Ausgabeschaltung 60b, die ein Analogsignal erzeugt und einer E/A-Einrichtung 34 zuführt, umfaßt einen Digital-Analog- bzw. D/A-Wandler 300, der einen mit einer Leitung 302 gekoppelten DATA-Eingang und einen mit einer Leitung 304 gekoppelten CLK-Eingang hat. Der Mikroprozessor 40 bezeichnet den Wert des von der E/A-Einrichtung 34 abzugebenden Analogsignals durch serielles Übertragen eines Multibit-Binärsignals über Leitung 302 zu dem DATA-Eingang. Bei Empfang dieses Binärsignals erzeugt der D/A-Wandler 300 einen Strom, der einen entsprechenden Wert hat, in einem Paar Leitungen 310, 312, die mit seinen Ausgängen OUT1 und OUT2 verbunden sind.
Der Strom wird einem Strom-Spannungs- bzw. I/V-Wandler 320 über die Leitungen 310, 312 zugeführt. Der I/V-Wandler 320 erzeugt eine Spannung, die zu dem Eingangsstrom proportional ist, und überträgt die Spannung zu einem Spannungs- Spannungs- bzw. V/V-Wandler 322 auf einer Leitung 324. Der V/V-Wandler 322 erzeugt eine Spannung auf einer ersten Ausgangsleitung 326. Die Leitung 326 ist außerdem mit einem Spannungs-Strom- bzw. V/I-Wandler 330 verbunden, der die Spannung an seinem Eingang in einen Strom umwandelt und den Strom zu einer zweiten Ausgangsleitung 332 überträgt. Ein Paar von Z-Dioden 336, 338 ist zwischen die beiden Ausgangsleitungen 326, 332 und eine dritte Ausgangsleitung 340 geschaltet, um einen Überspannungsschutz vorzusehen.
Die drei Ausgangsleitungen 326, 332, 340 sind vorgesehen, um hinsichtlich der Typen von E/A-Einrichtungen 34, die die analoge Ausgabeschaltung 60b steuern kann, Flexibilität zu erreichen. Insbesondere sind E/A-Einrichtungen 34, die spannungsgesteuert sind, zwischen die Ausgangsleitungen 326 und 340 geschaltet, wohingegen stromgesteuerte E/A-Einrichtungen 34 zwischen die Ausgangsleitungen 332 und 340 geschaltet sind.
Das Ausgangssignal des I/V-Wandlers 320 auf Leitung 324 wird außerdem einem Puffer 350 zugeführt. Der Zweck der Zwischenspeicherung des Ausgangssignals des I/V-Wandlers 320 ist es, dem Mikroprozessor 40 die Prüfung der Genauigkeit der Spannung zu ermöglichen, die von dem I/V-Wandler 320 erzeugt wird, um sicherzustellen, daß sie der Größe des Multibit- Binärsignals entspricht, das der Mikroprozessor 40 auf Leitung 302 zu der analogen Ausgabeschaltung übertragen hat. Das Ausgangssignal des Puffers 350 wird auf einer Leitung 352 als ein AOUT-Signal abgegeben. Wie nachstehend beschne ben wird, wird dieses Signal AOUT einem A/D-Wandler in der Temperaturmeßwandlerschaltung 64 zugeführt, in dem sein Wert von dem Mikroprozessor 40 periodisch gelesen wird.
Die analoge Ausgabeschaltung 60b weist außerdem einen Puffer 354 auf. Der Puffer 354 hat zwei Eingänge A0, A1, die über einen Widerstand 356 mit einer relativ hohen Spannung verknüpft sind, und zwei Eingänge A2, A3, die mit Masse verbunden sind. Wenn der Puffer über eine Leitung 357 aktiviert wird, überträgt er zu dem Mikroprozessor 40 den Binärcode 1100 an seinen Y0- bis Y3-Ausgängen über vier Leitungen 358. Der Binärcode 1100 zeigt dem Mikroprozessor 40 an, daß die Schaltung 60b eine analoge Ausgabeschaltung ist.

Temperaturmeßwandlerschaltung

Fig. 9 ist ein Schaltbild des in Fig. 2 schematisch gezeigten Temperaturmeßwandlers 64. Die Meßwandlerschaltung 64 umfaßt einen Temperatursensorkreis 360, der ein Analogsignal an seinem TEMP-Ausgang erzeugt, das zu der erfaßten Temperatur proportional ist. Da der Sensorkreis 360 physisch in dem Gehäuse der Steuervorrichtung 22 angeordnet ist, ist die erfaßte Temperatur die Temperatur in dem Gehäuse der Leitvorrichtung, die im wesentlichen die gleiche Temperatur wie die der analogen Eingabeschaltungs-Module 60 sein sollte, da diese ebenfalls in demselben Steuervorrichtungsgehäuse untergebracht sind. Der Sensorkreis 360 kann ein handelsüblicher integrierter Schaltungs-Chip LT1019 sein.
Das von dem Temperatursensor 360 erzeugte analoge Temperatursignal wird dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 362 auf einer Leitung 364 zugeführt. Der Zweck des Operationsverstärkers 362 ist die Verstärkung des Temperatursignals, da es eine relativ kleine Spannung hat (2,1 mV/ºK)
Der Ausgang des Operationsverstärkers 362 ist mit einem Kanal 0 eines A/D-Wandlers 370 über eine Leitung 372 verbunden. Der A/D-Wandler 370 wandelt das Analogsignal in Multibit-Binärform zur seriellen Übertragung von seinem DO- Ausgang zu dem Mikroprozessor 40 auf dem Bus 54 um. Der Kanal 1 des A/D-Wandlers 370 ist mit einer Leitung 390 verbunden, die so gekoppelt ist, daß sie das Signal AOUT von Leitung 352 (Fig. 8) über den Bus 62 empfängt. Wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird, wandelt der A/D- Wandler 370 das AOUT-Signal auf Leitung 390 periodisch um, um den korrekten Betrieb der analogen Ausgabeschaltung von Fig. 8 zu überprüfen.
Der Temperatursensor 360 erzeugt an seinem VOUT-Ausgang eine temperaturkompensierte Referenzspannung. Weil sie temperaturkompensiert ist, ist diese Referenzspannung ungeachtet von Änderungen der Temperatur konstant. Die kompensierte Referenzspannung wird dem A/D-Wandler 370 zugeführt. Die Zuführung der kompensierten Referenzspannung zu dem A/D- wandler 370 ist vorteilhaft, weil dadurch etwaige temperaturinduzierten Schwankungen innerhalb des Wandlers 370 vermindert werden, was eine präzisere Umwandlung ermöglicht.
Die kompensierte Referenzspannung wird außerdem dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 376 auf einer Leitung 378 zugeführt. Der Verstärker 376 wirkt als Puffer, und sein Ausgangssignal auf Leitung 380 ist mit Leitung 182 von Fig. 6 über den Bus 62 (Fig. 2) elektrisch verbunden, um die Referenzspannung für den A/D-Wandler 180 zuzuführen.

Betrieb

Im Betrieb der Steuervorrichtung bzw. Steuereinheit 22 wird eine Anzahl von Aufgaben, die auf die Prozeßsteuerung bezogen sind, kontinuierlich ausgeführt. Diese Aufgaben und die Art ihrer Durchführung sind in einer Patentanmeldung mit dem Titel "Operating System For A Process Controller", US- Serial-Nummer 07/622 937, angemeldet 12/11/90, beschrieben, deren Offenbarung hier summarisch eingeführt wird. Die Aufgabe, die die Kommunikation zwischen dem Mikroprozessor 40 und den E/A-Schaltungen 60 betrifft, wird nachstehend im einzelnen beschrieben.
Beim Einschalten fragt der Mikroprozessor 40 jedes der E/A- Module 68, mit denen er verbunden ist, ab, um festzustellen, welcher Typ von E/A-Modul sich in jeder der Buchsen 74 auf der bzw. den E/A-Platten 70 befindet. Dieses Abfragen umfaßt die Übertragung eines Codeanforderungssignals, das in diesem speziellen Fall ein Pufferfreigabesignal ist, und das Lesen des Vier-Bit-Binärcodes, der von dem Puffer in jeder E/A- Schaltung übertragen wird. Auf der Basis jedes speziellen Codes bestimmt der Mikroprozessor 40 den Typ jedes E/A- Moduls 68 und "merkt sich", von welchem Typ jede E/A-Einrichtung ist, indem jeder Code oder ein ähnlicher Codetyp in einem Speicher gespeichert wird. So braucht der Mikroprozessor 40 bei jedem Einschalten die E/A-Module 68 nur einmal abzufragen.
Nach dem Erstabfragen führt der Mikroprozessor 40 periodisch eine E/A-Routine 400 aus, um aus jedem der E/A-Module 68 auszulesen bzw. in dieses einzuschreiben. Die E/A-Routine 400 könnte beispielsweise 20mal je Sekunde ausgeführt werden.
Ein Ablaufdiagramm der E/A-Routine 400 ist in Fig. 10 gezeigt. Jedesmal, wenn die E/A-Routine 400 ausgeführt wird, kommuniziert der Mikroprozessor 40 mit jedem der E/A-Module 68, mit denen er verbunden ist.
In Schritt 402 wird eines der E/A-Module 68, das mit dem Mikroprozessor 40 verbunden ist, aktiviert. Das wird erreicht durch die Übertragung eines Freigabesignals vom Mikroprozessor 40 zu dem Pufferkreis des E/A-Moduls 68. Dieses Freigabesignal wird hier auch als ein Codeanforderungssignal bezeichnet, weil es den Puffer veranlaßt, den Vier- Bit-Binärcode zu übertragen, der anzeigt, mit welchem Typ von E/A-Schaltung 60 der Mikroprozessor 40 in Verbindung ist.
In Schritt 404 überträgt der Puffer den Vier-Bit-Binärcode, der den Typ des E/A-Moduls bezeichnet, und der Mikroprozessor 40 liest diesen Code, um sicherzustellen, daß das richtige Kommunikationsprotokoll verwendet wird, weil jeder der vier Typen von E/A-Modulen 68 ein eigenes Kommunikationsprotokoll hat.
Wenn der Code 0000 ist, was einer digitalen Eingabeschaltung entspricht, werden die Schritte 410 bis 414 ausgeführt, die das Kommunikationsprotokoll definieren, das einer digitalen Eingabeschaltung speziell zugehörig ist. In Schritt 410 liest der Mikroprozessor 40 das digitale Eingangssignal auf Leitung 128 (Fig. 5). In Schritt 412 fragt der Mikroprozessor 40 ab, ob das digitale Eingangssignal über einen vorbestimmten Zeitraum konstant ist. Schritt 412 wird ausgeführt, um sicherzustellen, daß Übergangssignale ignoriert werden. Wenn der Signalwert konstant ist, verzweigt sich das Programm zu Schritt 414, in dem der neue Wert des digitalen Eingangssignals gespeichert wird. Wenn der Wert nicht konstant ist, wird der Übergangswert nicht gespeichert, und Schritt 414 wird übersprungen. Das Programm springt dann zu Schritt 402 zurück, so daß der Mikroprozessor 40 mit dem nächsten E/A-Modul 68 kommunizieren kann.
Wenn der Binärcode von Schritt 404 einer analogen Eingabeschaltung entspricht, werden die Schritte 420 bis 424 ausgeführt. In Schritt 420 liest der Mikroprozessor 40 das analoge Eingangssignal durch Lesen der Leitung 198, die mit dem DO-Ausgang des A/D-Wandlers 180 (Fig. 6) verbunden ist.
Dieses analoge Eingangssignal (das Multibit-Binärform hat) wird dann auf der Basis des aktuellen Temperaturwerts der Temperaturmeßwandlerschaltung 64 kompensiert. Der Kompensationswert basiert auf den Verstärkungscharakteristiken der analogen Eingabesöhaltung 60a mit der Temperatur. Die Kompensation könnte eine lineare Kompensation mit der Temperatur oder eine komplexere Funktion sein. Im letzteren Fall könnten Kompensationsdaten in einer Nachschlagetabelle in einem ROM gespeichert sein.
Da die Temperatur im Inneren des Gehäuses der Steuervorrichtung 22 sich relativ langsam ändern würde, ist es nicht notwendig, daß der Mikroprozessor 40 das Temperatursignal aus dem Kanal 0 des A/D-Wandlers 370 (Fig. 9) jedesmal bei Ausführung der E/A-Routine 400 liest. Es genügt, das Temperatursignal mit geringerer Häufigkeit zu lesen und die Ergebnisse in einem Speicher zu speichern, so daß sie jedesmal bei Ausführung der E/A-Routine 400 genutzt werden können.
In Schritt 424 wird der kompensierte analoge Eingangswert in einem Speicher gespeichert. Dann springt das Programm zu Schritt 402 zurück, in dem das nächste E/A-Modul 68 freigegeben wird.
Wenn der Binärcode von Schritt 404 einem digitalen Ausgabekreis entspricht, werden die Schritte 430 bis 442 ausgeführt. In Schritt 430 gibt der Mikroprozessor 40 einen Digitalwert an das E/A-Modul 68 ab. Das wird erreicht, indem entweder eine binäre Eins oder eine binäre Null zu dem D- Flipflop 220 über Leitung 222 (Fig. 7) übertragen wird. In Schritt 432 liest der Mikroprozessor 40 die Leitung 266 (Fig. 7), um zu bestimmen, ob die digitale Ausgabeschaltung 60d an die E/A-Einrichtung 34 das richtige Ausgangssignal geliefert hat. Das erfolgt in Schritt 434 durch Vergleichen des auf Leitung 266 empfangenen Binärwerts mit dem auf Leitung 222 übertragenen Binärwert.
Wenn die beiden Binärwerte übereinstimmen, was anzeigt, daß das Ausgangssignal korrekt war, springt das Programm zu Schritt 402 zurück. Wenn die Werte nicht übereinstimmen, wird in Schritt 436 ein Alarm gesetzt. Die Zeit der Nichtübereinstimmung wird in Schritt 438 in einem Speicher gespeichert. Das spezielle E/A-Modul 68, das auf diese Weise ausgefallen ist, kann ebenfalls aufgezeichnet werden.
Wenn die Nichtübereinstimmung in Schritt 440 nicht fatal ist, springt das Programm zu Schritt 402 zurück. Ob eine Nichtübereinstimmung "fatal" ist, wird durch ein von dem Bediener gesetztes Flag bestimmt. Das Setzen des Fatal-Flags kann beispielsweise von der relativen Wichtigkeit jedes einzelnen E/A-Moduls 68 und/oder des speziellen gesteuerten Prozesses abhängig sein.
Wenn die Nichtübereinstimmung fatal ist, wird in Schritt 442 die Steuerung des Prozesses unterbrochen, und der digitale ausgangswert für dieses E/A-Modul 68 kann zu einem speziellen Fehlerzustand vorgegeben werden, der vom Bediener bestimmt wird. Beispielsweise kann es in Abhängigkeit von dem Anwendungsfall erwünscht sein, ein elektromagnetisch betätigtes Ventil entweder geöffnet oder geschlossen ausfallen zu lassen.
Wenn der Binärcode von Schritt 404 einer analogen Ausgabeschaltung entspricht, werden die Schritte 450 bis 462 ausgeführt. In Schritt 450 gibt der Mikroprozessor 40 einen Analogwert (in Multibit-Binärform) zu dem E/A-Modul 68 auf Leitung 302 (Fig. 8) ab.
In Schritt 452 liest der Mikroprozessor 40 den Wert des Multibit-Binärsignals auf Kanal 1 des A/D-Wandlers 370 (Fig. 9). Dieser Wert sollte dem Multibit-Binärwert entsprechen, den der Mikroprozessor 40 auf Leitung 302 zu der analogen Ausgabeschaltung 60b übermittelt hat.
Wenn in Schritt 454 die beiden Binärwerte innerhalb einer relativ kleinen Zahl von Binärzählstellen in bezug aufeinander liegen, werden sie als übereinstimmend betrachtet. Wenn Übereinstimmung vorliegt, springt das Programm zu Schritt 402 zurück, in dem der Mikroprozessor 40 in das nächste E/A-Modul 68 schreibt oder daraus liest.
Wenn die Werte nicht übereinstimmen, wird in Schritt 456 ein Alarm gesetzt. Dann wird in Schritt 458 die Zeit der Nichtübereinstimmung gespeichert. Das fehlerhafte spezielle E/A- Modul 60 kann ebenfalls gespeichert werden.
Wenn in Schritt 460 die Nichtübereinstimmung nicht fatal ist, springt das Programm zu Schritt 402 zurück. Wenn die Nichtübereinstimmung fatal ist, wird in Schritt 462 die Steuerung des Prozesses ausgesetzt, und der analoge Ausgangswert für dieses E/A-Modul 60 kann als ein spezieller ausfallwert vorgegeben werden, der von dem Bediener bezeichnet ist.
Es versteht sich, daß die oben beschriebene E/A-Grundroutine 400 auf verschiedene Weise implementiert werden könnte. Beispielsweise könnte der Mikroprozessor 40 nach der Erstklassifizierung jedes E/A-Moduls 68 beim Einschalten sämtliche E/A-Module 68 in vier Gruppen auf der Basis ihres Typs unterteilen. Jede Grupe könnte dann nacheinander gelesen werden, wobei zuerst sämtliche digitalen Eingabeschaltungen, dann sämtliche analogen Eingabeschaltungen usw. gelesen werden. In diesem Fall ist der Schritt 404 von Fig. 10 ein Prüfschritt, um zu prüfen, daß das spezielle E/A-Modul 68 zu der momentan getesteten Gruppe gehört.
Anstatt einer Unterteilung aller E/A-Module 68 in Gruppen auf der Basis ihrer Klassifizierung könnte der Mikroprozessor 40 als Alternative mit den E/A-Modulen 68 auf der Basis ihrer Positionen auf der E/A-Platte 70 in Verbindung treten. So könnte der Mikroprozessor 40 an einem Ende der E/A-Platte 70 beginnen und jedes E/A-Modul 68 nacheinander entsprechend seiner körperlichen Position adressieren. In diesem Fall könnte jedes aufeinanderfolgende E/A-Modul 68 ein anderer Typ sein, und der Schritt 404 wäre ein Ver zweigungsschritt, bei dem eine Verzweigung zu einem jeweils anderen der vier Grund-Kommunikationsprotokolle für jedes aufeinanderfolgende E/A-Modul 68 erfolgt.
Selbstverständlich sind die vier oben beschriebenen Grundtypen der E/A-Module 68 nicht die einzigen Typen, die verwendet werden können. Andere Modultypen wie etwa Impulseingabemodule, die speziell zur Eingabe von digitalen Impulsfolgen ausgelegt sind, könnten verwendet werden. Alternativ kann die Steuereinheit 22 nur zur Überwachung von Prozeßsteuerzuständen genutzt werden, und in dem Fall würde die Steuereinheit 22 weder analoge noch digitale Ausgabeschaltungen benotigen.

A/D-Wandler-Prüfroutine

Beim Betrieb der Steuervorrichtung 22 wird der A/D-Wandler 180 (Fig. 6) in jeder analogen Eingabeschaltung 60a periodisch, beispielsweise alle 10 s, in bezug auf Genauigkeit geprüft. Das erfolgt dadurch, daß man den A/D-Wandler 180 eine bekannte Referenzspannung in eine Multibit-Binärzahl umwandeln läßt und dann feststellt, ob diese Binärzahl innerhalb eines zu erwartenden Bereichs von Binärzahlen liegt.
Es sei beispielsweise angenommen, daß der A/D-Wandler 180 eine Spannung zwischen 0 und 5 V in eine 14-Bit-Binärzahl umwandelt. Dabei ist zu erwarten, daß die Binärzahl 0 ist, wenn die Spannung Null ist, und daß sie 4096 ist&sub1; wenn die Spannung 5 V ist. Wenn die von dem A/D-Wandler 180 bei der Prüfung gelieferte Referenzspannung exakt 2,5 V ist, ist die zu erwartende binäre Ausgangszahl des Wandlers 180 dann 2048. Da sehr geringe Schwankungen erwartet werden, könnte die binäre Ausgangszahl einem Vergleich unterzogen werden, um sicherzustellen, daß sie innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, indem sie mit einem Niedrigbereichswert von 2044 und einem Hochbereichswert von 2052 verglichen wird. Wenn die binäre Ausgangszahl in diesen Bereich fällt, wird der A/D-Wandler 180 als ordnungsgemäß arbeitend angesehen.
Fig. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm einer A/D-Wandler-Prüfroutine 500. Wie oben beschrieben, wird die Prüfroutine 500 periodisch durchgeführt, um den A/D-Wandler 180 in jedem der analogen Eingabemodule 68a zu prüfen. Die Routine 500, die die Prüfung eines A/D-Wandlers veranschaulicht, wird dabei wiederholt, um jeden Wandler 180 zu prüfen. Die A/D-Wandler 180 könnten in jeder beliebigen Reihenfolge und mit jeder beliebigen Häufigkeit geprüft werden.
Die Prüfroutine beginnt mit Schritt 502, in dem der A/D- Referenzwert von dem Mikroprozessor 40 gelesen wird. Dieser Referenzwert, der die Referenzspannung auf Kanal 1 des A/D- Wandlers 180 (Fig. 6) ist, wird in eine Multibit-Binärzahl umgewandelt. In Schritt 504 wird diese Binärzahl geprüft, um festzustellen, ob sie in einem vorbestimmten Bereich liegt, der von einem Niedrigbereichswert und einem Hochbereichswert definiert ist. Wenn in Schritt 506 der Binärwert in diesem Bereich liegt, arbeitet der A/D-Wandler 180 korrekt, und die Routine endet damit.
Wenn die Binärzahl nicht in dem Bereich liegt, wird in Schritt 508 ein Alarm gesetzt. In Schritt 510 wird die Zeit des A/D-Wandlerfehlers sowie das E/A-Modul 68, das den fehlerhaften A/D-Wandler 180 enthält, gespeichert. Die Speicherung von solchen Fehlerdaten kann nützlich sein, weil der Bediener eventuell wissen möchte, welche Ereignisdaten einem Fehler unterliegen können. Wenn in Schritt 512 der Fehler des A/D-Wandlers nicht fatal ist, endet die Routine. Wenn der Fehler fatal ist, dann wird in Schritt 514 die Steuerung des Prozesses unterbrochen.

E/A-Modul-Änderungsroutine

Im Betrieb der Steuervorrichtung 22 kann der Bediener zusätzliche E/A-Module 68 auf der E/A-Leiterplatte 70 anbringen, Module 68 von der E/A-Leiterplatte 70 entfernen, die Positionen der vor-handenen Module 68 ändern oder irgendeine Kombination der vorstehenden Schritte vornehmen. Das erfolgt unter Anwendung einer E/A-Modul-Änderungsroutine 600, die in Fig. 12 gezeigt ist. Der Bediener löst die Änderungsroutine 600 aus, indem er über eine Tastatur (nicht gezeigt), die mit der Steuervorrichtung 22 verbunden ist, eine Moduländerungsanforderung eingibt.
Gemäß Fig. 12 wird bei Eingabe der Moduländerungsanforderung durch den Bediener in Schritt 602 die Ausführung der E/A- Routine 400 unterbrochen. In Schritt 604 wird eine visuelle Aufforderung auf dem Display der Steuervorrichtung (nicht gezeigt) erzeugt, die den Bediener auffordert, die gewünschten Änderungen der E/A-Module 68 vorzunehmen.
Die Routine verbleibt bei Schritt 606, bis der Bediener die gewünschten Moduländerungen vorgenommen hat. Die Beendigung der Änderungen wird vom Bediener durch Eingabe eines Moduländerung-Komplett-Befehls angegeben. Bei Empfang des Moduländerung-Komplett-Befehls springt das Programm zu Schritt 608, in dem sämtliche E/A-Module 68 gelesen werden, um die neuen Modultypen festzustellen. Schritt 608 ist der gleiche Vorgang, der wie oben beschrieben beim Einschalten der Steuereinheit 22 ausgeführt wird.

Claims

1. Prozeßsteuervorrichtung, die folgendes aufweist:

einen Prozessor (40), eine Vielzahl von im wesentlichen identischen Verbindern (74), Einrichtungen (50, 54, 62, 70), um diese Verbinder (74) mit dem Prozessor (40) elektrisch zu verbinden, und eine Vielzahl von Eingabe/Ausgabe-Satzbaugruppen, wobei die Prozeßsteuer-vorrichtung gekennzeichnet ist durch:

eine digitale Eingabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige digitale Eingangsschaltung (60c) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist;

eine digitale Ausgabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige digitale Ausgangsschaltung (60d) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist;

eine analoge Eingabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige analoge Eingangsschaltung (60a) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist;

eine analoge Ausgabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige analoge Ausgangsschaltung (60b) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist; und

Einrichtungen (40, 404), um den Typ der Eingabe- und Ausgabe-Satzbaugruppen (68) automatisch zu bestimmen.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede Satzbaugruppe (68) zusätzlich ein Gehäuse (66) und einen Verbinder (72) aufweist, wobei jeder der Verbinder (72) der Satzbaugruppen (68) jeweils eine der Satzbaugruppen (68) mit einem entsprechend der im wesentlichen identischen Verbinder (74) verbindet.

3. Kommunikationsverfahren in einer Prozeßsteuervorrichtung, die folgendes aufweist: einen Prozessor (40), eine Vielzahl von im wesentlichen identischen Verbindern (74), eine digitale Eingabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige digitale Eingangsschaltung (60c) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist, eine digitale Ausgabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige digitale Ausgangsschaltung (60d) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist, eine analoge Eingabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige analoge Eingangsschaltung (60a) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist, und eine analoge Ausgabe-Satzbaugruppe (68), die nur eine einzige analoge Ausgangsschaltung (60b) aufweist und mit einem der Verbinder (74) trennbar verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Senden eines Code-Anforderungssignals von dem Prozessor (40) an eine der Satzbaugruppen (68);

b) Empfangen eines Codesignals von einer Satzbaugruppe (68) als Reaktion auf das Code-Anforderungssignal;

c) Feststellen des Typs der einen Satzbaugruppe (68) auf der Basis des in Schritt (b) von der Satzbaugruppe (68) empfangenen Codesignals, wobei der Typ einer der folgenden vier Typen ist:

eine analoge Eingangsschaltung (60a),

eine analoge Ausgangsschaltung (60b),

eine digitale Eingangsschaltung (60c) oder

eine digitale Ausgangsschaltung (60d);

d) wenn die eine Satzbaugruppe (68), zu der das Code- Anforderungssignal während des Schritts (a) übermittelt wurde, eine analoge Eingangsschaltung (60a) ist, Übertragen eines Analogwerts von der einen Satzbaugruppe (68) an den Prozessor (40);

e) wenn die eine Satzbaugruppe (68), zu der das Code- Anforderungssignal während des Schritts (a) übermittelt wurde, eine analoge Ausgangsschaltung (60b) ist, Übertragen eines Analogwerts von dem Prozessor (40) an die eine Satzbaugruppe (68);

f) wenn die eine Satzbaugruppe (68), an die das Code- Anforderungssignal während des Schritts (a) übermittelt wurde, eine digitale Eingangsschaltung (60c) ist, Übertragen eines Digitalwerts von der einen Satzbaugruppe (68) an den Prozessor (40);

g) wenn die eine Satzbaugruppe (68), an die das Code-Anforderungssignal während des Schritts (a) übermittelt wurde, eine digitale Ausgangsschaltung (60d) ist, Übertragen eines Digitalwerts von dem Prozessor (40) an die eine Satzbaugruppe (68); und

h) Wiederholen der Schritte (a) bis (g) für die genannten Satzbaugruppen (68).