WO2004102293A1 - Modulares datenerfassungs- und übertragungssystem sowie übertragungseinrichtung dafür - Google Patents

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WO2004102293A1
WO2004102293A1 PCT/DE2004/001004 DE2004001004W WO2004102293A1 WO 2004102293 A1 WO2004102293 A1 WO 2004102293A1 DE 2004001004 W DE2004001004 W DE 2004001004W WO 2004102293 A1 WO2004102293 A1 WO 2004102293A1
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transmission
data
control device
interface
module
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PCT/DE2004/001004
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Udo Namyslo
Dmytro Drapalyuk
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Tentaclion Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a modular data acquisition and transmission system with the preamble features of claim 1, a transmission device for transmitting data over a transmission link in a data network with the preamble features of claim 2 or to a module device for controlling a module on a transmission link within a Data network with the generic features of claim 21.
  • Central signal processing and data acquisition devices which are mostly installed in cost-intensive, voluminous 19 housings, cannot be used at increasingly greater distances, since the highly sensitive sensor signals are already falsified by an inevitable coupling of electromagnetic interference on analog transmission paths before they are installed in a central facility can be amplified and digitized.
  • PCM Pulse Code Modulation
  • a local data network with the Ethernet standard is known for connecting computers, for example.
  • LAN Local Area Network
  • the maximum permissible distance between two computers to be connected is 205 m, provided that two so-called hubs are set up as distribution devices with a maximum permissible distance of 5 m between them and a maximum permissible distance of 100 m between a hub and a computer become.
  • the other sub-standards especially those with a radio interface (WLAN: Wireless Local Area Network), are limited to maximum transmission ranges between two stations.
  • the oil industry has had the longstanding problem of monitoring pipelines for the long-distance transportation of oil over hundreds of kilometers.
  • Various parameters of the transport conditions and the oil are recorded at predetermined intervals using sensors and the like and transmitted to an evaluation center. Cables are used for the transmission, which due to the large distances and the mandatory shielding are complex to install and expensive.
  • the object of the invention is to improve a modular data acquisition and transmission system or a transmission device for transmitting data over at least one transmission link in such a way that further distances can also be bridged. It should preferably be possible to control individual modules on a transmission link remotely with a simple effort and without special additional devices.
  • the data acquisition and transmission system makes it possible to continuously record any number of different physical variables from widely distributed, stationary or mobile measuring points, to transmit them in a fail-safe manner and to output them at any location with a defined delay and / or to save them on a computer in a time-synchronized manner. It also enables simple direct control of remote modules and connected devices. Essentially inexpensive components can be used for already standardized local data networks.
  • FIG. 1 shows a data acquisition and transmission system with a plurality of modules which have a transmission device for acquiring and transmitting data via two connected transmission links in each case;
  • Fig. 2 an input and • output module with the possibility
  • 4 shows an output module with the possibility of taking analog data from the transmission links and outputting them to external devices
  • 5 shows an output module with the possibility of taking digital data from the transmission links and outputting them to an external device
  • FIG. 6 shows a coupler module as a distributor device with the possibility of connecting further transmission links to the transmission links
  • Fig. 7 shows a transceiver module for connecting a
  • FIG. 8 shows a power supply module for feeding a supply power into the transmission links
  • Fig. 10 is a bridging module for bridging larger
  • 11A-11F network topologies with exemplary transmission sequences in such a data acquisition and transmission system.
  • an exemplary data acquisition and transmission system is used to monitor a pipeline 49 for transporting oil over a greater distance.
  • monitoring stations with input and output modules 1, 1 ° are set up along the pipeline 49.
  • the input and output modules 1, 1 ° are via transmission links 9 connected to one another and via an interface module 32 to a central monitoring station PC in order to be able to communicate with one another and to exchange data d.
  • the input and output modules 1, 1 ° have inputs 7 'for sensor devices 7 for detecting these physical quantities p, T, v as data d to be transmitted.
  • the input and output modules 1, 1 ° preferably have combined inputs and outputs 7 'for bidirectional data exchange. This enables functional and components within the module to readjust sensor parameters independently without having to communicate with a central control device via the transmission network. For example, plausibility checks are possible in which 1 the overshoot or undershoot of limit values is monitored, for example to adjust a gain if necessary.
  • the first of the input and output modules 1, 1 ° shown also has an output 7 * to an external device 7 °, for example a pump M.
  • the pump M is transferred from the computer PC of the monitoring station to data d as control data ⁇ s o ii for determining its conveying speed after the pump M receives its current operating parameters ⁇ as data d to be transmitted to the monitoring station in the computer PC and as not were rated appropriately.
  • the interface module 32 is connected to the central monitoring station PC via a network or connection system, for example according to USB, to an interface 34 of the monitoring station PC.
  • the data is transmitted via a standardized data transmission system which may be external to the network from the point of view of the present data acquisition and transmission system.
  • a direct connection to an Ethernet connection of a computer as a monitoring station instead of an interface module is also possible.
  • each module 1, 1 °, 32 has two, a first and a second transmission link connection 10, 10 '. As a result, each module 1, 1 °, 32 is connected to two other modules 1, 1 °, 16, 17, 32.
  • the transmission links 9 are cables with LAN lines of a standard network, preferably according to an Ethernet standard. According to the preferred embodiment, however, the cables of the transmission links 9 are specially constructed. In addition to data lines 11, the cables also have supply lines 12 for passing a supply power to the individual modules 1, 1 °, 32.
  • An example of this is Power over Ethernet (PoE), in which the 4 unused wires of the 8-wire cable are used to carry out a supply voltage of 48V, each with 2 wires for the plus and minus poles, for the internal resistance and thus the voltage drop reduce long lines.
  • PoE Power over Ethernet
  • each module 1, 1 °, 16, 17, 32 has a transmission device 50 which has the first and second transmission link connections 10, 10 'and its own control device 3 for controlling the Transmission of data d between the transmission links 9 has.
  • Each transmission link connection 10, 10 ' has a coupling device for connecting a cable of the transmission link 9. From this, a first connection with data lines 11 leads to a first or second data interface device 2, 2 ′, in particular an Ethernet LAN port. In the case of, for example, a 10OBaseT data network, the data lines 11 are provided by a cable with 8 wires for this.
  • the data interface devices 2, 2 ' convert received and possibly further data d of the connected transmission link 9 into a format which can be processed by the control device 3, and the data interface devices 2, 2' add to the transmission link 9 from the control device sending data d into a format which corresponds to that of the connected transmission link 9.
  • the control device 3 receives data d from one of the transmission links 9 or data interface devices 2, 2 'and processes them if necessary. If the data d are to be transmitted further via the other transmission link 9, the control device 3 forwards the possibly processed data d via the other data interface device 2 ′ or 2 and the other transmission link 9 to the next module. •
  • each of the two transmission links 9 has an independent transmission link 9 or an independent data network with the two modules 16-1, 1-1 °, 1 ° connected to it - 32, 32 - 17 trained as end devices.
  • the data interface devices 2, 2 ′ are controlled via the control device 3, the data d to be transmitted possibly being processed in the control device 3.
  • Each transmission link 9 can have the maximum permissible length for the corresponding data network standard. This concept thus enables the transmission of the data d over a distance that is unlimited in principle by a chaining of a plurality of independent transmission paths 9 or data networks that are independent and independent.
  • a second connection is carried by the coupling device of the transmission link 10, 10 ' Supply lines 12, which can also be physically identical to the data lines, to a DC voltage converter 8.
  • the DC voltage converter 8 provides the supply power received via the transmission link 9 for the other data interface device 2, 2 ′ or the other transmission link 9.
  • the DC voltage converter 8 provides a supply power suitable for the module, in particular a suitable operating voltage and operating power.
  • the preferred DC voltage converter 8 has an input connection for a supply power with a large input voltage range, e.g. 5 - 250 V, and transforms this to at least one output voltage value, which is required for the control device 3.
  • a supply power from a multiplicity of different voltage sources can be provided via the supply line 12 of the transmission link 9, so that the use of the overall system is independent with regard to the power supply of the individual modules.
  • Usual voltage networks in particular direct or alternating voltage networks, battery-buffered solar cells or diesel generators can be connected.
  • the cable of the transmission link 9 preferably has two supply lines 12, whereby these can also be distributed over a plurality of wires of the cable.
  • the use of only one supply line 12 and direct grounding of each module is also possible. It is also possible to use a cable without supply lines 12 if the modules have an independent power supply.
  • Data and supply lines can also be physically identical, with the data being modulated onto the supply lines and coupled out again at the receiving end using suitable low, high or bandpass filters.
  • Both the data interface devices 2, 2 ′ and the DC voltage converter 8 are designed in such a way that there is galvanic isolation 13 of their input and output lines.
  • FIGS. 2-10 The further exemplary modules shown are described in more detail with reference to FIGS. 2-10.
  • the same reference numerals are used for functional and structural elements that have the same or comparable functionality. In order to avoid repetitions, a repeated description of the functional and structural elements already described is omitted in each case.
  • the input and output module 1 has in addition to the
  • Data interface devices 2, 2 'inputs and outputs 7' which are designed to transmit data d and signals of various types between the module and in particular external devices.
  • Control device 3 further functional and components 4 - 6, 14 switched.
  • a memory 14 is connected to the control device 3.
  • the memory 14 serves for the temporary storage of data d which are to be transmitted between one of the transmission links 9 and one of the further inputs or outputs 7 '.
  • the control device 3 advantageously has its own memory.
  • the standard protocol preferred for the transmission links 9 expediently provides for an asynchronous transmission of the data d.
  • sensor data p, v, T, ⁇ are transmitted synchronously and in a fixed, predetermined time sequence by a large number of conventional sensor devices 7.
  • the intermediate memory 14 or a further memory is therefore dimensioned so large that a sufficient number of data d to be processed synchronously can be stored before asynchronous transmission is possible.
  • data d received asynchronously are buffered until synchronous processing is possible. There is thus a separation between an asynchronous and a synchronously operated section of the input and output module 1.
  • the input and output module 1 has, in addition to the control device 3, which is used for asynchronous data processing, an independent data processing device 4, which is used for synchronous data processing and data acquisition.
  • Data d originating from the inputs 7 ′ are preprocessed by the data processing device 4 and transmitted indirectly to the control device 3 via the memory 14 or directly.
  • the control device 3 is used to control the transmission of data d via the transmission links 9 and the data processing device 4 is used to transmit and process data d and signals via the inputs and outputs 7 ′ to further external devices.
  • the data processing device 4 is connected to analog filters 5, analog signal processing devices 6 and analog / digital converters, which are preferably integrated in the data processing device 4.
  • the properties of the analog filter 5 and the analog signal processing device 6 in the first input and output module 1 can be digitally programmed by the control device 3 or the data acquisition device 4. Corresponding connections of the data processing devices are then bidirectional. It is also possible to set up a digital transmission in the direction from the data acquisition device 4 to the signal processing device 6 and an analog transmission in the opposite direction.
  • the input and output module 1 also has a clock 15, in particular a precision clock.
  • the clock 15 is used to synchronize data d that have been or are to be transmitted via the asynchronous transmission paths 9.
  • FIG. 3 shows a combined digital input and output module 18. Since there is no analog processing, the various components (5, 6) for analog processing are unnecessary and omitted. The data processing device (4) is also missing in this module, since no sampling of analog data and conversion into digital data is required. Accordingly, the combined input and output 19 for digital data d from or to external digital devices is connected directly to the memory 14. In a particularly simple embodiment, even the memory 14 can be omitted. This makes it possible, depending on the configuration as an input and / or output module, to connect at least one external device which continuously outputs serial or parallel digital data 19. Accordingly, at least one external device can also be connected provides or reads serial or parallel, digital data 19 for reading.
  • Fig. 4 shows a pure analog output module 20.
  • a data output device 21 receives data d from the control device 3 and / or the memory 14 and prepares it for the output to the outputs 22.
  • the data output device 21 also has at least one digital / analog converter, the value-discrete analog output data of which can optionally be smoothed by an analog filter 5. This enables time-continuous output of analog data on at least one channel or one line.
  • FIG. 5 shows a pure digital output module 23.
  • the data d are output directly to the digital output 19 via the memory 14.
  • This module 24 has more than two data interface devices 2, 2 ', 2 °, 2 ° ° C, 2 * and transmission link connections 10, 10', 10 °, 10 ° ° C, 10 * for connecting more than two transmission links 9.
  • the distribution device 25 is a hub or switch known per se. Data d that were received via a transmission link 9 are forwarded over all, one or more selected ones of the transmission links 9.
  • the transceiver module 26 has only one data interface device 2 and one transmission link connection 10 to a line or cable-bound transmission link.
  • Data d to be transmitted are between the data interface device 2 and a radio interface control device or one Radio interface access point 27 transmitted.
  • the radio interface control device 27 transmits the data d via at least one antenna 28 from or to another transceiver module, which can also be a conventional WLAN transceiver module (WLAN access point).
  • the data d are sent and possibly received via a radio-supported transmission link 35, ie via a WLAN communication channel.
  • the transceiver module 26 with at least one antenna 28 and a single WLAN access point 27 for bridging larger distances than would actually be permitted for the radio system.
  • the data will e.g. Received via a radio-supported transmission link, buffered and then sent on to another module via another radio-supported transmission link.
  • two transceiver modules 26 can also be provided, which operate on different carrier frequencies and via which two independent radio-supported transmission links 35 to other transceiver modules 26 are set up.
  • the 8 shows a power supply module 29.
  • the purpose of this is to feed a supply power into the supply lines 12 of the transmission link 9 which is used to supply power to other modules on the transmission link.
  • the two supply lines 12 are separated from the communication and data lines 11 from the cable and connected to the output of a voltage converter 30.
  • the voltage converter is supplied by an internal or external voltage source 31.
  • 9 shows the interface module 32.
  • the control device 3 is connected to an interface converter 33.
  • the interface converter 33 converts data d from the transmission link into a format which is adapted to a standard interface of another system or standard. The converted data d are then transmitted via a corresponding connection to an external device with a corresponding standard interface 34.
  • the interface converter 33 conversely converts data d for the transmission link from a format which is adapted to the standard interface of the other system or standard in order to be able to receive data from the other system and to forward it to the transmission link.
  • the interface module 32 enables the connection of at least one external device 34 with at least one standard interface that is compatible with, for example, USB, RS232, RS422, RS485, Centronics, IEC, CAN, Profibus, FLAN, FireWire, SCSI, IrDA, I 2 C, SPI, QSPI, ISDN, DSL, GSM, GPRS or UMTS.
  • a bridging module 51 shown in FIG. 10 for bridging further lines without other intermediate modules advantageously has only one transmission device 50 without further components.
  • 100 Mbps Ethernet (lOOBaseT) as the standard for the transmission of data d over the respective transmission link 9 is its individual maximum length 100 m, with WLAN Ethernet with a legal restriction of the radiated power of 20dBm (100mW) and line of sight approx .500 m.
  • 10 Mbps Ethernet the maximum distances that can be bridged are larger, but also limited.
  • sensor devices 7 or external devices 7 ° are required as interfaces between two independent transmission paths 9, however, only at kilometer intervals.
  • the bridging module 51 is preferred and, in the case of radio transmissions by means of WLAN Ethernet, one or two transceiver modules 26 connected in particular to it
  • Transmission path 9 can be connected directly to one another.
  • a bridging module is not required in this case.
  • the individual modules are preferably also modular in themselves so that they can be built up if necessary, disassembled after use and put together again for other purposes if necessary.
  • the interface devices (2, 2 '; 27) can e.g. as an internal assembly directly connected to the control device (3) or as an external assembly via an interface connection to the control device.
  • modules are also possible to combine various of the modules described or other functional and structural elements to form a larger device.
  • a close coupling of several independent modules of this type is preferred.
  • the modules advantageously have housings with mechanical and / or electrical coupling elements.
  • Coupling with conventional Ethernet LAN or WLAN data network devices is also possible as long as their maximum distance to the coupling point is maintained.
  • 11 shows six data network topologies on the basis of the individual illustrations 11A-11F.
  • 11A shows the case of a linearly linked sequence of modules 1, 18, 20, 23, 29, 32, 51 as LAN topology 38.
  • Modules described above are linked in each case, for example input and output modules 1, digital input and output modules 18, analog output modules 20, digital output modules 23, power supply modules 29, interface modules 32 and / or bridging modules 51.
  • the transmission links are each formed by a cable with data lines 11 and supply lines 12, each of which is connected to one of the two transmission link connections 10 or 10 'of one of the connected modules 1, 18, 20, 23, 29, 32, 51.
  • a computer 36 is connected via a LAN data interface device 2, e.g. an Ethernet network card.
  • the computer serves as a central control device for the sensors to be addressed and devices that are connected externally or internally to the modules.
  • a power supply device 37 is connected to supply the modules to the entire route.
  • the modules from FIG. the first input and output module 1 advantageously directly with the LAN interface device, i.e. the central network card.
  • the two supply lines 12 remain open in this case. It is also possible to connect a standard LAN cable between the computer PC and the module connected to it, provided that the module provides a corresponding connection socket. It is also possible to supply directly from the PC via selected lines of the LAN cable, provided that the PC has a suitable connection to a power supply device 37. An example of this is the standard Power-over-Ethernet (PoE).
  • PoE Power-over-Ethernet
  • 11B shows an arrangement of a data network 39 with a linearly concatenated LAN / WLAN topology comprising line-coupled and radio-supported transmission links 9, 35.
  • 11C shows an arrangement of a data network 40 with a linearly chained WLAN topology composed of radio-supported transmission links 35.
  • Further line-coupled modules 1, 18, 20, 23, 32, 51 are connected to the transceiver modules 26.
  • FIG. HD shows an arrangement of a data network 41 with a hierarchical LAN topology composed of line-coupled transmission links 9, which are connected to a coupler or distributor module 24.
  • FIG. HE shows an arrangement of a data network 42 with a hierarchical WLAN topology with radio-supported transmission links 35, in which the data of a transceiver module 26 are transmitted to a plurality of remote transceiver modules 26 via a radio-supported transmission link 35.
  • HF shows an arrangement of a data network 43 with a ring-shaped LAN topology composed of line-coupled transmission links 9, the first and the last module of the chain being connected to one another via transmission link 9.
  • the system is characterized by the connection of any number of input / output modules 1, 18, 20, 23 for input or output of digital or analog data, network modules 26, 24 for wireless transmission and network branching, power supply modules 29 for voltage supply, interface modules 32 for integration external devices with standard interfaces, computers 36 and power supplies 37.
  • any two neighboring modules 1, 18, 20, 23, 24, 26, 29, 32, 51 with the exception of two network modules Transceiver 26 are each connected via an autonomous cable connection, e.g. a solid jumper or a 100 m long cable with lOOBaseT Ethernet, from the transmission link or output port 10 of the one module is connected to the input port 10 'of the other module.
  • the cable connections have a LAN-compatible communication channel 11.
  • a supply channel 12 for the power supply is additionally implemented.
  • the connection between at least two adjacent network modules can also be carried out wirelessly via transceivers 26 and a WLAN-compatible communication channel 35, for example over a distance of 500 m.
  • the system enables the most diverse, in particular all, network topologies 38-43 and all their combinations to be mapped both via wired LAN and via wireless WLAN.
  • a particular advantage compared to conventional central measuring systems are the linearly chained topologies 38 - 40, which can be used to transmit measurement data from objects that are spatially extended. For example, data of a 200 km long pipeline with equidistant measuring points can be transmitted to any point every 500 m, e.g. the computer PC, 36 of a monitoring station.
  • Each module 1, 18, 20, 23, 24, 26, 29, 32, 51 is designed to forward the data of its predecessor module 16 to its successor module 17, possibly by adding or removing its own data. Even ring-shaped topologies 43 for increasing security are possible, in which the transmission network remains fully functional after a connection has been interrupted.
  • the modules 1, 18, 20, 23, 29, 32, 51 have at least one input port 10 for connection to a predecessor module 16 and / or at least one output port 10 ′ independent of this, for connection to a successor module 17.
  • the coupler / distributor module 24 has at least one transmission link connection 10 for connection to a predecessor module 16 and at least two independent transmission link connections 10 ', 10 °, 10 °°, 10 * for connection to several Successor modules 17.
  • the transceiver module 26 has at least one port, which optionally serves as a transmission link 10 or transmission link 10 ', and at least one antenna 28 or, for example, two antennas 28 with diversity as a connection to a WLAN communication channel 35.
  • the terms "predecessor” and “successor” are to be read in the respective transmission direction of a current data transmission.
  • the DC voltage converter 8 generates all internally required supply voltages, e.g. typically +3.3 V and +/- 5.0 V, and has a galvanic isolation device 13 between input and output to avoid earth loops at long distances.
  • the very wide input voltage range e.g. 5 - 50 V, enables the supply by DC power supply devices with different output voltages, e.g. DC / DC converter, AC / DC converter, batteries, accumulators or solar cells and enables the tolerance of voltage drops due to very long cable runs.
  • the two supply channels 12 can be bridged in the DC converter 8. However, they can also be separated, so that the respective module 1, 18, 20, 23, 24, 32, 51 can be supplied either by the predecessor module 16 or by a successor module 17.
  • the central control device 3 e.g. B. ' an embedded system with microcontroller, random access memory (RAM: Random Access Memory), non-volatile flash memory (EEPROM: Electrical Erasable and Programmable Read Only Memory) and its own operating system, such as Linux or Windows.
  • RAM Random Access Memory
  • EEPROM Electrical Erasable and Programmable Read Only Memory
  • the control device 3 is connected to at least two independent internal or external LAN ports as data interface devices 2 in most modules.
  • the latter also have a galvanic isolation device 13 with, for example, 1500 V DC isolation voltage, so that the components responsible for data input and output are electrically isolated both from the LAN communication channel 11 and from the supply channel 12.
  • At least one internal, i.e. implemented within the module, or external, i.e. Sensor 7 placed outside the module can be connected.
  • the sensor 7 is used to detect any physical quantities, such as Forces, pressures, strains, torsions, material loads, vibrations, vibrations, paths, speeds, accelerations, angles of rotation, rotational speeds and accelerations, acoustic signals, (ultra) sound levels, temperatures, voltages, currents, resistances, frequencies, optical light and Image signals and all forms of spectral components.
  • an analog signal conditioning device 6 can be implemented by interchangeable modules, can be configured via jumpers or can be digitally programmed. This concerns, for example, the parameterization of the analog signal amplification or the sensor supply, such as constant current or voltage.
  • the sensor signal which is preferably prepared as a high-level voltage, is fed to an analog filter 5 before digitization to avoid anti-aliasing effects.
  • the filter frequency can be programmed by the control device 3 or can also be designed as a simple pre-filter, provided that the subsequent data acquisition is carried out by means of oversampling and subsequent digital filtering.
  • the data acquisition device 4 preferably consists of at least one analog input with internal or external sample and hold stages (sample / hold) and at least one internal or external analog-digital Converter and can be implemented, for example, by a digital signal processor with analog inputs.
  • the parameterization of the data acquisition device 4, for. B. channel sampling rate, channel resolution and channel bandwidth, can be done manually or by digital signals from the control device 3.
  • the analog filters 5 and analog signal processing devices 6 can be parameterized either by the control device 3 or the data acquisition device 4.
  • the control device 3 responsible for forwarding the data must also be operated asynchronously.
  • a buffer 14 for data buffering is therefore expediently part of the input and output modules 1.
  • the memory 14 can e.g. as a FIFO (first-in-first-out) or dual-port RAM.
  • the intermediate memory 14 is part of the data acquisition device 4, the data output device 21 or the control device 3.
  • asynchronous transport of the measurement data is that it is not known when they will reach their destination, for example the computer 36 of the measurement station, especially since the transmission duration of individual data packets can also vary in time.
  • the control device 3 via a clock 15 as an internal or external precision clock.
  • the measurement in the input / output modules 1, 18 begins with the opening of an input gate of the memory 14 by the control device 3.
  • the current time t of the clock 15 is queried.
  • This time stamp together with the sampling interval of the data acquisition device 4 for the input and output module 1 or the sampling / reading clock for the digital input and output module 18, is placed in front of a data record as header information before the measured values are successively as data at the output of the memory 14 can be read out by the control device 3. Since this procedure saves the time of acquisition of the first measured value and also the value of the generally constant time difference between two successive ' measured values, the complete data set can, after reaching its destination, e.g. a central measuring station, be used with data records from other inputs / Output modules 1, 18, which have the same header information, are correlated exactly in time.
  • the output of analog and digital data in the output modules 20, 23 works in a correspondingly opposite manner.
  • the control device 3 is informed of the time for the output of the data via the LAN communication channel or the data lines 11, e.g. a constant delay after reading the data from other input / output modules 1,18.
  • the time of the clock 15 is then continuously queried by the control device 3. Once this has been reached, the exit gate of the buffer 14 is opened and the data are output.
  • each control device 3 is able to switch its clock 15 exactly to the clock 15 of the other modules, in particular the next one, after the system is switched on To synchronize previous module 16 with a control device 3.
  • the computers 36 implemented in the system are also considered a module with control device 3 and precision clock 15 in this process.
  • the time difference between the own clock 15 and the clock 15 of the predecessor module is determined by determining the running time of ping signals which are sent from the module to the predecessor module 16 and reflected from there. Using suitable algorithms in connection with statistical methods, a time correction value ⁇ t is determined from several experiments in the module to be synchronized. The time t of the predecessor module 16 is then queried, the time correction value for the transport delay is added and the clock is set to this time. After this process, both clocks 15 of the modules run synchronously.
  • Communication between the modules is preferably based on network and internet protocols, such as HTTP, HTTPS, FTP, SMTP or P0P3.
  • HTTP HyperText Transfer Protocol
  • HTTPS HyperText Transfer Protocol
  • FTP Simple Object Transfer Protocol
  • SMTP Simple Object Transfer Protocol
  • P0P3 HyperText Transfer Protocol
  • Web, FTP and e-mail servers or clients implemented in the control device 3 enable direct communication with the sensor via the Internet.
  • the remote station can be accessed, for example, by browsing the sensor's own homepage with current measurement data, programmable parameters and links to other sensors.
  • the corresponding modules 1, 1 °, as shown in FIG. 1 each have a client X or server Y, as they are known per se, for example from the Internet area.
  • the client X or server Y has a unique IP address (IP: Internet Protocol), e.g. 192.168.0.1, via which the module can be uniquely addressed.
  • IP Internet Protocol
  • Y also provides its own so-called homepage of modules 1,1 ° via the data network, which can also be linked.
  • the module and in particular the internal and external sensors and other devices connected to it can be queried and controlled via the homepage.
  • the sensor is thus given an artificial intelligence that enables it to communicate with the user, operator or manufacturer in established ways that were previously reserved for pure people.
  • a browser known per se can preferably be used for this.
  • It is also possible to enter control data automatically or manually, for example ⁇ 1010 Umin -1 , which are transmitted from the central control device PC via the transmission links 9 to the module and an internal or external device 7 ° to be controlled.
  • the use of standard browsers and / or standard e-mail programs has the great advantage that no software is installed on the PC and after activation of Internet gateways behind the PC, access to the system from any terminal worldwide, e.g. in an internet cafe.
  • pressure sensors can be used in a train to test the pressure conditions when passing through a tunnel.
  • further sensors can be arranged in the tunnel.
  • the two systems can be synchronized, for example, when entering the tunnel via one of the radio-supported transmission links.
  • the data recorded in one of the two systems can be transmitted to the central control device of the other of the two systems via such a radio-supported transmission link.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein modulares Datenerfassungs- und Übertragungssystem mit zumindest einer Datenerfassungseinrichtung (1) zum Erfassen und/oder Bereitstellen von Daten (d, p, T, v, ω), einem digitalen Datennetz mit zumindest zwei Ethernet-Übertragungsstrecken (9, 9), zumindest einer Zentraleinrichtung (PC) zum Verarbeiten erfasster Daten und/oder zum Steuern entfernt angeordneter Einrichtungen (7, 7°) über das Datennetz und zumindest einer Überbrückungseinrichtung (50) zum Übertragen der Daten. Um grössere Strecken als der maximalen Distanz des Übertragungssystems zu überbrücken, ist die Datenerfassungseinrichtung (1) bzw. die Überbrückungseinrichtung (50) als zwischengeschaltete Übertragungseinrichtung (51) zwischen zumindest zwei Übertragungsstrecken (9, 9) des Datennetzsystems ausgebildet und weist eine Steuereinrichtung (3) zur Übertragung von Daten der einen Übertragungsstrecke (9) auf die andere Übertragungsstrecke (9) auf, wobei die Steuereinrichtung (3) empfangen Daten der einen Übertragungsstrecke vor der Übertragung auf die andere Übertragungsstrecke so verarbeitet, dass die Übertragungsstrecken (9, 9) eigenständige Übertragungsstrecken des Datenübertragungssystems sind.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Modulares Datenerfassungs- und Übertragungssystem mit
- zumindest einer Datenerfassungseinrichtung (1; 18) zum Erfassen und/oder Bereitstellen von Daten, insbesondere Messdaten (p, T, v, co) ,
- einem digitalen Datennetz (LAN, WLAN) mit zumindest zwei Ubertragungsstrecken (9, 35) des Datenübertragungssystems zum Übertragen digitaler Daten (d) ,
- zumindest einer Zentraleinrichtung (36; PC) zum Verarbeiten erfasster Daten und/oder zum Steuern entfernt angeordneter Einrichtungen (7, 7°) des Systems durch Absenden von Steuerinformationen als weitere Daten (d) über das Datennetz und
- zumindest einer Überbrückungseinrichtung (24; 26; 51) zum Übertragen der Daten (d) als digitale Daten über das Datennetz, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
- zumindest die Datenerfassungseinrichtung (1; 18) und/oder die Überbrückungseinrichtung (24; 26; 51) und/oder eine weitere Einrichtung (20; 23; 32) als zwischengeschaltete Übertragungseinrichtung (51) zwischen zumindest zwei Ubertragungsstrecken (9, 35) des Datennetzsystems ausgebildet ist und
- eine Steuereinrichtung (3; 2, 2'; 27) zur Übertragung von Daten (d) der einen Ubertragungsstrecke (9, 35) auf die andere Ubertragungsstrecke (9, 35) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (3; 2, 2'; 27) zum Verarbeiten der empfangenen Daten der einen Ubertragungsstrecke vor der Übertragung auf die andere Ubertragungsstrecke derart ausgebildet ist, dass die zumindest zwei Ubertragungsstrecken (9, 9; 9, 35; 35, 35) eigenständige Ubertragungsstrecken des Datenübertragungssystems sind.
2. Übertragungseinrichtung (1; 18; 20; 23; 24; 26; 32; 51) zum Übertragen von digitalen Daten (d) über zumindest eine Ubertragungsstrecke (9; 35) in einem Datenübertragungssystem (LAN, WLAN) , insbesondere in einem Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, mit
- zumindest einer ersten Schnittstelle (2; 2'; 2°; 27)- und einer zweiten Schnittstelle (2'; 2; 27) zum Anschluss an je eine Ubertragungsstrecke (9, 9; 9, 35; 35, 35) und
- einer Steuereinrichtung (3; 2; 2'; 27) zum Steuern der Datenübertragung zwischen den Ubertragungsstrecken (9, 35) durch die Übertragungseinrichtung,
- dadurch g e k e n z e i c h e t , dass
- die Steuereinrichtung zum Verarbeiten von Daten (d) , die von einer der Ubertragungsstrecken empfangen werden, und zum neuen Senden der verarbeiteten Daten über die andere der Ubertragungsstrecken derart ausgebildet ist, dass
- die zumindest zwei Ubertragungsstrecken (9, 9; 9, 35; 35, 35) als eigenständige Ubertragungsstrecken des Datenübertragungssystems angesteuert werden.
3. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der die Übertragungseinrichtung (50) für jede der Ubertragungsstrecken (9, 35) jeweils eine eigene Schnittstelleneinrichtung (2, 21; 27) aufweist.
4. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der die Schnittstelleneinrichtungen (2, 2'; 27) der Steuereinrichtung (3; 25; 27) zugeordnet sind und die Schnittstellen als interne Baugruppe direkt mit der Steuereinrichtung (3) verbunden oder als externe Baugruppen über eine Schnittstelle mit der Steuereinrichtung verbunden sind.
5. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der zumindest eine der Ubertragungsstrecken (35) eine Luftschnittstelle ist.
6. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der zumindest eine der Ubertragungsstrecken (9) eine leitungsgebundene Schnittstelle ist.
7. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 6, bei der die leitungsgebundene Ubertragungsstrecke (9) erste Leitungen (11) zum Übertragen von digitalen Daten (d) und zumindest eine zweite Leitung (12) zum Übertragen einer Versorgungsleistung aufweist .
8. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der leitungsgebundene Ubertragungsstrecken (9) über Schnittstellen (2, 2'; 8) zum Übertragen von Daten oder einer Versorgungsleistung von weiteren Bauelementen (3; 25; 27) mit einer Einrichtung (13) zur galvanischen Trennung gekoppelt sind.
9. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der
- die Steuereinrichtung (3; 25; 27; 50), die Schnittstellen (2, 2') zu den Ubertragungsstrecken (9) und ein Speicher (14) zum Zwischenspeichern empfangener oder zu übertragender Daten (d) als asynchrone Einrichtungen ausgebildet sind und
- der Speicher (14) und eine Datenverarbeitungseinrichtung (4
- 6) zum synchronen Verarbeiten von Daten (d; v, T, p, ω) , die einer übergeordneten oder einer angeschlossenen Einrichtung
(7, 7°; 36; PC) zugeordnet sind, ausgebildet sind.
10. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 9, bei der die Datenverarbeitungseinrichtung (4 - 7) zum Verarbeiten der Daten (d; v, T, p, ω) zum zeitkontinuierlichen Übertragen der Daten oder entsprechender Signale über eine weitere netzunabhängige Schnittstelle (7; 7°; 33) ausgebildet ist.
11. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch mit einer eigenen, synchronisierbaren Uhr (15) zum Ausgeben eines Zeitsignals für die Übertragungseinrichtung (50, 3) und/oder weitere, mit der Übertragungseinrichtung (50) direkt gekoppelte Funktionselemente (4 - 6, 14, 21, 27, 33), insbesondere eine Datenverarbeitungseinrichtung (4) ausgebildet ist.
12. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 11, bei der die Steuereinrichtung (3) oder eine andere
Verarbeitungseinrichtung (4) zum Aussenden und/oder Empfangen eines Zeitsignals der eigenen Uhr (15) über zumindest eine der Ubertragungsstrecken (9, 35) und zum Aussenden und Empfangen eines Testsignals (Ping) zum Bestimmen der Laufzeit über die Ubertragungsstrecke (9, 35) zu einer benachbarten Übertragungseinrichtung (1; 1°; 16; 17) zum Bestimmen einer Zeitkorrektur ausgebildet ist.
13. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch zum Ausbilden eines Eingabemoduls (1, 1°) mit einer Sensoreinrichtung (7, 7°) zum Erfassen einer physikalischen Größe (p, co, v, T) , wobei die Sensoreinrichtung (7, 7°) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (4 - 6) zum Verarbeiten der bestimmten Sensordaten, insbesondere zum Digitalisieren der Sensordaten, verbunden ist und die Datenverarbeitungseinrichtung (4 - 6) und/oder die Steuereinrichtung (3) zum Aufbereiten der Daten für eine Übertragung über eine der Ubertragungsstrecken (9; 35) ausgebildet sind.
14. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch zum Ausbilden eines Analog-Ausgabemoduls (20) zum Ausgeben einer physikalischen Größe (co) , wobei eine Datenverarbeitungseinrichtung (21) zum Verarbeiten, insbesondere Analogisieren empfangener Daten zur physikalischen Größe ausgebildet ist.
15. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch zum Ausbilden eines Digital-Ein- und/oder Ausgabemoduls (18; 23) mit einer digitalen Schnittstelle zum Empfangen oder Ausgeben digitaler Daten von bzw. zu einer Einrichtung mittels eines übertragungsstrecken-fremden Übertragungsprotokolls oder Formats .
16. Leistungsversorgungsmodul (29) zum Übertragen einer Versorgungsleistung über zumindest eine Versorgungsleitung
(12) der Ubertragungsstrecke (9) zu einer Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch.
17. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch zum Ausbilden eines SchnittStellenmoduls (32), bei der die Steuereinrichtung (3) mit einer Schnittstellen- Wandlereinrichtung (33) zum Umwandeln von Daten zum Übertragen der Daten zu bzw. von einer datennetzfremden Schnittstelle, insbesondere Schnittstelle eines Standardnetzes (USB) verbunden ist.
18. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der die Steuereinrichtung (3) mit einem
Zwischenspeichermodul (14) zum Zwischenspeichern von über die Ubertragungsstrecke übertragenen oder zu übertragenden Daten verbunden ist.
19. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der einzelne Bauelemente der Übertragungseinrichtung oder damit verbundener weiterer Einrichtungen als modulare Baugruppen zum bedarfsweisen Austausch ausgebildet sind.
20. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch mit einer Steuereinrichtung (3, 4, X, Y) und Software zum Bereitstellen einer Fernsteuerfunktionalität für eine externe, über zumindest eine Ubertragungsstrecke (9, 35) angeschlossene Steuereinrichtung (PC) derart, dass von der externen Steuereinrichtung (PC) Parameter der Übertragungseinrichtung oder einer darüber gesteuerten weiteren Einrichtung (7, 7°) abrufbar und/oder änderbar sind.
21. Übertragungseinrichtung, insbesondere nach Anspruch 20, bei der die Steuereinrichtung (3, 4, X, Y) zum Bereitstellen einer Server- oder Clientfunktionalität zum Bereitstellen einer Homepage auf der externen Steuereinrichtung (PC) ausgebildet ist .
22. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch mit einer Steuereinrichtung (3, 4) zum Bestimmen eines Zeitkorrekturwertes (Δt) durch Aussenden eines Signals (Ping) über eine der Ubertragungsstrecken (9, 35) und Empfangen eines Echos des Signals von einer am anderen Ende der Ubertragungsstrecke (9, 35) aus der Laufzeit (t) von Signal und Echo angeschlossenen Einrichtung.
23. Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch bei dem die Datenschnittstelleneinrichtungen (2, 2', 27) zum Übertragen der Daten über die Ubertragungsstrecken (9; 35) als Ethernet-Schnittstellen gemäß einem Ethernet-Standard ausgebildet sind.
24. Verfahren zum Bestimmen eines zugeordneten Zeitpunkts und eines Zeitkorrekturwertes (Δt) für Daten, die über eine der Ubertragungsstrecken (9, 35) einer Übertragungseinrichtung nach einem vorstehenden Anspruch empfangen wurden mit den Schritten
- entnehmen eines Zeitwertes (t) , der zu den Daten und diesen zugeordnet übertragen wurde,
- Aussenden eines Signals (Ping) über die Ubertragungsstrecke (9, 35), Empfangen eines Echos des Signals von einer am anderen Ende der Ubertragungsstrecke (9, 35) angeschlossenen Einrichtung und - Bestimmen einer Laufzeit von Signal und Echo und daraus des Zeitkorrekturwertes (Δt) für den Zeitwert (t) .
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