Beschreibung
Modulares Datenerfassungs- und Übertragungssystem sowie Übertragungseinrichtung dafür
Die Erfindung bezieht sich auf ein modulares Datenerfassungsund Übertragungssystem mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Daten über eine Ubertragungsstrecke in einem Datennetz mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 2 bzw. auf eine Moduleinrichtung zum Ansteuern eines Moduls auf einer Ubertragungsstrecke innerhalb eines Datennetzes mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 21.
Daten von verschiedenen, weiträumig verteilten, stationären oder mobilen Sensoren zeitsynchron zu erfassen und fehlersicher einer Messwarte zuzuführen, ist seit langem eine Standardanforderung an die Datenerfassung. Allgemein bekannt' ist eine Vielzahl von Individuallösungen, die jede für sich bestimmte Bereiche zuverlässig abdeckt. Ein allgemeingültiger Lösungsansatz unter Berücksichtigung aller Erfordernisse, existierte bisher jedoch nicht.
Zentrale Signalaufbereitungs- und Datenerfassungseinrichtungen, die zumeist in kostenintensiven, voluminösen 19 -Gehäusen eingebaut sind, können bei zunehmend größeren Entfernungen nicht eingesetzt werden, da die hochempfindlichen Sensorsignale durch eine unvermeidliche Einkopplung von elektromagnetischen Störungen auf analogen Übertragungswegen bereits verfälscht werden, bevor Sie in einer Zentraleinrichtung verstärkt und digitalisiert werden können.
Teure breitbandige Telemetriesysteme stellten bisher größtenteils Individuallösungen ohne existierende Standardschnittstellen dar. Vornehmlich basieren diese
Lösungen auf störanfälligen PCM-Einwegübertragungen (PCM: Pulse Code Modulation) mit nur bedingten Sicherungsschichten, z.B. einer Vorwärts-Fehlerkorrektur, und mit konstanten, aber nicht vernachlässigbaren Signalverzögerungen.
Für die Verbindung von beispielsweise Computern ist ein lokales Datennetz (LAN: Local Area Network) mit dem Ethernet- Standard bekannt. Bei dem Unterstandard Ethernet lOOBaseT beträgt dabei die weitest zulässige Entfernung zweier zu verbindender Computer 205 m, sofern zwei sogenannte Hubs als Verteilereinrichtungen mit einem maximal zulässigen Abstand von 5 m zwischen diesen und jeweils einem maximal zulässigen Abstand von 100 m zwischen einem Hub und einem Computer angesetzt werden. Wie bei diesem Substandard sind auch die weiteren Substandards, insbesondere auch mit einer Funkschnittstelle (WLAN: Wireless Local Area Network) auf maximale Übertragungsreichweiten zwischen zwei Stationen beschränkt .
Während die meisten Standardsysteme noch industriellen Ansprüchen genügen, erfordern Anwendungen im Freiluftbereich mit wasserfesten Gehäusen und Steckverbindern sowie einem erweiterten Temperaturbereich meist teure Speziallösungen. Durch längere Signallaufzeiten und steigende Abtastraten zur Realisierung höherer analoger Bandbreiten, z. B. bei akustischen Messungen, stoßen synchrone Datenerfassungssysteme bereits heute an ihre physikalischen Grenzen bezüglich hochpräziser simultaner Abtastungen für exakte Korrelationsanalysen.
Gerade kundenspezifische Systemanforderungen, die bisher nicht mit herkömmlichen Standardsystemen realisiert werden konnten, führten in der Vergangenheit zu teuren, weil schwer zu vermarktenden Einzelentwicklungen mit Prototypencharakter, deren Test und Erprobung zumeist erst im praktischen Einsatz
erfolgte und zu zeit- und kostenintensiven Nacharbeiten führte.
Mangelnde Flexibilität ermöglichte bisher die Verwendung von Hardwarekomponenten nur zur Realisierung von vorher fest definierten Messaufgaben. Schon geringfügige Spezifikationsänderungen machen kostenintensive Nachentwicklungen erforderlich. Eine Recycelfähigkeit , selbst nur von Teilen der Hardwarekomponenten, für zukünftige andere Messaufgaben ist dabei ausgeschlossen.
Beispielsweise besteht in der Ölindustrie das langjährige Problem, Pipelines für den Ferntransport von Öl über hunderte Kilometer zu überwachen. In vorgegebenen Abständen werden verschiedene Parameter der Transportbedingungen und des Öls mit Sensoren und dergleichen erfasst und an eine Auswertezentrale übermittelt. Für die Übermittlung werden Kabel verwendet, welche wegen der großen Distanzen und der zwingend erforderlichen Abschirmung aufwendig zu installieren und teuer sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein modulares Datenerfassungs- und Übertragungssystem bzw. eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Daten über zumindest eine Ubertragungsstrecke derart zu verbessern, dass auch weitere Distanzen überbrückt werden können. Vorzugsweise soll eine Ansteuerung einzelner Module auf einer Ubertragungsstrecke aus der Ferne mit einem einfachen Aufwand ohne spezielle Zusatzeinrichtungen ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein modulares Datenerfassungs- und Übertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Übertragungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Eine Ansteuermöglichkeit mit eigenständigem erfinderischem Gehalt ist Gegenstand der Moduleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21. Ein
Verfahren zur Zeitsynchronisierung ist Gegenstand der Merkmale des Patentanspruchs 24.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Das Datenerfassungs- und Übertragungssystem ermöglicht, eine beliebige Anzahl verschiedener physikalischer Größen von weiträumig verteilten, stationären oder mobilen Messstellen kontinuierlich zu erfassen, fehlersicher zu übertragen und an beliebigen Orten mit einer definierten Verzögerung auszugeben und/oder auf einem Computer zeitsynchronisiert zu speichern. Ermöglicht wird auch die einfache direkte Ansteuerung entfernter Module und daran angeschlossener Geräte. Dabei können im wesentlichen kostengünstige Komponenten für bereits standardisierte lokale Datennetze verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Datenerfassungs- und Übertragungssystem mit mehreren Modulen, die eine Übertragungseinrichtung zum Erfassen und Übertragen von Daten über jeweils zwei angeschlossene Ubertragungsstrecken aufweisen;
Fig. 2 ein Ein- und •Ausgangsmodul mit der Möglichkeit
Sensoren an die Ubertragungsstrecken anzuschließen;
Fig. 3 ein Eingangsmodul mit der Möglichkeit digitale Eingangsdaten in die Ubertragungsstrecken einzuspeisen;
Fig. 4 ein Ausgangsmodul mit der Möglichkeit analoge Daten aus den Ubertragungsstrecken zu entnehmen und an externe Einrichtungen auszugeben;
Fig. 5 ein Ausgangsmodul mit der Möglichkeit digitale Daten aus den Ubertragungsstrecken zu entnehmen und an eine externe Einrichtung auszugeben;
Fig. 6 ein Kopplermodul als Verteilereinrichtung mit der Möglichkeit weitere Ubertragungsstrecken an die Ubertragungsstrecken anzuschließen;
Fig. 7 ein Transceivermodul zum Anschließen einer
Funkschnittstelle an eine Ubertragungsstrecke;
Fig. 8 ein Leistungsversorgungsmodul zum Einspeisen einer Versorgungsleistung in die Ubertragungsstrecken;
Fig. 9 ein Schnittstellenmodul zum Anschließen fremder Netzschnittstellen an die Ubertragungsstrecken;
Fig. 10 ein Überbrückungs odul zum Überbrücken größerer
Distanzen als gemäß dem Standard für eine einzige Ubertragungsstrecke zulässig ist;
Fig. 11A - 11F Netztopologien mit beispielhaften Übertragungsabfolgen in einem solchen Datenerfassungs- und Übertragungssystem.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, dient ein beispielha tes Datenerfassungs- und Übertragungssystem zum Überwachen einer Pipeline 49 zum Transportieren von Öl über eine größere Distanz. Um Sicherzustellen, dass die Konsistenz des Öls zum Transport geeignet ist, insbesondere Druck p, Temperatur T und Strömungsgeschwindigkeit v innerhalb der Pipeline 49 stimmen, sind längs der Pipeline 49 Überwachungsstationen mit Ein- und Ausgangsmodulen 1, 1° eingerichtet. Die Ein- und Ausgangsmodule 1, 1° sind über Ubertragungsstrecken 9
untereinander und über ein Schnittstellenmodul 32 mit einer zentralen Überwachungsstation PC verbunden, um miteinander kommunizieren und Daten d austauschen zu können.
Die Ein- und Ausgangsmodule 1, 1° weisen Eingänge 7' für Sensoreinrichtungen 7 zum Erfassen dieser physikalischen Größen p, T, v als zu übertragende Daten d auf. Die Ein- und Ausgangsmodule 1, 1° weisen dabei vorzugsweise kombinierte Ein- und Ausgänge 7' für einen bidirektionalen Datenaustausch auf. Dies ermöglicht, dass Funktions- und Bauelemente innerhalb des Moduls Sensorparameter eigenständig nachregeln können, ohne über das Übertragungsnetz mit einer zentralen Steuereinrichtung kommunizieren zu müssen. Beispielsweise sind Plausibilitätskontrollen möglich, bei denen1 das Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten überwacht wird, um z.B. eine Verstärkung bei Bedarf anzupassen.
Das erste der dargestellten Ein- und Ausgangsmodule 1, 1° weist außerdem einen Ausgang 7* zu einer externen Einrichtung 7°, z.B. einer Pumpe M auf. Darüber werden der Pumpe M von dem Computer PC der Überwachungsstation Daten d als Steuerdaten ∞soii zum Festlegen von deren Fördergeschwindigkeit übertragen, nachdem von der Pumpe M deren momentane Betriebsparameter ω als zu der Überwachungsstation zu übertragende Daten d im Computer PC empfangen und als nicht geeignet bewertet wurden.
Die Verbindung des Schnittstellenmoduls 32 mit der zentralen Überwachungsstation PC erfolgt über ein Netz oder Anschlusssystem z.B. gemäß USB, zu einer Schnittstelle 34 der Überwachungsstation PC. Insbesondere erfolgt die Übertragung der Daten dabei über ein standardisiertes und gegebenenfalls aus Sicht des vorliegenden Datenerfassungs- und Übertragungssystems netzfremdes Datenübertragungssystem. Möglich ist z.B. auch eine direkte Verbindung mit einem Ethernetanschluss eines Computers als Überwachungsstation anstelle eines Schnittstellenmoduls.
Abgesehen von ggf. aber nicht notwendig dem ersten und dem letzten Modul weist jedes Modul 1, 1°, 32 jeweils zwei, einen ersten und einen zweiten Übertragungsstrecken-Anschluss 10, 10' auf. Dadurch wird jedes Modul 1, 1°, 32 mit zwei anderen Modulen 1, 1°, 16, 17, 32 verbunden.
Die Ubertragungsstrecken 9 sind im einfachsten Fall Kabel mit LAN-Leitungen eines Standardnetzes, vorzugsweise gemäß einem Ethernet-Standard. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die Kabel der Ubertragungsstrecken 9 jedoch speziell aufgebaut. Die Kabel weisen neben Datenleitungen 11 auch Versorgungsleitungen 12 zum Durchleiten einer Versorgungsleistung zu den einzelnen Modulen 1, 1°, 32 auf. Ein Beispiel hierfür ist Power over Ethernet (PoE) bei dem die 4 nicht verwendeten Adern der 8-adrigen Kabel zur Durchführung einer Versorgungsspannung von 48V genutzt werden, mit jeweils 2 Adern für den Plus- und Minuspol, um den Innenwiderstand und damit den Spannungsabfall über lange Leitungen zu verringern.
Um ein besonders einfach strukturiertes Datenerfassungs- und Übertragungssystem auszubilden, weist jedes Modul 1, 1°, 16, 17, 32 eine Übertragungseinrichtung 50 auf, welche den ersten und den zweiten Übertragungsstrecken-Anschluss 10, 10' sowie eine eigene Steuereinrichtung 3 zum Steuern der Übertragung von Daten d zwischen den Ubertragungsstrecken 9 aufweist.
Jeder Übertragungsstrecken-Anschluss 10, 10' weist eine Koppeleinrichtung zum Anschließen eines Kabels der Ubertragungsstrecke 9 auf. Von dieser führt eine erste Verbindung mit Datenleitungen 11 zu einer ersten bzw. zweiten Datenschnittstelleneinrichtung 2, 2', insbesondere einem Ethernet-LAN-Port . Im Fall z.B. eines lOOBaseT-Datennetzes werden die Datenleitungen 11 durch ein Kabel mit dafür 8 Adern bereitgestellt .
Die Datenschnittstelleneinrichtungen 2, 2' setzen empfangene und ggfs. weiter zu übertragende Daten d der angeschlossenen Ubertragungsstrecke 9 in ein Format um, welches von der Steuereinrichtung 3 verarbeitet werden kann, und die Datenschnittstelleneinrichtungen 2, 2' setzen von der Steuereinrichtung an die Ubertragungsstrecke 9 zu sendende Daten d in ein Format um, welches dem der angeschlossenen Ubertragungsstrecke 9 entspricht.
Die Steuereinrichtung 3 empfängt Daten d einer der Ubertragungsstrecken 9 bzw. Datenschnittstelleneinrichtungen 2, 2' und verarbeitet diese gegebenenfalls. Sind die Daten d über die andere Ubertragungsstrecke 9 weiter zu übertragen, so leitet die Steuereinrichtung 3 die ggf. verarbeiteten Daten d über die andere Datenschnittstelleneinrichtung 2' bzw. 2 und die andere Ubertragungsstrecke 9 zum nächsten Modul weiter. •
Der Einsatz jeweils einer eigenen Datenschnittstelleneinrichtung 2, 2' für jede der beiden Ubertragungsstrecken 9 bewirkt, dass jede der beiden Ubertragungsstrecken 9 eine eigenständige Ubertragungsstrecke 9 bzw. ein eigenständiges Datennetz mit den beiden daran angeschlossenen Modulen 16 - 1, 1 - 1°, 1° - 32, 32 - 17 als Endgeräten ausbildet. Dabei werden die Datenschnittstelleneinrichtungen 2, 2' über die Steuereinrichtung 3 angesteuert, wobei die zu übertragenden Daten d in der Steuereinrichtung 3 ggf. verarbeitet werden. Jede Ubertragungsstrecke 9 kann dabei die für den entsprechenden Datennetzstandard maximal zulässige Länge haben. Dieses Konzept ermöglicht somit eine Übertragung der Daten d über eine vom Grundprinzip her unbegrenzte Entfernung durch eine Aneinanderkettung einer Vielzahl- für sich unabhängiger, eigenständiger Ubertragungsstrecken 9 bzw. Datennetze.
Außerdem führt von der Koppeleinr-ichtung des Übertragungsstrecken-Anschlusses 10, 10' eine zweite Verbindung mit
Versorgungsleitungen 12, die physisch auch identisch mit den Datenleitungen sein können, zu einem Gleichspannungskonverter 8. Der Gleichspannungskonverter 8 stellt die über die Ubertragungsstrecke 9 empfangene Versorgungsleistung für die andere Datenschnittstelleneinrichtung 2, 2' bzw. die andere Ubertragungsstrecke 9 bereit. Außerdem stellt der Gleichspannungskonverter 8 eine für das Modul geeignete Versorgungsleistung bereit, insbesondere eine geeignete Betriebsspannung und Betriebsleistung.
Der bevorzugte Gleichspannungskonverter 8 weist dabei einen Eingangsanschluss für eine Versorgungsleistung mit einem großen Eingangsspannungsbereich, z.B. 5 - 250 V, auf und transformiert diese auf zumindest einen Ausgangsspannungswert, welcher für die Steuereinrichtung 3 erforderlich ist. Dadurch kann über die Versorgungsleitung 12 der Ubertragungsstrecke 9 eine Versorgungsleistung von einer Vielzahl verschiedenartiger Spannungsquellen bereitgestellt werden, so dass der Einsatz des Gesamtsystems bezüglich der Leistungsversorgung der einzelnen Module unabhängig ist. Je nach Verfügbarkeit können als Spannungsquellen z.B. übliche Spannungsnetze, insbesondere Gleich- oder Wechselspannungsnetze, akku-gepufferte Solarzellen oder Dieselgeneratoren angeschlossen werden.
Vorzugsweise weist das Kabel der Ubertragungsstrecke 9 zwei Versorgungsleitungen 12 auf, wobei diese auch auf mehrere Adern Kabels verteilt sein können. Möglich ist aber auch der Einsatz nur einer Versorgungsleitung 12 und einer direkten Erdung eines jeden Moduls. Außerdem möglich ist der Einsatz eines Kabels ohne Versorgungsleitungen 12, wenn die Module eine eigenständige Leistungsversorgung aufweisen. Daten- und Versorgungsleitungen können auch physisch identisch sein, wobei die Daten auf die Versorgungsleitungen aufmoduliert und empfangsseitig über geeignete Tief-, Hoch- oder Bandpass- Filter wieder ausgekoppelt werden.
Sowohl die Datenschnittstelleneinrichtungen 2, 2 ' als auch der Gleichspannungskonverter 8 sind so ausgebildet, dass eine galvanische Trennung 13 von deren Ein- und Ausgangsleitungen besteht .
Die dargestellten weitere beispielhafte Module werden anhand der Fig. 2 - 10 näher beschrieben. Dabei werden gleiche Bezugszeichen für Funktions- und Bauelemente verwendet, die gleiche oder vergleichbare Funktionalität aufweisen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird eine wiederholte Beschreibung der bereits zuvor beschriebenen Funktions- und Bauelemente jeweils ausgelassen.
Fig. 2 stellt das Ein- und Ausgangsmodul 1 dar. Das Ein- und Ausgangsmodul 1 weist neben den
DatenschnittStelleneinrichtungen 2, 2 ' Eingänge und Ausgänge 7' auf, die zur Übertragung von Daten d und Signalen verschiedener Art zwischen dem Modul und insbesondere externen Einrichtungen ausgebildet sind. Die Eingänge und Ausgänge 7' können dabei uni- oder bidirektional ausgebildet sein. Außerdem können die Eingänge und Ausgänge 7' zum Übertragen digitaler oder, wie in Fig. 2 dargestellt, analoger Daten ausgebildet sein.
Abhängig von der Ausbildung der Eingänge und Ausgänge 1 ' und der Art der darüber zu übertragenden Daten d und Signale sind zwischen die Eingänge und Ausgänge 7' und die
Steuereinrichtung 3 weitere Funktions- und Bauelemente 4 - 6, 14 geschaltet.
An die Steuereinrichtung 3 ist ein Speicher 14 angeschlossen. Der Speicher 14 dient zum Zwischenspeichern von Daten d, die zwischen einer der Ubertragungsstrecken 9 und einem der weiteren Eingänge oder Ausgänge 7' zu übertragen sind. Zum Zwischenspeichern der Daten von den Ubertragungsstrecken 9
verfügt die Steuereinrichtung 3 vorteilhafterweise über einen eigenen Speicher.
Das für die Ubertragungsstrecken 9 bevorzugte Standardprotokoll sieht zweckmäßigerweise eine asynchrone Übertragung der Daten d vor. Dahingegen werden Sensordaten p, v, T, ω von einer Vielzahl üblicher Sensoreinrichtungen 7 synchron und in einer fest vorgegebenen zeitlichen Abfolge übertragen. Selbiges gilt für Daten d, die als Steuerdaten ω an eine externe Einrichtung 7° zu übertragen sind. Der Zwischenspeicher 14 oder ein weiterer Speicher ist daher so groß dimensioniert, dass eine ausreichende Anzahl von synchron zu verarbeitenden Daten d gespeichert werden kann, bevor eine asynchrone Übertragung möglich ist. Umgekehrt werden entsprechend asynchron empfangene Daten d zwischengespeichert, bis eine synchrone Verarbeitung möglich ist. Es liegt somit eine Trennung zwischen einem asynchron und einem synchron betriebenen Abschnitt des Ein- und Ausgangsmoduls 1 vor.
Zum Erhöhen der Modularität und der Flexibilität beim Aufbau des Moduls weist das Ein- und Ausgangsmodul 1 zusätzlich zur Steuereinrichtung 3, die der asynchronen Datenverarbeitung dient, eine eigenständige Datenverarbeitungseinrichtung 4 auf, die der synchronen Datenverarbeitung und Datenerfassung dient. Von den Eingängen 7' stammende Daten d werden von der Datenverarbeitungseinrichtung 4 vorverarbeitet und indirekt über den Speicher 14 oder direkt zur Steuereinrichtung 3 übertragen. Die Steuereinrichtung 3 dient bei dieser Anordnung zur Kontrolle der Übertragung von Daten d über die Ubertragungsstrecken 9 und die Datenverarbeitungseinrichtung 4 dient der Übertragung und Aufbereitung von Daten d und Signalen über die Eingänge und Ausgänge 7 ' zu weiteren externen Einrichtungen.
Da über die Eingänge und Ausgänge 7' analoge Signale übertragen werden, werden zwischen diese einerseits und
andererseits die Datenverarbeitungseinrichtung 4 analoge Filter 5, analoge Signalaufbereitungseinrichtungen 6 und Analog/Digital-Wandler geschaltet, die vorzugsweise in der Datenverarbeitungseinrichtung 4 integriert sind.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, können bei dem ersten Ein- und Ausgangsmodul 1 das Analog-Filter 5 und die analoge Signalaufbereitungseinrichtung 6 bezüglich ihrer Eigenschaften durch die Steuereinrichtung 3 bzw. die Datenerfassungseinrichtung 4 digital programmierbar sein. Entsprechende Verbindungen der Datenverarbeitungseinrichtungen sind dann bidirektional. Möglich ist auch ein Aufbau mit einer digitalen Übertragung in der Richtung von der Datenerfassungseinrichtung 4 zur Signalaufbereitungseinrichtung 6 und eine analogen Übertragung in Gegenrichtung.
Das Ein- und Ausgangsmodul 1 weist außerdem eine Uhr 15, insbesondere Präzisionsuhr auf. Die Uhr 15 dient zum Synchronisieren von Daten d, die über die asynchronen Ubertragungsstrecken 9 übertragen wurden oder werden sollen.
Fig. 3 stellt ein kombiniertes Digital-Ein- und Ausgangsmodul 18 dar. Da eine analoge Verarbeitung entfällt, sind die diversen Bauelemente (5, 6) zur Analogverarbeitung entbehrlich und weggelassen. Auch die Datenverarbeitungseinrichtung (4) fehlt in diesem Modul, da keine Abtastung von analogen Daten und Wandlung in digitale Daten erforderlich ist. Entsprechend ist der kombinierte Ein- und Ausgang 19 für digitale Daten d von oder zu externen Digitaleinrichtungen direkt an den Speicher 14 angeschlossen. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform kann selbst der Speicher 14 entfallen. Ermöglicht wird damit, abhängig von der Ausgestaltung als Ein- und/oder Ausgangsmodul die Anschlussmöglichkeit von mindestens einem externen Gerät, das zeitkontinuierlich serielle oder parallele, digitale Daten 19 ausgibt. Angeschlossen werden kann entsprechend auch mindestens ein externes Gerät, das
serielle oder parallele, digitale Daten 19 zum Einlesen bereitstellt bzw. einliest.
Fig. 4 stellt ein reines Analog-Ausgangsmodul 20 dar. Bei diesem Modul fehlen entsprechend die Bauelemente zur analogen Signalaufbereitung (6). Eine Datenausgabeeinrichtung 21 empfängt Daten d von der Steuereinrichtung 3 und/oder dem Speicher 14 und bereitet diese für die Ausgabe an die Ausgänge 22 vor. Die Datenausgabeeinrichtung 21 weist außerdem zumindest einen Digital-/Analog-Wandler auf, dessen wertdiskrete analoge Ausgangsdaten optional durch ein analoges Filter 5 geglättet werden können. Ermöglicht wird damit die zeitkontinuierliche Ausgabe analoger Daten auf mindestens einem Kanal oder einer Leitung.
Fig. 5 stellt ein reines Digital-Ausgangsmodul 23 dar. Bei diesem Modul werden die Daten d direkt über den Speicher 14 an den digitalen Ausgang 19 ausgegeben.
Fig. 6 stellt ein Verteilermodul 24 dar. Dieses Modul 24 weist mehr als zwei Datenschnittstelleneinrichtungen 2, 2 ' , 2°, 2°°, 2* und Übertragungsstreckenanschlüsse 10, 10', 10°, 10°°, 10* zum Anschließen von mehr als zwei Ubertragungsstrecken 9 auf. Im einfachsten Fall einer Datenübertragung gemäß einem Ethernet-Standard ist die Verteilereinrichtung 25 ein für sich bekannter Hub oder Switch. Daten d, die über eine Ubertragungsstrecke 9 empfangen wurden, werden über alle, eine oder mehrere ausgewählte der Ubertragungsstrecken 9 weitergeleitet .
Fig. 7 stellt ein Transceivermodul 26 dar.. Das Transceiver- odul 26 weist nur eine Datenschnittstelleneinrichtung 2 und einen Übertragungsstreckenanschluss 10 zu einer leitungs- bzw. kabelgebundenen Ubertragungsstrecke auf. Zu übertragende Daten d werden zwischen der Datenschnittstelleneinrichtung 2 und einer Funkschnittstellen-Steuereinrichtung bzw. einem
Funkschnittstellen-Zugriffspunkt 27 übertragen. Die Funkschnittstellen-Steuereinrichtung 27 überträgt die Daten d über mindestens eine Antenne 28 von bzw. zu einem anderen Transceivermodul, welches auch ein herkömmliches WLAN- Transceivermodul (WLAN-Access-Point ) sein kann. Die Daten d werden über eine funkgestützte Ubertragungsstrecke 35, d.h. über einen WLAN-Kommunikationskanal gesendet und ggfs. empfangen.
Möglich ist der Einsatz des Transceivermoduls 26, mit mindestens einer Antenne 28 und einem einzigen WLAN- Zugriffspunkt 27 auch für das Überbrücken größerer Distanzen als dies für das Funksystem eigentlich zulässig wäre. In diesem Fall werden die Daten z.B. über eine funkgestützte Ubertragungsstrecke empfangen, zwischengespeichert und anschließend über eine andere funkgestützte Übertragungs- strecke an ein entfernteres Modul weitergesendet..
Für die Übertragung über größere Distanzen als dies für das entsprechende WLAN-Datennetz möglich ist, können auch zwei Transceiver-Module 26 bereitgestellt werden, die auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen arbeiten und über die zwei eigenständige funkgestützte Ubertragungsstrecken 35 zu anderen Transceivermodulen 26 aufgebaut werden.
Fig. 8 stellt ein Leistungsversorgungsmodul 29 dar. Dieses dient dazu, - in die Versorgungsleitungen 12 der Übertragungs- strecke 9 eine Versorgungsleistung einzuspeisen, die zur Leistungsversorgung anderer Module an der Ubertragungsstrecke dient. Aus dem Kabel sind von den Kommunikations- bzw. Datenleitungen 11 die beiden Versorgungsleitungen 12 getrennt und an den Ausgang eines Spannungskonverters 30 angeschlossen. Der Spannungskonverter wird von einer internen oder externen Spannungsquelle 31 versorgt.
Fig. 9 stellt das Schnittstellenmodul 32 dar. Die Steuereinrichtung 3 ist mit einem Schnittstellenwandler 33 verbunden. Der Schnittstellenwandler 33 konvertiert Daten d von der Übertragungstrecke in ein Format, welches an eine Standardschnittstelle eines anderen Systems oder Standards angepasst ist. Die konvertierten Daten d werden dann über eine entsprechende Verbindung zu einem externen Gerät mit einer entsprechenden Standardschnittstelle 34 übertragen. Außerdem konvertiert der Schnittstellenwandler 33 umgekehrt Daten d für die Übertragungstrecke aus einem Format, welches an die Standardschnittstelle des anderen Systems oder Standards angepasst ist, um Daten von dem anderen System empfangen und auf die Ubertragungsstrecke weiterleiten zu können. Das Schnittstellenmodul 32 ermöglicht die Anschlussmöglichkeit von mindestens einem externen Gerät 34 mit mindestens einer Standardschnittstelle, die kompatibel ist zu z.B. USB, RS232, RS422, RS485, Centronics, IEC, CAN, Profibus, FLAN, FireWire, SCSI, IrDA, I2C, SPI, QSPI, ISDN, DSL, GSM, GPRS oder UMTS.
Ein in Fig. 10 dargestellte Überbrückungsmodul 51 zur Überbrückung weiterer Strecken ohne andere zwischengeschaltete Module weist vorteilhafterweise nur eine Übertragungseinrichtung 50 ohne weitere Bauelemente auf.
Bei z. B. 100 Mbps-Ethernet (lOOBaseT) als Standard für die Übertragung der Daten d über die jeweilige Ubertragungsstrecke 9 beträgt deren jeweils einzelne maximale Länge 100 m, bei WLAN-Ethernet mit einer gesetzlichen Beschränkung der abgestrahlten Leistung von 20dBm (100mW) und Sichtverbindung ca. 500 m. Im Fall von 10 Mbps-Ethernet sind die maximal überbrückbaren Distanzen größer, aber ebenfalls beschränkt. Im Fall der beispielhaften Pipeline Übertragungseinrichtung 49 sind Sensoreinrichtungen 7 oder externe Einrichtungen 7° als Schnittstellen zwischen zwei für sich eigenständigen Ubertragungsstrecken 9 jedoch nur mit Kilometerabständen erforderlich. Zur Verbindung einer Vielzahl dazwischen zur
Entfernungsüberbrückung zu schaltenden eigenständigen Ubertragungsstrecken 9 können prinzipiell beliebige dieser oder weiterer derartiger Module eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch das Überbrückungsmodul 51 und bei Funkübertragungen mittels WLAN-Ethernet ein oder zwei insbesondere damit verbundene Transceivermodule 26. Zur Weiterleitung von Funksignalen können z.B. zwei Transceiver, die auf verschiedenen Frequenzen arbeiten, über die
Ubertragungsstrecke 9 direkt miteinander verbunden werden. Ein Überbrückungsmodul ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Die einzelnen Module sind vorzugsweise auch in sich modular aufgebaut, um sie bedarfsweise aufbauen , nach einem Einsatz wieder zerlegen und für andere Zwecke wieder bedarfsweise neu zusammengestellt einsetzen zu können. Die Schnittstelleneinrichtungen (2, 2'; 27) können z.B. als interne Baugruppe direkt mit der Steuereinrichtung (3) verbunden oder als externe Baugruppen über einen Schnittstellenanschluss mit der Steuereinrichtung verbunden sein.
Auch ist die Kombination verschiedener der beschriebenen Module oder weiterer Funktions- und Bauelemente zu einer größeren Einrichtung möglich. Bevorzugt wird jedoch eine enge Kopplung mehrerer eigenständiger solcher Module. Dazu weisen die Module vorteilhafterweise Gehäuse mit mechanischen und/oder elektrischen Kopplungselementen auf.
Möglich ist auch die Kopplung mit herkömmlichen Ethernet-LAN- oder WLAN-Datennetzeinrichtungen, solange deren maximale Distanz zum Kopplungspunkt eingehalten wird.
Fig. 11 zeigt anhand der einzelnen Abbildungen 11A - 11F sechs Datennetz-Topologien .
Fig. 11A stellt den Fall einer linear verketteten Folge von Modulen 1, 18, 20, 23, 29, 32, 51 als LAN-Topologie 38 dar.
Verkettet sind jeweils vorstehend beschriebene Module, beispielsweise Ein- und Ausgangsmodule 1, Digital-Ein- und Ausgangsmodule 18, Analog-Ausgangsmodule 20, Digital- Ausgangsmodule 23, Leistungsversorgungsmodule 29, Schnittstellenmodule 32 und/oder Überbrückungsmodule 51.
Die Ubertragungsstrecken sind jeweils durch ein Kabel mit Datenleitungen 11 und Versorgungsleitungen 12 gebildet, die mit jeweils einem der beiden Übertragungsstreckenanschlüsse 10 bzw. 10' eines der angeschlossenen Module 1, 18, 20, 23, 29, 32, 51 verbunden sind. An einem Ende der Gesamtstrecke ist ein Computer 36 über eine LAN-Datenschnittstelleneinrichtung 2, z.B. eine Ethernet-Netzwerkkarte, angeschlossen. Der Computer dient als zentrale Steuereinrichtung für die anzusprechenden Sensoren und Einrichtungen, die extern oder intern an den Modulen angeschlossen sind. Am anderen Ende der Gesamtstrecke ist eine Leistungsversorgungseinrichtung 37 zur Versorgung der Module an der Gesamtstrecke angeschlossen.
Bei Verwendung einer Ubertragungsstrecke, die LAN-kompatibel ist, können die Module, aus Fig. 1 z.B. das erste Ein- und Ausgangsmodul 1, vorteilhafterweise direkt mit der LAN- Schnittstelleneinrichtung, d.h. der Netzkarte der zentralen verbunden werden. Die beiden Versorgungsleitungen 12 bleiben in diesem Fall offen. Möglich ist auch die Verbindung mit einem Standard-LAN-Kabel zwischen dem Computer PC und dem daran angeschlossenen Modul, sofern das Modul eine entsprechende Anschlussbuchse bereitstellt. Möglich ist auch die Versorgung direkt über ausgewählte Leitungen des LAN- Kabels vom PC aus, sofern dieser einen geeigneten Anschluss mit einer Leistungsversorgungseinrichtung 37 besitzt. Ein Beispiel hierfür ist der Standard Power-over-Ethernet (PoE) .
Fig. 11B stellt eine Anordnung eines Datennetzes 39 mit einer linear verketteten LAN/WLAN-Topologie aus leitungsgekoppelten und funkgestützter Ubertragungsstrecken 9, 35 dar.
Fig. 11C stellt eine Anordnung eines Datennetzes 40 mit einer linear verketteten WLAN-Topologie aus funkgestützten Ubertragungsstrecken 35 dar. An die Transceivermodule 26 sind jeweils weitere leitungsgekoppelte Module 1, 18, 20, 23, 32, 51 angeschlossen.
Fig. HD stellt eine Anordnung eines Datennetzes 41 mit einer hierarchischen LAN-Topologie aus leitungsgekoppelten Ubertragungsstrecken 9 dar, die an ein Koppler- bzw. Verteilermodul 24 angeschlossen sind.
Fig. HE stellt eine Anordnung eines Datennetzes 42 mit einer hierarchischen WLAN-Topologie mit funkgestützten Übertragungs- strecken 35 dar, bei der die Daten eines Transceivermoduls 26 über eine funkgestützte Ubertragungsstrecke 35 an mehrere entfernte Transceivermodule 26 übertragen werden.
Fig. HF stellt eine Anordnung eines Datennetzes 43 mit einer ringförmigen LAN-Topologie aus leitungsgekoppelten Ubertragungsstrecken 9 dar, wobei das erste und das letzte Modul der Kette über Ubertragungsstrecke 9 miteinander verbunden sind.
Das System ist gekennzeichnet durch die Verbindung einer beliebigen Anzahl von Ein/Ausgangsmodulen 1, 18, 20, 23 zur Ein- oder Ausgabe digitaler oder analoger Daten, Netzmodulen 26, 24 zur drahtlosen Übertragung und Netzverzweigung, Leistungsversorgungsmodulen 29 zur Spannungsversorgung, Schnittstellenmodulen 32 zur Einbindung externer Geräte mit Standardschnittstellen, Computern 36 und Stromversorgungen 37.
Zwei beliebige, benachbarte Module 1, 18, 20, 23, 24, 26, 29, 32, 51 mit Ausnahme zweier Netzmodule Transceiver 26 werden über jeweils eine autarke Kabelverbindung, z.B. eine massive Steckbrücke oder ein bei lOOBaseT-Ethernet 100 m langes Kabel, vom Übertragungsstreckenanschluss bzw. Ausgangs-Port 10 des
einen Moduls zum Eingangs-Port 10' des anderen Moduls verbunden. Die Kabelverbindungen weisen dazu einen LAN- kompatiblen Kommunikationskanal 11 auf. Ein Versorgungskanal 12 für die Stromversorgung ist zusätzlich implementiert. Die Verbindung zwischen mindestens zwei benachbarten Netzmodulen kann auch über Transceiver 26 und einen WLAN-kompatiblen Kommunikationskanal 35 drahtlos durchgeführt werden, z.B. über eine Entfernung von 500 m.
Das System ermöglicht durch einfache Modulkombinationen verschiedenartigste, insbesondere sämtliche Netztopologien 38- 43 und alle deren Kombinationen sowohl über kabelgebundenes LAN als auch über drahtloses WLAN abzubilden. Ein besonderer Vorteil gegenüber herkömmlichen zentralen Messsystemen sind die linear verketteten Topologien 38 - 40, über die Messdaten von räumlich weit ausgedehnten Objekten übertragen werden können. Beispielsweise können Daten einer 200km langen Pipeline mit äquidistanten Messstellen alle 500 m zu einem beliebigen Punkt übertragen werden, z.B. den Computer PC, 36 einer Überwachungsstation.
Jedes Modul 1, 18, 20, 23, 24, 26, 29, 32, 51 ist dabei ausgebildet, die Daten seines Vorgängermoduls 16, gegebenenfalls durch Hinzufügen oder Entnehmen seiner eigenen Daten, an sein Nachfolgermodul 17 weiterzuleiten. Sogar ringförmige Topologien 43 zur Erhöhung der Sicherheit sind möglich, bei denen nach Unterbrechung einer Verbindung das Übertragungsnetz noch voll funktionstüchtig bleibt. Die Module 1, 18, 20, 23, 29, 32, 51 weisen mindestens einen Eingangs- Port 10 zur Verbindung mit einem Vorgängermodul 16 und/oder mindestens einen von diesem unabhängigen Ausgangsport 10' zur Verbindung mit einem Nachfolgermodul 17 auf. Das Koppler- /Verteilermodul 24 weist mindestens einen Übertragungsstreckenanschluss 10 zur Verbindung mit einem Vorgängermodul 16 und mindestens zwei unabhängige Übertragungsstreckenanschlüsse 10', 10°, 10°°, 10* zur Verbindung mit mehreren
Nachfolgermodulen 17 auf. Das Transceivermodul 26 weist mindestens einen Port, der wahlweise als Ubertragungsstrecken- anschluss 10 oder Übertragungsstreckenanschluss 10' dient, sowie mindestens eine Antenne 28 oder z.B. zwei Antennen 28 bei Diversity als Verbindung zu einem WLAN-Kommunikationskanal 35 auf. Die Begriffe "Vorgänger" und "Nachfolger" sind dabei auf die jeweilige Übertragungsrichtung einer momentanen Datenübertragung zu lesen.
Der Gleichspannungskonverter 8 generiert alle intern erforderlichen Versorgungsspannungen, z.B. typischerweise +3.3 V und +/- 5.0 V, und verfügt zur Vermeidung von Erdschleifen bei großen Entfernungen über eine galvanische Trennungseinrichtung 13 zwischen Eingang und Ausgang. Der sehr weite Eingangsspannungsbereich, z.B. 5 - 50 V, ermöglicht die Speisung durch Gleichstromversorgungseinrichtungen mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, z.B. DC/DC-Konverter, AC/DC-Konverter, Batterien, Akkumulatoren oder Solarzellen und ermöglicht die Tolerieriung von Spannungsabfällen aufgrund sehr langer Leitungswege. Standardmässig können die beiden Versorgungskanäle 12 im Gleichspannungskonverter 8 überbrückt werden. Sie können aber auch getrennt werden, so dass das jeweilige Modul 1, 18, 20, 23, 24, 32, 51 wahlweise vom Vorgängermodul 16 oder einem Nachfolgermodul 17 versorgt werden kann.
Ein Herzstück der Module 1, 18, 20, 23, 32, 51 bildet die zentrale Steuereinrichtung 3, z. B.' ein eingebettetes (embedded) System mit Mikrocontroller, Direktzugriffsspeicher (RAM: Random Access Memory) , nichtflüchtiger Flash-Speicher (EEPROM: Electrical Erasable and Programable Read Only Memory) und einem eigenen Betriebssystem, wie z.B. Linux oder Windows. Die Steuereinrichtung 3 ist an bei den meisten Modulen mindestens zwei unabhängige interne oder externe LAN-Ports als Datenschnittstelleneinrichtungen 2 angeschlossen. Letztere verfügen ebenfalls über eine galvanische Trennungseinrichtung
13 mit z.B. 1500V DC Isolationsspannung, so dass die für die Dateneingabe und die Datenausgabe zuständigen Komponenten sowohl vom LAN-Kommunikationskanal 11 als auch vom Versorgungskanal 12 elektrisch isoliert sind.
An das Ein- und/oder Ausgaberαodul 1 kann mindestens ein interner, d.h. innerhalb des Moduls implementierter, oder externer, d.h. außerhalb des Moduls platzierter, Sensor 7 angeschlossen werden. Der Sensor 7 dient zur Erfassung beliebiger physikalischer Größen, wie z.B. Kräfte, Drücke, Dehnungen, Torsionen, Materialbelastungen, Schwingungen, Vibrationen, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Drehwinkel, Rotationsgeschwindigkeiten und -beschleunigungen, akustische Signale, (Ultra-) Schallpegel, Temperaturen, Spannungen, Ströme, Widerstände, Frequenzen, optischer Licht- und Bildsignale und allen Formen von Spektralanteilen.
Um eine flexible Anpassung an die Erfordernisse unterschiedlichster Sensoren zu erreichen, kann eine analoge Signalaufbereitungseinrichtung 6 durch auswechselbare Baugruppen realisiert, über Steckbrücken konfigurierbar oder digital programmierbar sein. Das betrifft beispielsweise die Parametrierung der analogen Signalverstärkung oder der Sensorversorgung, wie Konstantstrom oder -Spannung.
Das vorzugsweise als hochpeglige (high-level) Spannung aufbereitete Sensorsignal wird vor der Digitalisierung einem analogen Filter 5 zur Vermeidung von Anti-Aliasing-Effekten zugeführt. Dieser kann bezüglich Filterfrequenz durch die Steuereinrichtung 3 programmierbar oder auch als einfaches Vorfilter ausgeführt sein, sofern die anschließende Datenerfassung mittels Überabtastung und nachgeschalteter Digital-Filterung erfolgt. Die Datenerfassungseinrichtung 4 besteht vorzugsweise aus mindestens einem analogen Eingang mit internen oder externen Abtast- und Haltestufen (Sample/Hold) und mindestens einem internen oder externen Analog-Digital-
Wandler und kann z.B. durch einen digitalen Signalprozessor mit analogen Eingängen realisiert werden. Die Parametrierung der Datenerfassungseinrichtung 4, z. B. Kanalabtastrate, Kanalauflösung und Kanalbandbreite, kann manuell oder durch digitale Signale von der Steuereinrichtung 3 erfolgen. Die Analog-Filter 5 und Analogen Signalaufbereitungseinrichtungen 6 können wahlweise von der Steuereinrichtung 3 oder der Datenerfassungseinrichtung 4 parametriert werden.
Durch die zeitkontinuierlich einzulesenden oder auszugebenden Messdaten ist eine synchrone Echtzeitverarbeitung in der Datenerfassungseinrichtung 4 und der Datenausgabeeinrichtung 21 erforderlich. Da die LAN-Datenleitungen 11 und WLAN- Kommunikationskanäle 35 asynchron arbeiten und keine festen Kanalkapazitäten und Übertragungsraten zugesichert werden können, muss die für die Weiterleitung der Daten zuständige Steuereinrichtung 3 ebenfalls asynchron betrieben werden. Ein Zwischenspeicher 14 für die Datenpufferung ist deshalb zweckmäßigerweise Bestandteil der Ein- und Ausgabemodule 1. Um maximale Datenraten zu gewährleisten, kann der Speicher 14 z.B. als FIFO (First-in-first-out ) oder Dual-Port-RAM ausgeführt werden. Je nach vorhandenen Ressourcen, ist es auch vorteilhaft, dass der Zwischenspeicher 14 Bestandteil der Datenerfassungseinrichtung 4, der Datenausgabeeinrichtung 21 oder der Steuereinrichtung 3 ist.
Der asynchrone Transport der Messdaten hat zur Folge, das nicht bekannt ist, wann diese ihr Bestimmungsziel, z.B. den Computer 36 der Messstation, erreichen, zumal auch die Übertragungsdauer einzelner Datenpakete zeitlich variieren kann. Für exakte Korrelationen zwischen den Daten von verschiedenen E/A-Modulen 1,18,20,23 ist es somit zwingend erforderlich, den genauen Zeitpunkt der Erfassung zu bestimmen, zu speichern und an das Bestimmungsziel zu übertragen. Zu diesem Zweck verfügt u.a. die Steuereinrichtung
3 über eine Uhr 15 als eine interne oder externe Präzisionsuhr .
Beim Einlesen von Messdaten beginnt die Messung bei den Ein-/ Ausgangsmodulen 1, 18 mit dem Öffnen eines Eingangstores des Speichers 14 durch die Steuereinrichtung 3. Im gleichen Moment wird die aktuelle Zeit t der Uhr 15 abgefragt. Dieser Zeitstempel wird zusammen mit dem Abtastintervall der Datenerfassungseinrichtung 4 beim Ein- und Ausgangsmodul 1 bzw. dem Abtast-/Lesetakt beim Digital-Ein- und Ausgangsmodul 18 einem Datensatz als Kopfabschnitt-Information (Header) vorangestellt, bevor die Messwerte als Daten nacheinander am Ausgang des Speichers 14 durch die Steuereinrichtung 3 ausgelesen werden. Da durch diese Vorgehensweise der Erfassungszeitpunkt des ersten Messwertes und außerdem der Wert der in der Regel konstanten Zeitdifferenz zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden' Messwerten gespeichert wird, kann der komplette Datensatz nach Erreichen des Bestimmungsortes, z.B. einer zentralen Messstation, mit Datensätzen von anderen Ein-/ Ausgangsmodulen 1, 18, die die gleiche Headerinformation besitzen, exakt zeitlich korreliert werden.
Entsprechend umgekehrt funktioniert die Ausgabe analoger und digitaler Daten bei den Ausgangsmodulen 20,23. Über den LAN- Kommunikationskanal bzw. die Datenleitungen 11 wird der Steuereinrichtung 3 eine Uhrzeit für die Ausgabe der Daten mitgeteilt, z.B. eine konstante Verzögerung nach dem Einlesen der Daten von anderen Ein-/Ausgangsmodulen 1,18. Die Uhrzeit der Uhr 15 wird im Anschluss permanent durch die Steuereinrichtung 3 abgefragt. Ist diese erreicht, wird das Ausgangstor des Zwischenspeichers 14 geöffnet und die Daten werden ausgegeben.
Voraussetzung dafür ist, dass jede Steuereinrichtung 3 in der Lage ist, nach dem Einschalten des Systems ihre Uhr 15 exakt mit der Uhr 15 der anderen Module, insbesondere des nächsten
Vorgängermoduls 16 mit einer Steuereinrichtung 3 zu synchronisieren. Die im System implentierten Computer 36 werden bei diesem Vorgang ebenfalls als Modul mit Steuereinrichtung 3 und Präzisionsuhr 15 betrachtet. Die Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen der eigenen Uhr 15 und der Uhr 15 des Vorgängermoduls erfolgt über die Ermittlung der Laufzeit von Ping-Signalen, die vom Modul an das Vorgängermodul 16 gesendet und von dort reflektiert werden. Über geeignete Algorithmen in Verbindung mit statistischen Methoden wird im zu synchronisierenden Modul aus mehreren Versuchen ein Zeitkorrekturwert Δt ermittelt. Im Anschluss wird die Uhrzeit t des Vorgängermoduls 16 abgefragt, der Zeitkorrekturwert für die Transportverzögerung hinzuaddiert und die Uhr auf diese Zeit eingestellt. Nach diesem Prozess laufen beide Uhren 15 der Module zeitsynchron.
Die Kommunikation zwischen den Modulen erfolgt vorzugsweise auf Basis von Netzwerk- und Internetprotokolle, wie z.B. HTTP, HTTPS, FTP, SMTP oder P0P3. D.h. die interne Kommunikation zwischen den Modulen ist kompatibel zu der in Intranet-Netzen und im Internet. Das ermöglicht die direkte An- und Einbindung des Systems in vorhandene LAN oder WLAN-Netze ohne zusätzliche Schnittstellen- oder Protokoll-Konverter sowie nach Freischaltung von in der Regel vorhandenen Internet-Gateways auch die Kommunikation mit dem System über das Internet. Implementierte Web-, FTP- und E-Mail-Server oder -Clients in der Steuereinrichtung 3 machen die direkte Kommunikation mit dem Sensor über das Internet möglich. Seitens der entfernten Station erfolgt der Zugriff z.B. über Browsen auf einer eigenen Homepage des Sensors mit aktuellen Messdaten, programmierbaren Parametern und Links zu anderen Sensoren. Möglich sind auch der automatische FTP-Messdaten-Transfer (FTP: File Transfer Protokoll) auf die Festplatte ins Büro oder die Kommunikation mit dem Sensor via E-Mail, z.B. Senden von Parametern oder Firmwareupdates zu dessen Steuerung und der Empfang von Messdaten.
Vorteilhafterweise weisen die entsprechenden Module 1, 1° dazu, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, jeweils einen Client X oder Server Y auf, wie sie für sich genommen z.B. aus dem Bereich des Internets bekannt sind. Der Client X oder Server Y hat eine eindeutige IP-Adresse ,(IP: Internet Protokoll), z.B. 192.168.0.1, über den das Modul eindeutig ansprechbar ist. Als Webserver konfiguriert stellt Y außerdem jeweils eine eigene sogenannte Homepage der Module 1,1° über das Datennetz bereit, die auch verlinkt werden können. Über die Homepage sind das Modul und insbesondere die daran angeschlossenen internen und externen Sensoren sowie sonstigen Einrichtungen abfragbar und ansteuerbar. Dem Sensor wird somit eine künstliche Intelligenz verliehen, die ihn in die Lage versetzt, mit dem Anwender, Betreiber oder Hersteller auf etablierten Wegen zu kommunizieren, die bisher reinen Personen vorbehalten waren.
Wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, werden die vom Sensor ermittelten Messwerte T = 24 °C und ω = 1000 Umin-1 zur zentralen Überwachungseinrichtung bzw. deren Computer PC übertragen und auf einem Bildschirm des Computers PC angezeigt. Dazu kann vorzugsweise ein für sich bekannter Browser verwendet werden. Möglich ist auch die automatische oder manuelle Eingabe von Steuerdaten, z.B. ω = 1010 Umin-1, die von der zentralen Steuereinrichtung PC über die Ubertragungsstrecken 9 zu dem Modul und einer anzusteuernden internen oder externen Einrichtung 7° übertragen werden. Die Verwendung von Standardbrowsern und /oder Standard-e-Mail- Programmen hat den großen Vorteil, dass keinerlei Software auf dem PC installiert werden uss und nach Freischaltung von Internet-Gateways hinter dem PC der Zugriff auf das System von jedem Terminal weltweit, z.B. in einem Internet-Cafe, gegeben ist. Zur Vermeidung von Missbrauch kann die Übertragung auf gesicherten HTTPS-Verbindungen mit vorheriger Passwort- Authentifizierung erfolgen.
Ein Einsatz ist bei einer Vielzahl insbesondere technischer Überwachungs- und Prüfanwendungen vorteilhaft. Die Überwachung und Steuerung der ortsfesten Ölpipeline ist ein Beispiel für eine weite zu überbrückende Distanz. Auch der Einsatz bei mobilen Objekten ist vorteilhaft. Der Einbau einer Vielzahl von Sensoren in einem Flugzeug lässt Schwingungen und Belastungen bei unterschiedlichen Flugbedingungen zentral überwachen.
In einem Zug können beispielsweise Drucksensoren eingesetzt werden, um die Druckverhältnisse bei Durchfahrt durch einen Tunnel zu testen. Außerdem können weitere Sensoren im Tunnel angeordnet werden. Eine Synchronisierung der beiden Systeme kann z.B. bei Einfahrt in den Tunnel über eine der funkgestützten Ubertragungsstrecken erfolgen. Bei Ausfahrt aus dem Tunnel kann über eine solche funkgestützte Ubertragungsstrecke eine Übertragung der in einem der beiden Systeme erfassten Daten zu der zentralen Steuereinrichtung des anderen der beiden Systeme erfolgen.
Bezugszeichenliste :
1, 1° Ein- und Ausgangsmodul (e)
2, 2' erste/zweite LAN-Datenschnittstelleneinrichtung
3 Steuereinrichtung
4 Datenverarbeitungseinrichtung
5 Analog-Filter
6 Analoge Signalaufbereitungseinrichtung
7 Sensoreinrichtung
7°, externe Einrichtung, z.B. Pumpe
7' Eingang und/oder Ausgang
8 Gleichspannungskonverter
9 Ubertragungsstrecke, leitungsgebunden
10, 10' erster, zweiter Übertragungsstreckenanschluss
11 Datenleitungen / LAN-Kommunikationskanal
12 Versorgungsleitungen
13 Galvanische Trennungseinrichtung
14 Speicher
15 Uhr
16 Vorgängermodul
17 Nachfolgermodul
18 Digital-Ein- und Ausgangsmodul
19 Ein- und/oder Ausgang für digitale Daten
20 Analog-Ausgangsmodul
21 Datenausgabeeinrichtung
22 Analoge Ausgänge
23 Digital-Ausgangs odul
24 Koppler- / Verteilermodul
25 Verteilereinrichtung (z.B. LAN Switch oder Hub) 26 Transceivermodul
27 Funkschnittstellen-Zugriffspunkt/-Steuereinrichtung
28 Antenne
29 Leistungsversorgungsmodul
30 Spannungskonverter
31 Spannungsquelle
32 Schnittstellenmodul
33 Schnittstellenwandler
34 Externes Gerät mit Standardschnittstelle
35 Ubertragungsstrecke, funkgestützt 36, PC Computer
37 Externes Stromversorgungsmodul
38 Linear verkettete LAN-Topologie
39 Linear verkettete LAN/WLAN-Topologie
40 Linear verkettete WLAN-Topologie
41 Hierarchische LAN-Topologie
42 Hierarchische WLAN-Topologie
43 Ringförmige LAN-Topologie
49 Pipeline
50 Übertragungseinrichtung
51 Überbrückungsmodul X Client
Y Server
Z Steuereinrichtung mit Standardbrowser, FTP-Transfer oder E-Mail-Programm