DE19513747A1

DE19513747A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Anlagen oder Prozessen mit Hilfe eines Steuerrechners

Info

Publication number: DE19513747A1
Application number: DE1995113747
Authority: DE
Inventors: Olaf Trieschmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-11
Filing date: 1995-04-11
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2015-04-12
Also published as: DE19513747B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Anlagen oder Prozessen mit Hilfe eines Steuerrechners.

Bei derartigen Steuerungen bedingen in der Regel ein vorgegebener zeitlicher Ablauf und/oder eingehende Informationen oder Daten die Ausgabe von Steuerbefehlen oder Steuerinformationen an die zu steuernden Anlagenteile oder Prozeßschritte. Zu steuernde Anlagen finden sich beispielsweise in Theatern. Dort ist die bühnentechnische Anlage mit ihrer Beleuchtungsanlage, aber auch mit ihrer Mechanik und gegebenenfalls mit einer Tonanlage zu steuern. Üblicherweise wird jede dieser Anlagen (Steuerfunktionen) eines Theaters über ein spezielles Steuersystem mit einer spezifischen Hardware und einer begrenzten Anzahl von Regelkanälen getrennt geregelt. Das erfordert zum einen hohe Investitionskosten, sowie eine hohe Zahl an Bedienungspersonal und erschwert die notwendige Zeitkoordination der einzelnen Steuerfunktionen. Die getrennten Geräte führen zu einem komplexen Aufbau, der, weil uneinheitlich, nur schwer zu warten ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche ein variables, erweiterbares und anpassungsfähiges Steuersystem zur Verfügung stellen. Außerdem sollten unterschiedliche Steuerungsfunktionen über einen einzigen Steuerrechner gesteuert werden, um damit das notwendige Betriebspersonal und Investitionskosten verringern zu können. Ferner sollte eine präzise Zeitzuordnung der unterschiedlichen Steuerungsfunktionen ermöglicht werden. Um die Installations- und Einarbeitungszeit in das System zu verringern sollte ein Standardrechner als Steuerrechner (z. B. ein Personal Computer) Verwendung finden. Das System sollte derart gestaltet sein, daß Eingriffe in den Steuerrechner bei der Installation nicht nötig werden.

Die Aufgabe wird für das Verfahren dadurch gelöst, daß eine variierbare und begrenzte Zahl von Stellgebern und/oder Meßgrößenwandlern als Adapter in einer Kaskade untereinander verbunden werden und eine lineare Adapterkette variabler Länge bilden, wobei jeweils ein Adapter mit dem nachfolgenden Adapter der Adapterkette über einen Adapterbus elektrisch verbunden wird, daß ein Adapter der Adapterkette über einen Datenbus mit einer Standardschnittstelle des Steuerrechners elektrisch verbunden wird und daß der Steuerrechner mit jedem Adapter über den Datenbus und die Adapterbusse digital kommuniziert.

Der variable Umfang und die Erweiterbarkeit der Adapterkette erlauben die Steuerung von Anlagen oder Prozessen, die sich in ihrer Größe ändern und für die keine feste obere Begrenzung angegeben werden kann. Dies trifft beispielsweise auf eine bühnentechnische Steuerung zu, die von Veranstaltung zu Veranstaltung variiert. Die Verbindung der Adapter mit dem Steuerrechner erfolgt über eine standardmäßig vorhandene Schnittstelle, beispielsweise eine parallele oder serielle Schnittstelle, um Eingriffe in die Hardware des Steuerrechners zu erübrigen. Die Verwendung eines Standardrechners bietet ein hohes technisches Potential zu günstigen Anschaffungspreisen.

Unter dem Begriff Adapter sind erfindungsgemäß Stellgeber und/oder Meßgrößenwandler zusammengefaßt. Stellgeber erhalten digitalisierte Eingangssignale vom Steuerrechner, die zur Steuerung der an die Stellgeber angeschlossenen Geräte dienen. Die Eingangssignale werden im Stellgeber in vom angeschlossenen Gerät verstehbare physikalische Parameter in analoger Form oder in ebenfalls digitale Signale umgewandelt. Ein Adapter kann mehrere gleichartige Kanäle steuern. Meßgrößenwandler formen Meßgrößen in zu den Meßgrößen proportionale digitalisierte Signale um. Die Meßgrößen können sich in diesem Zusammenhang durch die Messung physikalischer Parameter mittels beliebiger Meßgeräte oder durch Übertragung von Betriebszuständen beliebiger Geräte oder aus den Meßgrößen eindeutig zuzuordnenden Daten ergeben. Meßgrößenwandler sind also für den Datenempfang verantwortlich. Die Adapter können beliebig kaskadiert werden. Bevorzugt werden Adapter in Form von Adapterkarten eingesetzt.

In Ausgestaltung der Erfindung erkennt der Steuerrechner mit Hilfe einer digitalen Adapterkennung die Zahl und Art der Adapter. Damit konfiguriert sich das Steuersystem selbst. Mit dieser Konfiguration können verschiedene technische Systeme gleichzeitig von einem Steuerrechner aus gesteuert werden. So ist beispielsweise eine gleichzeitige Steuerung des Bühnenlichts und der Bühnentonkanäle, sowie der Bühnenmechanik möglich.

Das bedeutet, daß die Ein- und Ausgabeeinheiten des Steuerrechners als Regiepult für eine komplette Bühnensteuerung dienen können.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Steuerung über ein Steuerprotokoll geregelt werden, wobei jeder Adapter der Adapterkette sequentiell und in einer festgelegten Reihenfolge mit dem Steuerrechner kommuniziert und ein Datenprotokoll die Kommunikation der Adapter untereinander regelt.

Vorteilhafterweise kommuniziert der Steuerrechner über seine standardisierte parallele Schnittstelle mit der Adapterkette. Die parallele Schnittstelle wird auch als "CENTRONICS"- oder Druckerschnittstelle bezeichnet (IEEE 1284 Compatible Mode). Die parallele Schnittstelle ist in ihrer Datenübertragungsgeschwindigkeit ausreichend leistungsfähig, eine hohe Anzahl von Adaptern mit ausreichender Zeitauflösung steuern zu können. Damit die Adapterkette an allen parallelen Druckerschnittstellen betrieben werden kann, muß das Steuerprotokoll sowohl einen unidirektionalen als auch einen bidirektionalen Datenfluß unterstützen.

Erfindungsgemäß können Adapter zur Steuerung der Beleuchtungstechnik, Bühnentechnik, Tontechnik, Meßtechnik und/oder Prozeßsteuertechnik verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von Anlagen oder Prozessen umfaßt einen Steuerrechner mit einer Standardschnittstelle und mehrere Adapter, wobei eine variierbare und unbegrenzte Zahl von Stellgebern und/oder Meßgrößenwandlern als Adapter in einer Kaskade untereinander verbunden sind und eine lineare Adapterkette variabler Länge bilden, wobei jeweils ein Adapter mit dem nachfolgenden Adapter der Adapterkette über einen Adapterbus elektrisch verbunden ist, und daß ein Adapter der Adapterkette über einen Datenbus mit der Standardschnittstelle des Steuerrechners elektrisch verbunden ist. Die Standardschnittstelle ist bevorzugt eine parallele Schnittstelle des Steuerrechners.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsmäßigen Steuerung mit der Kopplung des Steuerrechners mit einem Adapter und der Adapter untereinander.

Die Steuerung erfolgt anhand eines im Steuerrechner gespeicherten Ablaufs und/oder über Eingaben durch die Tastatur und graphische Eingabemittel wie beispielsweise eine Maus. Die Steuerung durch den Steuerrechner erfolgt über die Verbindung zwischen seiner parallelen Schnittstelle und Adapter 1 über den Datenbus. Die Datenkommunikation zwischen den einzelnen Adaptern 1 bis n erfolgt über die internen Adapterbusse. Jeder Adapter ist über eine steuergerät- oder meßgrößenspezifische Meß- bzw. Datenleitung mit einem Gerät verbunden. Diese Geräte können entweder Steuergeräte oder Meßgeräte sein. Im ersten Fall besteht der Adapter aus einem Stellgeber, im letzten Fall aus einem Meßgrößenwandler.

Als Verbindung zwischen Steuerrechner und Adapterkarten kommt ein übliches Druckerkabel zur Verwendung, d. h. rechnerseitig wird eine 25-pol. D-Subminiatur Steckverbindung entsprechend DIN 41652 oder "IEEE 1284-A Connector" und auf Seite der Adapter eine 36-pol. "CENTRONICS"-Buchse (IEEE 1284-B Connector) verwendet. Die Kopplung der Adapter mit den Signalen der parallelen Schnittstelle (IEEE 1284 Compliant) des Rechners bedingt eine geringfügige Übersetzung zwischen den Bussignalen der parallelen Schnittstelle des Rechner und dem internen Bus der Adapterkette aufgrund des möglichen bi- und unidirektionalen Betriebsmodus des Steuerrechners. Der Datenbus zwi schen paralleler Rechnerschnittstelle und Adapter sowie der interne Adapterbus der Adapter untereinander wird in Tabelle 1 aufgeführt. Der Adapterbus für die interne Verbindung der Adapter wird durch DIN-41651-Flachbandkabelsteckverbindungen realisiert.

Für externe Verbindungen verschiedener Geräte, die Adapter beinhalten, werden D- Subminiatur Steckverbindungen nach DIN 41652 verwendet. Buchsenkontakte finden bei dem vorhergehenden Glied der Adapterkette Verwendung, während Steckkontakte bei dem folgenden Kettenglied eingesetzt werden.

Die Signale des Adapterbusses werden auf jedem Adapter "regeneriert", um den nachfolgenden Adapter der Kette elektrisch einwandfreie Signale zur Verfügung zu stellen.

Die interne Kommunikation der Adapter untereinander wird durch das Datenprotokoll (Fig. 3 bis 6) gewährleistet. Das "General Timing" Diagramm gemäß Fig. 2 gibt die Abfolge der einzelnen Sequenzen des Datenprotokolls im Steuerprotokoll wieder. Nach einem Reset im "Selbsterkennungs"-Modus 1 (Reset Mode 1) folgen die Selbsterkennungssequenzen (Modus 1) der Adapterkarten. Daraufhin ist der Steuerrechner in der Lage, sequentiell den jeweiligen Adaptern die Daten zu übermitteln bzw. von diesen Daten zu empfangen (Modus 0).

Datenübertragungsmodus:

5F Mode 0 Transmit Data (Fig. 3)
Dient zur Datenübertragung vom Rechner zu den Stellgebern, sowie von den Meßgrößenwandlern zum Rechner zum Auswerten der Daten. Der Pegel am I/O- Signal bestimmt dabei die Richtung der Datenübertragung.

Selbsterkennungsmodi:

5F Modus 1 , Typ 0 : Get channel (Fig. 4 und Fig. 6)
Die Anzahl der Kanäle der Adapter ohne Identifikationsnummer werden ausgelesen.
- Modus 1, Type 1 : Get Adapter ID (Fig. 5 und Fig. 6)
Eine Identifikationsnummer des Adapters wird ausgelesen. Die ID wird durch das CHANNEL-ID Signal D0 bis D15 übertragen.

Die Unterscheidung zwischen Mode 1, Typ 0 und Typ 1 erfolgt durch die CHANNEL-ID Signale C0 und C1 vor den D0 bis D15 Signalen bei Typ 1 Adaptern. Bei Typ 0 Adaptern existieren keine C0 und C1 Signale.

Die Beschreibung der einzelnen Signale ist in Tabelle 2 gegeben. Das Zeitverhalten der Signale auf dem Bus entsprechend dem Protokoll gibt Tabelle 3 wieder, während Tabelle 4 einzelne Sequenzen der Signale, wie sie in den Figuren aufgeführt sind, beschreibt.

Um die Störsicherheit, auch unter elektrisch ungünstigen Bedingungen, zu erhöhen, wurden die Signalzeiten so gewählt (Tabelle 3), daß die Signalfrequenzen unter 1 MHz betragen, jedoch eine Datenübertragungsrate von 250 kByte/s gewährleistet ist. Bei üblichen bühnentechnischen Geräten mit einer Auflösung von 256 Schritten und einer Datenwiederholrate von 20 Hz lassen sich hiermit 1200 Kanäle ansteuern. Durch Reduktion der Wiederholrate läßt sich die Anzahl der Kanäle vergrößern.

Jede Adapterkarte für Stellgeber speichert die ihr zugewiesenen Daten für die jeweiligen Kanäle zwischen. Adapter für Meßgrößenwandler müssen die Daten zum Auslesen bereithalten. Durch die Modularität ist die Ansteuerung beliebiger Regelgeräte möglich. Entwickelt wurden spezielle Stellgeber für Licht-, Ton- und Bühnensteuerungen. Für alle Adapterkarten wurde eine Platine im Format 100 × 160 mm (Europakartenformat) zum Einbau in genormte 19′′-Gehäuse verwendet. Durch entsprechende Elektronikschaltungen wurde eine Umsetzung des Steuerprotokolls und der Datenprotokolle auf die zu steuernden Geräte realisiert.

Nachfolgend werden Beispiele für unterschiedliche Adaptertypen gegeben:

Beispiel A

Zur Steuerung von Phasenanschnittsreglern zum Regeln von Lichthelligkeiten werden auf einer Adapterkarte für 12 Kanäle Regelspannungen von jeweils 0 bis +/- 10 V bereitgestellt. Dabei bilden 12 Digital/Analogwandler das Herzstück der Signalumwandlung und der Datenzwischenspeicherung. Alle analogen Ausgangsspannungen sind von dem Rechner und der Adapterkette galvanisch getrennt.

Beispiel B

Eine moderne Technik zur Steuerung von max. 512 bühnentechnischen Regelkanälen bedient sich des digitalen, seriellen Datenstromes mit dem Protokoll DMX512 (USITT 1990). Hier erfolgt die Umsetzung des parallelen Datenstromes in einen seriellen Datenstrom auf RS-485 Signalpegel. Diese Funktionalität wird durch Verwendung einer Mikrocontrollersteuerung erreicht, die auch die zugehörigen Daten des Datenstromes zwischenspeichert.

Beispiel C

Für Audiosignale werden 4 Kanäle aus dem Datenstrom entnommen. 2 für die Lautstärke links und rechts, sowie 2 Kanäle für die Stummschaltung beider Audiokanäle. Hier findet wieder eine Mikrocontrollerschaltung zur Steuerung der dezidierten Digital/Analog-Wandler Verwendung.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Claims

1. Verfahren zur Steuerung von Anlagen oder Prozessen mittels eines Steuerrechners, dadurch gekennzeichnet, daß eine variierbare und unbegrenzte Zahl von Stellgebern und/oder Meßgrößenwandlern als Adapter in einer Kaskade miteinander verbunden werden und eine lineare Adapterkette variabler Länge bilden, wobei jeweils ein Adapter mit dem nachfolgenden Adapter der Adapterkette über einen Adapterbus elektrisch verbunden wird, daß ein Adapter der Adapterkette über einen Datenbus mit einer Standardschnittstelle des Steuerrechners elektrisch verbunden wird und daß der Steuerrechner mit jedem Adapter über einen Datenbus und die Adapterbusse digital kommuniziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerrechner mit Hilfe einer digitalen Adapterkennung die Zahl und Art der Adapter erkennt und sich damit das Steuersystem selbst konfiguriert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung über ein Steuerprotokoll geregelt wird, wobei jeder Adapter der Adapterkette sequentiell und in festgelegter Reihenfolge mit dem Steuerrechner kommuniziert und ein Datenprotokoll die Kommunikation der Adapter untereinander regelt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerrechner über eine standardisierte parallele Schnittstelle mit der Adapterkette kommuniziert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Steuerung einer Beleuchtungsanlage eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Steuerung einer bühnentechnischen Anlage eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Steuerung einer Ton- und/oder Videoanlage eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerrechner eine Adapterkette zur Steuerung von Beleuchtung-, Bühnen- und/oder Tontechnik gleichzeitig ansteuert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ein- und Ausgaben des Steuersystems von und zu dem Betriebspersonal allein über den Steuerrechner erfolgen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung von parallelen, digitalen Daten auf einem Datenbus stattfindet, wobei die Datenübertragung bi- oder unidirektional ist.

11. Vorrichtung zur Steuerung von Anlagen oder Prozessen umfassend einen Steuerrechner mit einer Standardschnittstelle und mehreren Adaptern, dadurch gekennzeichnet, daß eine variierbare und unbegrenzte Zahl von Stellgebern und/oder Meßgrößenwandlern als Adapter in einer Kaskade miteinander verbunden sind und eine lineare Adapterkette variabler Länge bilden, wobei jeweils ein Adapter mit dem nachfolgenden Adapter der Adapterkette über einen Adapterbus elektrisch verbunden ist und daß ein Adapter der Adapterkette über einen Datenbus mit einer Standardschnittstelle elektrisch verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardschnittstelle eine parallele Schnittstelle ist.