DE102005041455A1

DE102005041455A1 - Automatisierungstechnische Einrichtung

Info

Publication number: DE102005041455A1
Application number: DE102005041455A
Authority: DE
Inventors: Heiko Kresse; Andreas Dipl.-Ing. Stelter; Ralf Schäffer
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN1925487B; CN1925487A; US9537692B2; US20070150625A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine automatisierungstechnische Einrichtung, bei der eine Mehrzahl räumlich verteilter Funktionseinheiten mittels eines gemeinsamen Übertragungsprotokolls miteinander kommunizieren. Die Einrichtung weist einen Mikrocontroller (110) auf, dem mindestens ein Taktgenerator (120) und eine Speichereinheit (150) zugeordnet sind und der mindestens an eine Datenquelle (140) angeschlossen ist, die zur Ausgabe eines zu sendenden Daten-Bitstroms ausgebildet ist. In der Speichereinheit (150) sind ein erstes Programm zur Umsetzung eines zu sendenden Daten-Bitstroms in eine Folge von Abtastwerten eines adäquaten frequenzmodulierten Leitungssignals und ein zweites Programm zur Erkennung eines frequenzmodulierten Leitungssignals und zu dessen sequentieller Umsetzung in einen empfangenen Daten-Bitstrom gespeichert und dem Mikrocontroller (110) zugeordnet. Das erste und das zweite Programm sind wechselweise ausführbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine automatisierungstechnische Einrichtung, bei der eine Mehrzahl räumlich verteilter Funktionseinheiten mittels eines gemeinsamen Übertragungsprotokolls miteinander kommunizieren. Entsprechend ihrer automatisierungstechnischen Funktion treten diese Funktionseinheiten als Feldgeräte oder Bediengeräte in Erscheinung.
In der Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik ist es seit längerem üblich, über eine Zweitdrahtleitung ein Feldgerät zu speisen und Meßwerte von diesem Feldgerät zu einem Anzeigegerät und/oder zu einer regelungstechnischen Anlage beziehungsweise Stellwerte von einer regelungstechnischen Anlage zum Feldgerät zu übertragen. Dabei wird jeder Meßwert beziehungsweise Stellwert in einen proportionalen Gleichstrom umgeformt, der dem Speisegleichstrom überlagert wird, wobei der den Meßwert beziehungsweise Stellwert präsentierende Gleichstrom ein Vielfaches des Speisegleichstroms sein kann. So ist üblicherweise der Speisestrombedarf des Feldgerätes auf ca. 4 mA eingestellt und der Dynamikumfang des Meßwertes beziehungsweise Stellwertes auf Ströme zwischen 0 und 16 mA abgebildet, so daß die bekannte 4...20 mA-Stromschleife verwendbar ist.
Neuere Feldgeräte zeichnen sich darüber hinaus durch universelle, weitgehend an den jeweiligen Prozeß adaptierbare Eigenschaften aus. Dazu ist parallel zum unidirektionalen Gleichstromübertragungsweg ein bidirektional betreibbarer Wechselstromübertragungsweg vorgesehen, über den in Richtung zum Feldgerät Parametrierdaten und aus Richtung des Feldgerätes Meßwerte und Zustandsdaten übertragen werden. Die Parametrierdaten und die Meßwerte sowie die Zustandsdaten sind auf eine Wechselspannung moduliert, vorzugsweise frequenzmoduliert.
In der Prozeßleittechnik ist es üblich, im sogenannten Feldbereich Feldgeräte, das sind Meß-, Stell- und Anzeigebaugruppen, entsprechend den vorgegebenen Sicherheitsbedingungen vor Ort anzuordnen und zu verknüpfen. Diese Feldgeräte weisen zur Datenübertragung untereinander analoge und digitale Schnittstellen auf. Die Datenübertragung wird dabei über die Speiseleitungen der im Wartenbereich angeordneten Stromversorgung vorgenommen. Zur Fernsteuerung und Ferndiagnose dieser Feldgeräte sind auch Bediengeräte in dem sogenannten Wartenbereich vorgesehen, an dessen Sicherheitsbestimmungen regelmäßig geringere Anforderungen gestellt sind.
Die Datenübertragung zwischen den Bediengeräten im Wartenbereich und den Feldgeräten wird durch Überlagerung der bekannten 20 mA-Stromschleifen mit Hilfe der der FSK-Modulation (Frequenz Shift Keying) realisiert. Dabei werden zwei Frequenzen, die den binären Zuständen „0" und „1" zugeordnet sind, rahmenweise analog übertragen.
Die Rahmenbedingungen für das FSK-Signal und die Art der Modulation sind in der „HART Physical Layer Specification Revision 7.1-Final" vom 20.06.1990 (Rosemount Dokument Nr. D8900097; Revision B) beschrieben.
Zur Implementierung des FSK-Interface gemäß dem HART – Protokoll sind speziell für diesen Zweck ausgeprägte ASIC's, wie beispielsweise der HT2012 der Firma SMAR, handelsüblich und gebräuchlich. Nachteilig ist an diesen speziellen Schaltkreisen der unabänderlich feststehende Funktionsumfang und damit einhergehende fehlende Flexibilität zur Anpassung an sich verändernde Anforderungen.
Bekannte neuzeitliche automatisierungstechnische Einrichtungen sind üblicherweise mit einer Verarbeitungseinheit, einem sogenannten Mikrocontroller, ausgestattet, der in Abhängigkeit von der automatisierungstechnischen Aufgabe der betreffenden Funktionseinheit zur bestimmungsgemäßen Datenverarbeitung verwendet wird.
Der Erfindung liegt daher im einzelnen die Aufgabe zugrunde, die Funktionen des FSK-Interface gemäß dem HART – Protokoll in der Steuerung der Verarbeitungseinheit der automatisierungstechnischen Einrichtungen abzubilden, ohne dabei die automatisierungstechnische Aufgabe der betreffenden Funktionseinheit zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht aus von einem Mikrocontroller, dem mindestens ein Taktgenerator und eine Speichereinheit zur Ablage von Instruktionen und Daten zugeordnet ist. Dieser Mikrocontroller ist mindestens an eine Datenquelle, die zur Ausgabe eines zu sendenden Daten-Bitstroms ausgebildet ist, und eine Datensenke, zur Annahme eines empfangenen Daten-Bitstroms ausgebildet ist, angeschlossen.
Dem Mikrocontroller ist ein erstes Programm zur Umsetzung eines zu sendenden Daten-Bitstroms in eine Folge von Abtastwerten eines adäquaten frequenzmodulierten Leitungssignals zugeordnet. Darüber hinaus ist dem Mikrocontroller ein zweites Programm zur Erkennung eines frequenzmodulierten Leitungssignals und zu dessen sequentieller Umsetzung in einen empfangenen Daten-Bitstroms zugeordnet. Das erste und das zweite Programm sind in der Speichereinheit abrufbar gespeichert. Ferner sind das erste und das zweite Programm wechselweise ausführbar.
Der in der Datenquelle bereitgehaltene, zu sendende Daten-Bitstrom wird quantisiert in den Mikrocontroller eingelesen. In Abhängigkeit vom logischen Wert jedes zu sendenden Bit wird eine Sequenz aufeinanderfolgender Abtastwerte einer ersten oder einer zweiten Frequenz ausgegeben. Dabei steht die erste Frequenz für eine logische Null und die zweite Frequenz für eine logische Eins.
Dazu kann vorgesehen sein, die aufeinanderfolgenden Abtastwerte in einer Tabelle abzulegen, die in der Speichereinheit abrufbar gespeichert ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an diesen Mikrocontroller sendeseitig ein Digital-Analog-Umsetzer angeschlossen, dem ein Filter nachgeschaltet ist. Damit werden die aufeinanderfolgenden Abtastwerte in einen geschlossenen Zeitverlauf eines frequenzmodulierten Leitungssignals überführt.
In Empfangsrichtung ist ein frequenzmoduliertes Leitungssignal über einen Analog-Digital-Umsetzer, der Bestandteil des Mikrocontrollers sein kann, an den Mikrocontroller geschaltet und wird quantisiert eingelesen. Das eingelesene Leitungssignal besteht aus einer Folge in einem Zeitraster wechselweise aufeinanderfolgender Sequenzen einer ersten und einer zweiten Frequenz. Dabei steht die erste Frequenz für eine logische Null und die zweite Frequenz für eine logische Eins. Aus dem Zeitverlauf des emfangenen Leitungssignals wird für jedes Zeitrasterfeld der zugehörige übertragene Bitwert ermittelt und an die Datensenke ausgegeben.
Vorteilhafterweise wird durch die Erzeugung und Erkennung des Leitungssignals in Baueinheit mit der Implementierung der Protokollfunktionen eine flexible Anpassung der automatisierungstechnische Einrichtungen an dynamische Erweiterungen des Übertragungsprotokolls erreicht. Damit ist der Funktionsumfang der Schnittstelle an die Bedurfnisse und sich verändernde Anforderungen flexibel anpassbar.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausführung des ersten und des zweiten Programms durch jeweils eine Unterbrechungsanforderung initiierbar ist. Vorteilhafterweise werden dadurch die Abarbeitung des ersten Programms von der Abarbeitung des zweiten Programms enkoppelt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterbrechungsanforderung zeitgesteuert ist. Vorteilhafterweise wird dadurch der Mikrocontroller von unproduktiven Programmschritten entlastet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterbrechungsanforderung periodisch ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine automatisierungstechnische Einrichtung 100 in dem Umfange prinzipiell dargestellt, wie sie zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Die automatisierungstechnische Einrichtung 100 ist über eine Kommunikationsleitung 200 mit einer im wesentlichen gleichartigen automatisierungstechnischen Einrichtung 100' verbunden. Die Kommunikationsleitung 200 ist bidirektional beaufschlagt. Die von der automatisierungstechnischen Einrichtung 100 gesendeten Informationen werden von der automatisierungstechnischen Einrichtung 100' empfangen und umgekehrt. Im weiteren wird daher nur auf die detailiert dargestellte automatisierungstechnische Einrichtung 100 Bezug genommen.
Ein Kernbestandteil der automatisierungstechnische Einrichtung 100 ist ein Controller 110, der zumindest mit einem Speicher 150 und einem taktgebenden Element, im weiteren der Einfachheit halber als Taktgenerator 120 bezeichnet, verbunden ist. Üblicherweise sind jedoch Teile des Taktgenerators 120 bereits im Controller 110 implementiert.
Der Controller 110 weist Anschlüsse zum Anschluß einer Datensenke 130 und einer Datenquelle 140 auf.
Als Datenquelle 140 kann ein Sensor zur Umsetzung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe vorgesehen sein, der konfigurierbar und/oder parametrierbar ist. Dabei ist die Konfiguration und/oder Parametrierung die Datensenke 130.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Datensenke 130 ein Aktor zur Umsetzung einer elektrischen Größe in eine physikalische Größe ist, dessen Eigenschaften diagnostizierbar sind. Die hierzu vorgesehene Diagnoseeinrichtung ist dann die Datenquelle 140.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die automatisierungstechnische Einrichtung 100 ein Bestandteil einer übergeordnete Einrichtung ist, die zur bidirektionalen Kommunikation mit weiteren automatisierungstechnischen Einrichtungen 100' ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die übergeordnete Einrichtung sowohl die Datenquelle 140 als auch die Datensenke 130.
In einer weiteren Ausführungsform kann die automatisierungstechnische Einrichtung 100 als sogenannter Protokollumsetzer ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform ist die übergeordnete Einrichtung sind die Datenquelle 140 und die Datensenke 130 durch ein zweites Kommunikationssystem gebildet.
Zur Durchführung der Erfindung ist jedoch das Vorhandensein der Datenquelle 140 bei Fehlen der Datensenke 130 ausreichend.
Darüber hinaus ist an den Controller 110 ein Digital-Analog-Umsetzers 160 angeschlossen, dem ein Filter 170 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Filter 170 ist mit der Kommunikationsleitung 200 verbunden. Ferner ist die Kommunikationsleitung 200 an Eingangsanschlüsse des Controllers 110 geführt, über die eine Aufnahme des Leitungssignals auf der Kommunikationsleitung 200 vorgesehen ist.
Dem Controller 110 ist ein erstes Programm zur Umsetzung eines zu sendenden Daten-Bitstroms in eine Folge von Abtastwerten eines adäquaten frequenzmodulierten Leitungssignals zugeordnet. Darüber hinaus ist dem Controller 110 ein zweites Programm zur Erkennung eines frequenzmodulierten Leitungssignals und zu dessen sequentieller Umsetzung in einen empfangenen Daten-Bitstroms zugeordnet. Das erste und das zweite Programm sind in dem Speicher 150 abrufbar gespeichert. Das erste und das zweite Programm sind wechselweise ausführbar.
Der in der Datenquelle 140 bereitgehaltene, zu sendende Daten-Bitstrom wird quantisiert in den Controller 110 eingelesen. In Abhängigkeit vom logischen Wert jedes zu sendenden Bit wird eine Sequenz aufeinanderfolgender Abtastwerte einer ersten oder einer zweiten Frequenz ausgegeben. Dabei steht die erste Frequenz für eine logische Null und die zweite Frequenz für eine logische Eins.
Dazu kann vorgesehen sein, die aufeinanderfolgenden Abtastwerte in einer Tabelle abzulegen, die in dem Speicher 150 abrufbar gespeichert ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an diesen Controller 110 sendeseitig ein Digital-Analog-Umsetzer 160 angeschlossen, dem ein Filter 170 nachgeschaltet ist. Damit werden die aufeinanderfolgenden Abtastwerte in einen geschlossenen Zeitverlauf eines frequenzmodulierten Leitungssignals überführt und auf die Kommunikationsleitung 200 ausgegeben.
In Empfangsrichtung ist ein frequenzmoduliertes Leitungssignal von der Kommunikationsleitung 200 an den Controller 110 geschaltet und wird quantisiert eingelesen. Das eingelesene Leitungssignal besteht aus einer Folge in einem Zeitraster wechselweise aufeinanderfolgender Sequenzen einer ersten und einer zweiten Frequenz. Dabei steht die erste Frequenz für eine logische Null und die zweite Frequenz für eine logische Eins. Aus dem Zeitverlauf des emfangenen Leitungssignals wird für jedes Zeitrasterfeld der zugehörige übertragene Bitwert ermittelt und an die Datensenke 130 ausgegeben.
Vorteilhafterweise wird durch die Erzeugung und Erkennung des Leitungssignals in Baueinheit mit der Implementierung der Protokollfunktionen eine flexible Anpassung der automatisierungstechnische Einrichtungen an dynamische Erweiterungen des Übertragungsprotokolls erreicht. Damit ist der Funktionsumfang der Schnittstelle an die Bedurfnisse und sich verändernde Anforderungen flexibel anpassbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausführung des ersten und des zweiten Programms durch jeweils eine Unterbrechungsanforderung initiierbar ist. Vorteilhafterweise werden dadurch die Abarbeitung des ersten Programms von der Abarbeitung des zweiten Programms enkoppelt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterbrechungsanforderung zeitgesteuert ist. Dazu kann in sehr einfacher Weise ein Zeitgeber vorgesehen sein, der sich selbst rekursiv startet. Ein derartiger Zeitgeber ist regelmäßig bereits ein integraler Bestandteil des Controllers 110. Vorteilhafterweise wird dadurch der Mikrocontroller von unproduktiven Programmschritten entlastet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterbrechungsanforderung periodisch ist. Dazu kann in sehr einfacher Weise ein Zeitgeber vorgesehen sein, der sich selbst rekursiv startet und die Unterbrechungsanforderung auslöst. Ein derartiger Zeitgeber ist regelmäßig bereits ein integraler Bestandteil des Controllers 110.

100, 100': automatisierungstechnische Einrichtung
110: Controller
120: Taktgenerator
130: Datensenke
140: Datenquelle
150: Speicher
160: Digital-Analog-Umsetzer
170: Filter
200: Kommunikationsleitung

Claims

Automatisierungstechnische Einrichtung, bei der eine Mehrzahl räumlich verteilter Funktionseinheiten mittels eines gemeinsamen Übertragungsprotokolls miteinander kommunizieren, mit einem Mikrocontroller, dem mindestens ein Taktgenerator und eine Speichereinheit zugeordnet sind und der mindestens an eine Datenquelle, die zur Ausgabe eines zu sendenden Daten-Bitstroms ausgebildet ist, und eine Datensenke, zur Annahme eines empfangenen Daten-Bitstroms ausgebildet ist, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Mikrocontroller ein erstes Programm zur Umsetzung eines zu sendenden Daten-Bitstroms in eine Folge von Abtastwerten eines adäquaten frequenzmodulierten Leitungssignals zugeordnet und in der Speichereinheit gespeichert ist, – dass dem Mikrocontroller ein zweites Programm zur Erkennung eines frequenzmodulierten Leitungssignals und zu dessen sequentieller Umsetzung in einen empfangenen Daten-Bitstroms zugeordnet und in der Speichereinheit gespeichert ist und – dass das erste und das zweite Programm wechselweise ausführbar sind.
Automatisierungstechnische Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des ersten und des zweiten Programms durch jeweils eine Unterbrechungsanforderung initiierbar ist.
Automatisierungstechnische Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsanforderung zeitgesteuert ist.
Automatisierungstechnische Einrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsanforderung periodisch ist.