DE19811584C2 - Signalkonverter - Google Patents
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23N5/20—Systems for controlling combustion with a time programme acting through electrical means, e.g. using time-delay relays
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Description
Die Erfindung betrifft einen Signalkonverter, das
heißt eine Ein/Ausgabeschaltung für Prozeßkontroll- und Pro
zeßsteuersignale, in der die von verschiedenen Sensoren er
haltenen Signale zur späteren Verarbeitung umgewandelt wer
den. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Signalkonver
ter für Prozeßsignale, wobei der Signalkonverter für die
Mehrpunkteingabe von Temperaturwandlern wie Thermowiderstän
den und Thermoelementen und für eine Mehrbereichsoperation
vorgesehen und wobei zur Prozeßsteuerung an einer großen An
zahl von Stellen Ausgabemodule für Prozeßsteuersignale in
stalliert sind.
Zur Prozeßsteuerung sind im allgemeinen in einer Pro
duktionsanlage verschiedene Sensoren oder Meßwandler angeord
net, etwa Druck- bzw. Druckdifferenzmeßgeräte oder Thermoele
mente und Thermowiderstände, um z. B. die Drücke und Tempera
turen an verschiedenen Stellen der Anlage zu erfassen. Die
Meßwerte von den Sensoren werden in einen Zentralrechner ein
gegeben, der den Betriebszustand der Anlage überwacht und der
die Arbeitsabläufe in der Anlage entsprechend den gemessenen
Werten steuert. In der Regel können die von den Sensoren er
zeugten Meßwerte nicht direkt im Zentralrechner verarbeitet
werden. Die Meßwerte von den Sensoren sind zum Beispiel vor
der Eingabe in den Zentralrechner in Signale umzuwandeln, die
im Bereich von 1 Volt (V) Gleichspannung bis 5 V Gleichspan
nung liegen. Dazu ist gewöhnlich zwischen die Sensoren und
den Zentralrechner ein Signalkonverter geschaltet, der die
Signale entsprechend umwandelt.
Zusätzlich zu einem solchen Signalkonverter für die
Eingangssignale von den Sensoren ist in einer Produktionsan
lage in der Regel eine Mehrpunkt-Steuersignalausgabeeinheit
vorgesehen, die die Steuersignale, die der Zentralrechner zur
Prozeßsteuerung etwa gemäß einer PID-Regelung errechnet und
ausgibt und die z. B. im Bereich von 4 Milliampere (mA)
Gleichstrom bis 20 mA Gleichstrom oder im Bereich von 1 V
Gleichspannung bis 5 V Gleichspannung liegen, in für die
Steuerung bestimmter Ventile geeignete Signale umwandelt.
Anhand des in der Fig. 5 der Zeichnung gezeigten Bei
spiels für den Aufbau einer einfachen Produktionsanlage er
folgt nun eine Beschreibung des herkömmlichen Systems. Der
Aufbau umfaßt zwei Regelkreise, die jeweils einen einfachen
Prozeß zur Steuerung des Betriebs eines Kessels darstellen,
bei dem die Brennstoffzufuhr zum Kessel derart geregelt wird,
daß die Dampftemperatur konstant bleibt.
Die Anlage der Fig. 5 umfaßt einen Zentralrechner
201, der arithmetische Steueroperationen wie PID-Berechnungen
ausführt, und eine Prozeß-Ein/Ausgabeeinheit (PIO-Einheit)
502, die eine Analog-Digital-Umwandlung ausführt, um Ana
logsignale von einem Konverter in Digitalsignale umzuwandeln
und die daher als Kommunikationsinterface für den Zentral
rechner 201 dient. Die PIO-Einheit 502 umfaßt ihrerseits eine
Analogeingabeschaltung 503, eine Analogausgabeschaltung 504,
ein Kommunikationsinterface 505 und eine Stromversorgung 506.
Eine Kommunikationsleitung 507 verbindet die PIO-Einheit 502
mit dem Zentralrechner 201. Darüberhinaus gibt es eine Si
gnalkonvertereinheit 508 für die Umwandlung der Signale von
Sensoren mit Signalkonvertermodulen 509 bis 512, einem Inter
face 513 zur Aufnahme der Analogsignale von einer Anzahl von
Konvertermodulen, um sie zur Eingabeschaltung 503 der PIO-
Einheit 502 zu führen, einer Stromversorgung 514 und einer
Signalleitung 515 zur PIO-Einheit 502. Die Fig. 5 zeigt des
weiteren eine Anschlußleisteneinheit 516 zum Weiterleiten der
Ausgangssignale von der Ausgabeschaltung 504 der PIO-Einheit
502 mit Anschlußleisten 517 und 518 und einem Interface 519
zur Signalübertragung. Die Einheit 516 ist mit einer Anzahl
von Anschlußleisten für gewöhnlich 8, 16 oder 32 Punkten ver
sehen. Die Anschlußleisten schließen einen externen Verbin
dungsanschluß ein, an den ein Steuerventil oder dergleichen
angeschlossen wird und der in gewöhnlichen Fällen einem M4-
Schraubanschluß entspricht. Die Anschlußleisteneinheit 516
ist nicht an der PIO-Einheit 502, sondern unabhängig davon
angeordnet. Das System umfaßt des weiteren Durchflußratenmeß
geräte 221(1) und 221(2), Steuerventile 222(1) und 222(2),
Temperatursensoranschlüsse 223(1) und 223(2) und Kessel
224 (1) und 224 (2).
Es wird nun die Arbeitsweise dieses Systems beschrie
ben.
Zur Umwandlung werden zuerst die Signale von den
Durchflußmeßgeräten 221(1) und 221(2) und den Temperatursen
soranschlüssen 223(1) und 223(2) zu den Konvertermodulen 509
bis 512 der Signalkonvertereinheit 508 geführt. Die Einheit
508 ist mit einer Anzahl von Anschlußleisten für 8, 16 oder
32 Punkte verbunden. Die Signale aus den jeweiligen Modulen
werden dann zum Interface 513 geführt, um über die Leitung
515 der Eingabeschaltung 503 der PIO-Einheit 502 eingegeben
zu werden. Die Eingabeschaltung 503 wandelt das analoge Ein
gangssignal von der Signalkonvertereinheit 508 in ein Digi
talsignal um. Das vom Digitalsignal dargestellte Prozeßsignal
wird dann über das Interface 505 zum Zentralrechner 201 über
tragen.
Der Rechner 201 führt am erhaltenen Prozeßsignal eine
arithmetische Operation wie eine PID-Operation aus und ermit
telt ein Steuerausgangssignal. Dieses Signal wird über die
Leitung 507 und das Interface 505 zur Analogausgabeschaltung
504 geführt. Die Schaltung 504 wandelt die Digitalsignale in
Analogsignale um und erzeugt so Steuerausgangssignale, die
Ausgangssignale für den ersten Regelkreis und Ausgangssignale
für den zweiten Regelkreis sind. Diese Ausgangssignale werden
über die Leitung 520 und das Interface 519 zu der Anschluß
leisteneinheit 516 geführt, um von da über die Anschlußschal
tungen 517 und 518 zu den Steuerventilen 222(1) und 222(2)
geführt zu werden.
Die Prozesse des ersten und zweiten Regelkreises
stellen ein einfaches Beispiel für die Zuführung von Brenn
stoff zum Kessel zur Regelung der Dampftemperatur dar. Es
entsteht so ein Regelkreis, bei dem die Dampftemperatur und
die Brennstoff-Durchflußrate gemessen werden und an den Meß
werten eine PID-Operation ausgeführt wird, um Steuersignale
für die Brennstoffventile zu erzeugen.
Es werden nun die Konvertermodule 509 bis 512 der Si
gnalkonvertereinheit 508 genauer beschrieben.
An die Sensoranschlußstellen sind verschiedene Arten
von Sensoren angeschlossen, und die erhaltenen Signale vari
ieren über einen großen Bereich. Es ist daher erforderlich,
im Konvertermodul die Verstärkung und die Vorspannung der
Verstärkerschaltung darin auf den jeweils angeschlossenen
Sensor einzustellen. Wenn eine elektrische Trennung erforder
lich ist, ist eine Isolierschaltung vorzusehen.
Es wird im folgenden ein herkömmliches Konvertermodul
für einen Thermoelementsensor (insbesondere ein Thermoelement
vom Typ K mit einem Betriebsbereich von 300°C bis 600°C) be
schrieben.
Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines solchen, ersten
Konvertermoduls.
Der Aufbau der Fig. 3 umfaßt einen Eingangsanschluß
1, einen Eingangsverstärker 2, einen Verstärkungseinstellwi
derstand Rg 3 zum Einstellen der Verstärkung des Verstärkers
2, eine Vorspannungs-Stromversorgung 4, eine Vorspannungsein
stellschaltung 5, eine Isolierschaltung 6, eine Ausgangs
schaltung 7 und einen Ausgangsanschluß 8.
Die Thermoelementsignale für die Temperaturen im Be
reich von 300°C bis 600°C werden im Konvertermodul in Span
nungssignale im Bereich von 1 V Gleichspannung bis 5 V
Gleichspannung umgewandelt, um in die PIO-Einheit 502 einge
geben werden zu können. Bei der Umwandlung werden die Werte
für die thermoelektromotorische Kraft des Thermoelements, die
im Bereich von 12,207 mV bis 24,902 mV liegen, mit etwa 315
multipliziert, um Spannungen im Bereich von 3,846 V bis 7,846
V zu erhalten. Durch das Hinzuaddieren einer Vorspannung von
-2,846 V werden dann Spannungswerte im Bereich von 1 V
Gleichspannung bis 5 V Gleichspannung erhalten. Wenn der Sen
sor ein K-Typ-Thermoelement mit einem Betriebsbereich von
300°C bis 600°C ist, ist es daher erforderlich, vorab die
Vorgabewerte einzustellen, d. h. 315 als den Wert für die Ver
stärkung und -2,846 V als Vorspannung. Das erste Konvertermo
dul wird daher wie folgt initialisiert: Zuerst wird der Ver
stärkungseinstellwiderstand 3 entsprechend eingestellt, um
die Verstärkung des Verstärkers 2 auf den Wert von 315 zu
bringen, und dann werden die Vorspannungs-Stromversorgung 4
und die Vorspannungseinstellschaltung 5 so eingestellt, daß
die Vorspannung -2,846 V beträgt.
Die Werte für die Verstärkung und die Vorspannung
sind somit entsprechend der Art des Sensors und dem Bereich
der von diesem erzeugten Eingangssignale vorher zu berechnen,
und die Schaltungsparameter des ersten Konvertermoduls sind
demgemäß einzustellen.
Anhand der Fig. 4 erfolgt nun die Beschreibung eines
Beispiels für ein zweites Konvertermodul mit einem Mikropro
zessor.
In der Fig. 4 haben gleiche Komponenten wie in der
Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen. Die Konfiguration umfaßt
einen Eingangsanschluß 1, einen Eingangsverstärker 2, eine
Ausgangsschaltung 7, einen Ausgangsanschluß 8, einen Analog-
Digital-Konverter 9, eine digitale Signalverarbeitungsschal
tung 10 mit einem Mikrocomputer MPU, eine Isolierschaltung 11
und einen Digital-Analog-Konverter 12.
Bei diesem Beispiel kann der Sensortyp und der Si
gnalbereich in der Signalverarbeitungsschaltung 10 einge
stellt werden. Während beim obigen ersten Konvertermodul der
Verstärkungseinstellwiderstand und die Vorspannungs-Strom
versorgung so eingestellt wurden, daß für jeden Sensortyp der
entsprechende Signalbereich erhalten wurde, werden beim zwei
ten Konvertermodul die Meßbereiche für die jeweiligen Senso
ren wie Thermoelemente und Thermowiderstände auf den ganzen
möglichen Wertebereich eingestellt, und die entsprechenden
Signalbereiche werden durch arithmetische Operationen in der
Schaltung 10 bestimmt. Zum Beispiel umfaßt der Meßbereich von
Thermoelementen Werte für die elektromotorische Kraft von -10
mV bis 80 mV. Entsprechend diesem Bereich werden der Ein
gangs-Nullpunkt und die Eingangssignalspanne für die Ein
gangssignale eingestellt. Wenn zum Beispiel das Eingangs
signal im Verstärker 2 mit 89 multipliziert wird und zum ver
stärkten Wert eine Spannung von 1,9 V addiert wird, werden
Signale im Bereich von -10 mV bis 80 mV in Signale im Bereich
von 1 V bis 9 V umgewandelt. Wenn der A/D-Konverter 9 nun
einen Eingangsbereich von 0 V bis 10 V aufweist und der Be
reich von 0 V bis 1 V sowie der Bereich von 9 V bis 10 V ein
Unterlaufbereich bzw. Überlaufbereich ist, kann das Modul für
jede Art von Thermoelement einschließlich K- und E-Typ-Ther
moelementen verwendet werden, da die anderen erforderlichen
Einstelloperationen über arithmetische Operationen in der
Signalverarbeitungsschaltung 10 ausgeführt werden.
Die Signalverarbeitungsschaltung 10 umfaßt einen
Speicherbereich zum Speichern der Sensortypen und Signalbe
reiche; darüberhinaus sind Datentabellen zum Linearisieren
der Ausgangswerte einer Anzahl von Sensoren vorgesehen. Als
Korrekturdaten für Thermoelemente sind zum Beispiel die Werte
der thermoelektromotorischen Kraft gemäß der Definition im
japanischen Industriestandard (JIS) geeignet. Wenn solche
Werte vorab als Datentabelle von Korrekturdaten gespeichert
werden, kann bei der Linearisation der Daten leicht eine In
terpolation erfolgen.
Bei diesem Aufbau werden, wenn wie beim ersten Kon
vertermodul ein Thermoelement des Typs K mit einem Betriebs
bereich von 300°C bis 600°C an den Eingangsanschluß ange
schlossen werden soll, der Thermoelementtyp und der Signalbe
reich vorab als "Typ K" und "von 300°C bis 600°C" in die Si
gnalverarbeitungsschaltung 10 eingegeben. In der Schaltung 10
ist festgelegt, daß dabei der Eingangs-Nullpunkt auf 12,207
mV eingestellt wird und ein Ausgangssignal von 1 V Gleich
spannung 300°C entspricht; darüberhinaus reicht die Eingangs
signalspanne bis zu 24,902 mV, und ein Ausgangssignal von 5 V
Gleichspannung entspricht 600°C. Die Bereichsfestlegung und
die Signalverarbeitung erfolgt unter diesen Bedingungen. Zur
Korrektur wird in der Datentabelle der Abschnitt ausgewählt,
der den Bereich von 300°C bis 600°C betrifft.
Das zweite Konvertermodul kann daher die gewünschten
Ausgangssignale erzeugen, wenn nur der Sensortyp und der Ein
gangssignalbereich eingestellt werden. Insbesondere brauchen
bei diesem Modul keine Schaltungsparameter gemäß dem Sensor
typ und dem Signalbereich berechnet und eingestellt werden,
wie dies beim ersten Konvertermodul erforderlich war.
Die oben als Beispiele für den Stand der Technik be
schriebenen Konvertermodule haben die folgenden Nachteile.
Jedesmal, wenn sich der Sensortyp und der Signalbe
reich ändern, müssen beim ersten Konvertermodul die Verstär
kungs- und Vorspannungswerte zum Einstellen der Schaltungspa
rameter neu berechnet und geändert werden.
Bei der Prozeßsignalverarbeitung wird jedoch in der
Regel eine große Anzahl von Konvertermodulen verwendet. Es
ist daher üblich, die Konvertermodule als Blöcke in der Art
der Signalkonvertereinheit 508 der Fig. 5 auszubilden, wobei
die Konvertermodule in Gruppen für 8, 16 oder 32 Punkte zu
sammengefaßt werden, was den Installationsraum und den Ver
drahtungsaufwand verringert. Die Gesamtschaltung kann so mit
relativ geringen Kosten erstellt werden. Die einzelnen Ele
mente bzw. Module der Mehrpunkt-Signalkonvertereinheit erfor
dern jedoch bei dem obigen Aufbau mit ersten Konvertermodu
len, daß an jedem Punkt eine Bestimmung und Einstellung der
Verstärkung und der Vorspannung erfolgt.
Bei den zweiten Konvertermodulen brauchen dagegen die
Verstärkung und die Vorspannung nicht bei jeder Änderung des
Sensortyps und des Signalbereichs im Schaltungsbereich erneut
festgelegt und eingestellt zu werden. Mit einem hochpräzisen
A/D-Konverter und einem Mikrocomputer läßt sich ein Konver
termodul aufbauen, das nur durch die Eingabe des Sensortyps
und des Signalbereichs betrieben werden kann. Es ist jedoch
dabei an jedem Punkt ein A/D-Konverter, ein Mikrocomputer und
ein D/A-Konverter erforderlich. Bei einem Mehrpunktsignalkon
verteraufbau dieser Art erhöht daher das zweite Konvertermo
dul die Gesamtkosten für das System beträchtlich.
Darüberhinaus tritt, auch wenn bei einer Anzahl der
obigen ersten oder zweiten Konvertermodule die Verstärkung
und die Vorspannung nominell gleich sind, aufgrund von
Schwankungen in der Qualität der einzelnen Bauteile ein Feh
ler von mehreren Prozent auf. Um diesen Fehler zu korrigie
ren, wurde bisher in den Modulen ein variabler Widerstand
oder dergleichen vorgesehen, was jedoch einen erheblichen
Aufwand darstellt.
Außerdem sind die PIO-Einheit, die Signalkonver
tereinheit und die Anschlußleisteneinheit bei dem herkömmli
chen Aufbau der Fig. 5 voneinander getrennt. Wenn daher bei
der Wartung des Systems die einzelnen Regelkreise überprüft
werden, wird der Signalkonverter für die Eingangsprüfung ver
wendet und die Anschlußleisteneinheit für die Ausgangsprüfung
betrieben. Das heißt, daß bei der Regelkreisüberprüfung für
jedes Eingangs- und Ausgangssignal das Konvertermodul und die
Anschlußleiste einzeln identifiziert werden müssen.
Ein anderes System zur Verbindung von Sensoren mit einem
Zentralrechner ist in DE 34 33 760 A1 offenbart, von der der Ober
begriff des Anspruchs 1 ausgeht. Dieses System enthält mehrere
gleichartige Grundgeräte, die jeweils eine Anzahl Einheits-Steck
verbindungen zur Verbindung mit Adaptern für unterschiedliche
Sensoren aufweisen. Die Adapter dienen der Verstärkung der Sen
sorsignale und enthalten Eichgrößen für den jeweiligen Sensor.
Vorkehrungen zur Ausgabe von Steuersignalen vom Zentralrechner an
eine Produktionsanlage sind in dieser Druckschrift nicht ange
sprochen. Darauf bezieht sich DE 35 42 162 A1 zu diesem Zweck
der Anschluß von Steuer-Adaptern an die Einheits-Steckverbindun
gen vorgeschlagen wird. Weitere Einzelheiten dazu sind nicht an
gegeben.
Ein weiteres modulares System zur Verbindung eines Sensors
mit einem Zentralrechner ist in US 5,070,732 angegeben. Dieses
System ähnelt dem bereits erläuterten Stand der Technik nach
Fig. 4, indem Meßwerte eines Sensors zunächst digitalisiert, dann
einer Korrekturrechnung entsprechend der Kalibrierung das Sensors
unterworfen und schließlich wieder in analoger Form ausgegeben
werden. Für jeden Sensor ist ein Sensormodul mit einem Speicher
für Kalibrierungsdaten vorgesehen. Das System enthält auch einen
in Abhängigkeit von den Meßwerten programmierbaren elektronischen
Schalter, dar nicht vom Zentralrechner aus ansteuerbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Signalkon
verter zur Übermittlung von Signalen von Sensoranschlüssen an ei
nen Zentralrechner und umgekehrt vom Zentralrechner zu Operati
onsanschlüssen einer Anlage zu schaffen, der bei geringem Aufwand
flexibel an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem in Anspruch 1 an
gegebenen Signalkonverter. Die Unteransprüche sind auf bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Die Erfindung ermöglicht es, daß Konvertereingangs- und Kon
verterausgangsmodule flexibel an unterschiedlichen Anschlüssen
der Verbindungseinheiten installiert und von diesen wieder ent
fernt werden können.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Signalkonverter,
der die Signale von einer Anzahl von Sensoranschlüssen auf
nimmt, um die physikalischen Größen einer Produktionsanlage
zu erfassen, der an den Signalen die erforderliche Verarbei
tung ausführt, um die Signale zu einem Zentralrechner geben
zu können, und der die Signale vom Zentralrechner zu Operati
onsanschlüssen in der Anlage überträgt. Der Signalkonverter
umfaßt wenigstens ein Konvertereingangsmodul mit einem Ver
stärker für die Aufnahme des Signals von einem Sensoranschluß
und das Ausführen einer vorgegebenen Verstärkungsoperation am
Signal und mit einem Speicher, in dem Informationen für den
Sensoranschluß und den Verstärker gespeichert sind, wenig
stens ein Konverterausgangsmodul mit einer Steuersignalaus
gangsschaltung zum Umwandeln der Signale vom Zentralrechner
in vorgegebene Steuersignale, die dann zum Operationsanschluß
geführt werden, und mit einem Speicher, in dem Informationen
für den Operationsanschluß und die Steuersignalausgangsschal
tung gespeichert sind, sowie einen Signalverarbeitungsab
schnitt mit einer Verbindungseinheit zum Verbinden der Kon
vertereingangsmodule mit einer Signalverarbeitungsschaltung
zur Signalverarbeitung für die Kommunikation mit dem Zentral
rechner.
Diese Lösung zeichnet sich dadurch
aus, daß die Konvertereingangs- und Konverterausgangsmodule
mit minimalem Aufwand aufgebaut werden können, was die Kosten
verringert, und daß der Signalverarbeitungsabschnitt die Li
nearisierung und die Bereichsfestlegung für eine Anzahl von
Konvertermodulen ausführt, wodurch sich der Aufwand für den
Signalverarbeitungsabschnitt auf 1/n (n = 8, 16 oder 32) des
ursprünglichen Aufwands verringert. Jedes Konvertermodul be
inhaltet einen Speicher zum Speichern von Informationen über
den angeschlossenen Sensor bzw. das angeschlossene Gerät und
zum Einstellen der Daten für das Modul, so daß die Module
ersetzt werden können, ohne daß Einstellvorgänge erforderlich
sind.
Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Si
gnalkonverter werden im folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Signalkonverters;
Fig. 2 die Darstellung eines Signalverarbeitungssy
stems, bei dem der erfindungsgemäße Signalkonverter verwendet
wird;
Fig. 3 ein erstes Beispiel für den Aufbau eines her
kömmlichen Signalkonvertermoduls;
Fig. 4 ein zweites Beispiel für den Aufbau eines her
kömmlichen Signalkonvertermoduls;
Fig. 5 die Darstellung eines Signalverarbeitungssy
stems, bei dem der herkömmliche Signalkonverter verwendet
wird;
Fig. 6 ein Flußdiagramm für die Signalverarbeitung im
erfindungsgemäßen Signalkonverter;
Fig. 7 eine Darstellung des Speicherinhalts eines
nichtflüchtigen Speichers;
Fig. 8 eine Darstellung der Datenanordnung in einer
Moduldatentabelle;
Fig. 9 die Darstellung einer Eingabeabfragetabelle;
Fig. 10 die Darstellung einer Ausgabeabfragetabelle;
und
Fig. 11 die Darstellung einer Ausgangssignal-Datenta
belle.
Es werden im folgenden einige Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt ein einfaches Beispiel für ein Pro
zeßsteuersystem, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet
wird.
Das System umfaßt einen Zentralrechner 201; eine Kom
munikationsleitung 207; einen Signalkonverter 208 mit Konver
tereingangsmodulen 209 bis 212, Konverterausgangsmodulen 225
und 226, einem Interface 213, einer Stromversorgung 214 und
einem Signalverarbeitungsabschnitt 208'; Durchflußratenmeßge
räte 221(1) und 221(2); Steuerventile 222(1) und 222(2); Tem
peratursensoranschlüsse 223(1) und 223(2) und Kessel 224(1)
und 224(2). Dieses Beispielsystem weist, wie das der Fig. 5,
zwei Regelkreise auf, von denen jeder einen einfachen Prozeß
ausführt, bei dem Brennstoff so zum Kessel 224 geführt wird,
daß die Dampftemperatur davon geregelt ist.
Die Arbeitsweise dieses Aufbaus gemäß der vorliegen
den Erfindung wird nun kurz erläutert. Zuerst werden die Si
gnale vom Durchflußmeßgerät 221(1) und 221(2) und von den
Sensoranschlüssen 223(1) und 223(2) zu den Konvertereingangs
modulen 209 bis 212 geführt und anschließend im Signalverar
beitungsabschnitt 208' in digitale Werte umgewandelt. Die
verarbeiteten Signale aus den einzelnen Konvertereingangsmo
dulen werden dann vom Interface 213 aufgenommen, um über die
Leitung 207 zum Zentralrechner 201 geführt zu werden.
Der Rechner 201 führt an den aufgenommenen Prozeßsi
gnalen arithmetische Operationen wie PID-Operationen aus, um
Steuerwerte zu erzeugen. Diese Werte werden über die Leitung
207 und das Interface 213 wieder dem Signalverarbeitungsab
schnitt 208' zugeführt. Im Abschnitt 208' werden die digita
len Werte in analoge Werte umgewandelt, damit sie als Steuer
ausgangssignale für den ersten bzw. zweiten Regelkreis zu den
Konverterausgangsmodulen 225 und 226 geführt werden können.
Die Module 225 und 226 verstärken die erhaltenen Signale, um
die endgültigen Steuerausgangssignale zum Ansteuern der Ven
tile 222(1) und 222(2) zu erzeugen, und geben sie an das
Steuerventil 222(1) bzw. 222(2) aus.
Wie sich aus dieser Erläuterung der Vorgänge bei der
Verarbeitung der Signale von der Produktionsanlage wie den
Signalen von bzw. für das Durchflußmeßgerät und das Steuer
ventil und der Signale vom Zentralrechner 201 ergibt, sind
die drei Einheiten des herkömmlichen Signalkonverters der
Fig. 5, die PIO-Einheit 502, die Signalkonvertereinheit 508
und die Anschlußleisteneinheit 516, bei der erfindungsgemäßen
Ausführungsform der Fig. 2 im Signalkonverter 208 zusammenge
faßt.
Anhand der Fig. 1 wird die Funktionsweise des erfin
dungsgemäßen Signalkonverters beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Teil
des Signalkonverters 208 der Fig. 2, bei dem nur die beiden
Eingänge und der eine Ausgang für den ersten Regelkreis dar
gestellt sind. Der Aufbau umfaßt somit die beiden Konver
tereingangsmodule 209 und 210 mit jeweils einem Eingangsan
schluß 1, einem Eingangsverstärker 2, einer Isolierschaltung
6, einer Ausgangsschaltung 7 und einem nichtflüchtigen Spei
cher 14; das Konverterausgangsmodul 225 mit einem Steueraus
gangsanschluß 22, einer Steuerausgangsschaltung 23, einer
Analogsignal-Halteschaltung 24 und ebenfalls einem nicht
flüchtigen Speicher 14; den Signalverarbeitungsabschnitt 208'
mit einer Verbindungseinheit mit drei Multiplexern (MPX) 15,
16 und 25, einem A/D-Konverter 9, einer digitalen Signalver
arbeitungsschaltung 10, einer Kommunikationsschaltung 13,
einem D/A-Konverter 27 und einem Ausgangsanschluß 28.
Die Eingangsmodule 209 und 210 und das Ausgangsmodul
225 der Fig. 1 werden wie in der Fig. 2 gezeigt modular zu
sammengesetzt. Die zugehörigen Komponenten sind mit den glei
chen Bezugszeichen bezeichnet. Die einzelnen Module sind mit
dem Signalverarbeitungsabschnitt 208' verbunden. Der Signal
verarbeitungsabschnitt 208' umfaßt die Verbindungseinheit mit
den Multiplexern 15, 16 und 26, die jeweils mit einer Anzahl
von Modulen wie den Eingangsmodulen 209 und 210 und dem Aus
gangsmodul 225 sowie den nichtflüchtigen Speichern in den Mo
dulen verbunden sind. Die Multiplexer weisen für die Verbin
dung mit einem Eingangsmodul und/oder einem Ausgangsmodul
einen entsprechenden Eingangs/Ausgangsanschluß bzw. Anschlüs
se für den nichtflüchtigen Speicher 14 auf. Es können belie
big viele Multiplexer mit beliebig vielen Anschlüssen als
Verbindungselemente verwendet werden, zum Beispiel 8, 16 oder
32 Verbindungselemente. In der Fig. 1 sind die ersten beiden
Verbindungselemente bzw. Anschlüsse der Multiplexer 15 und 26
jeweils für ein Eingangsmodul vorgesehen und das dritte Ver
bindungselement bzw. der dritte Anschluß für das Ausgangsmo
dul, um die Ein- und Ausgangssignale zu und vom ersten Regel
kreis der Fig. 2 weiterzuleiten.
Beispielhaft wird nun anhand des Moduls 210 die Ar
beitsweise eines Konvertereingangsmoduls für die Verarbeitung
der Sensoreingangssignale beschrieben.
Das Konvertereingangsmodul stellt ein Interface dar,
das in Abhängigkeit von der angeschlossenen Vorrichtung wie
einem Thermoelement, einem Temperaturwiderstand, einem Meß
wandler oder dergleichen verschieden ausgestaltet ist. Das
heißt, daß das Modul speziell für die an den Eingangsanschluß
angeschlossene Vorrichtung vorgesehen ist. Der Grundaufbau
des Moduls entspricht jedoch dem in der Fig. 1 gezeigten Auf
bau, damit alle Eingangsmodule die gleichen Operationen aus
führen, bei denen das Eingangssignal vom Verstärker 2 auf
eine vorgegebene Spannung verstärkt wird und die aus der
Schaltung 7 ausgegebenen Signale von der Schaltung 6 isoliert
werden.
Wenn der an den Eingangsanschluß 1 des Moduls 210 an
geschlossene Temperatursensor 223 ein Thermoelement vom Typ K
mit einem Betriebsbereich von 300°C bis 600°C ist, wird das
Modul 210 wie folgt vorab eingestellt: Der Verstärker 2 weist
eine Verstärkung auf, bei der das Eingangssignal mit 89 mul
tipliziert wird, und die Vorspannung ist gleich 1,9 V, wie im
Beispiel der Fig. 4.
Jedes der Eingangs- und Ausgangsmodule weist einen
nichtflüchtigen Speicher 14 auf. Die Fig. 7 zeigt den Inhalt
des Speichers 14. Wie sich aus dieser Datenanordnung ergibt,
sind in den Speicher 14 die Einstelldaten für die in die je
weiligen Module eingegebenen und davon ausgegebenen Signale,
Daten über die Sensortypen und Meßbereiche und Daten für die
Linearisierung eingeschrieben.
Da beim vorliegenden Beispiel das Eingangsmodul 210
für ein Thermoelement verwendet wird, sind die Vorgabewerte
für die Verstärkung und die Vorspannung 89 bzw. 1,9 V. Auch
bei gleichen Vorgabewerten tritt jedoch von einem Modul zum
anderen ein Fehler von mehreren Prozent aufgrund von Schwan
kungen in der Qualität der Bauteile davon auf. Um den Fehler
zu korrigieren, wird nicht wie beim Stand der Technik ein
veränderbarer Widerstand oder dergleichen vorgesehen, sondern
es werden erfindungsgemäß vorher Eingangs- und Ausgangsdaten
aufgenommen, um daraus Einstelldaten zu erzeugen, die eine
Korrektur mittels arithmetischer Operationen erlauben. Auch
wenn die Präzision der Linearisierung von der Größenordnung
der zu linearisierenden Daten abhängt, kann für ein Thermo
element eine Genauigkeit von etwa 0,1% garantiert werden,
wenn die Daten mit einem Intervall von etwa 10°C vorbereitet
werden. Da nur wenige Daten zu speichern sind, kann der
nichtflüchtige Speicher 14 ein kostengünstiger Speicher mit
seriellem Interface und einer Kapazität von etwa 512 Bit
sein.
Anhand des Flußdiagramms der Fig. 6 erfolgt nun eine
Beschreibung der Arbeitsweise des Signalverarbeitungsab
schnitts 208'. Die Vorgänge der Fig. 6 werden nach dem Ein
schalten des Systems und in bestimmten Zeitabständen danach
ausgeführt. Die Wiederholung erfolgt, um auch den Fall zu
erfassen, bei dem der Verstärkerabschnitt im aktiven Zustand
ersetzt wird.
Zuerst wird die Verarbeitung des Sensorsignals im Ab
schnitt (1) des Flußdiagramms beschrieben.
Zuerst fragt der Multiplexer 16 den Speicher 14 jedes
Moduls ab, das an den Signalverarbeitungsabschnitt 208' ange
schlossen ist, um daraus die erforderlichen Informationen
auszulesen (Schritt 601).
Dann wird mit den aus den jeweiligen Modulen erhalte
nen Daten eine Moduldatentabelle erstellt (Schritt 602). Die
Fig. 8 zeigt ein Beispiel für eine solche Tabelle. Für jedes
abgefragte Modul sind in der Tabelle eine Anzeige für die
Eingabe- oder Ausgabeoperation des Moduls, die Art der Ein
gangssignale bei einem Eingangsmodul (d. h. von einem Thermo
element, einem Thermowiderstand, einem Meßwandler oder der
gleichen), der Meßbereich der Eingangssignale und erforderli
chenfalls Daten für die Einstellung und Linearisierung ge
speichert.
Gemäß den Daten, die eine Eingabe- oder Ausgabeopera
tion der Module in der Tabelle anzeigen, wird eine Eingabeab
fragetabelle und eine Ausgabeabfragetabelle erstellt, wie es
in der Fig. 9 bzw. der Fig. 10 dargestellt ist (Schritt 603).
Im vorliegenden Fall wird in Verbindung mit einem Eingangsmo
dul eine "1" an jeder entsprechenden Adresse der Eingabeab
fragetabelle gesetzt und in Verbindung mit einem Ausgangsmo
dul eine "1" an jeder entsprechenden Adresse der Ausgabeab
fragetabelle.
Der Multiplexer 15 sucht dann jedes Modul, das an den
Signalverarbeitungsabschnitt 208' angeschlossen ist, nach
Eingangssignalen ab (Schritt 604). Der Multiplexer 15 führt
die Abfrage auch dann vollständig durch, wenn an den Ab
schnitt 208' auch oder nur Ausgangsmodule angeschlossen sind
oder Anschlüsse vorhanden sind, die nicht mit einem Modul
verbunden sind.
In Übereinstimmung mit der Eingangsabfragetabelle
werden nur die Eingangssignale von Modulen angenommen, die
als Eingangsmodule erkannt wurden, und diese Signale werden
von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 10 umgewandelt
und von der Kommunikationsschaltung 13 am Ausgangsanschluß 28
ausgegeben (Schritt 605). Bei der Umwandlung werden die Daten
des Eingangssignals, die über den A/D-Konverter 9 erhalten
werden, gemäß den Einstelldaten für jedes Modul verarbeitet,
die vorher in der Moduldatentabelle gespeichert wurden. Dann
werden gemäß dem Sensortyp, dem Meßbereich des Sensors und
den Linearisierungsdaten eine Bereichsoperation und eine Li
nearisierungsoperation ausgeführt, um Ausgangswerte zu erzeu
gen. Im Gegensatz zum herkömmlichen Beispiel der Fig. 4, bei
dem die Ausgangswerte in Analogwerte umgewandelt wurden, wer
den bei der vorliegenden Ausführungsform die Ausgangsdaten
aus folgendem Grund von der Kommunikationsschaltung 13
digital übertragen: Auch wenn die Daten als Analogsignale
erhalten werden, wandelt der Zentralrechner die Analogsignale
zur Verarbeitung in Digitalsignale um. Es ist natürlich auch
möglich, in der Stufe nach der digitalen Signalverarbeitungs
schaltung 10 eine D/A-Konverterschaltung und eine Ausgabe
schaltung vorzusehen, um Analogsignale auszugeben.
Es wird nun die Ausgabe von Steuersignalen im Ab
schnitt (2) des Flußdiagramms der Fig. 6 beschrieben.
Die Steuerausgangssignale werden vom Zentralrechner
201 ausgegeben. Der Signalverarbeitungsabschnitt 208' spei
chert beim Erhalt von Steuerdaten, die an ein Ausgabemodul
auszugeben sind, das an die Verbindungseinheit angeschlossen
ist, die Daten in der Ausgangsdatentabelle der Fig. 11
(Schritt 606).
Daraufhin fragt der Abschnitt 208' den Inhalt der Ta
belle ab, um die Steuerdaten zu einem der Module zu übertra
gen. Bei dem Abschnitt 208' der vorliegenden Ausführungsform
wird, auch wenn die ersten beiden Anschlüsse der Verbindungs
einheit mit einem Eingabemodul verbunden sind und nur der
dritte Anschluß der Verbindungseinheit mit einem Ausgabemodul
verbunden ist, die Datenausgabeoperation auf allen Kanälen
ausgeführt. Da die Hardware der Leitungsverbindung bei einem
Eingabemodul anders ist als bei einem Ausgabemodul, werden
die zu einem Eingabemodul ausgegebenen Daten schlicht igno
riert, so daß dadurch keine Schwierigkeiten entstehen.
Beim Aussenden der Daten zum Konverterausgangsmodul
225 werden, wenn das Modul 225 vom Multiplexer 26 angewählt
wurde, die dem Modul 225 zugeordneten Steuerdaten vom D/A-
Konverter 27 in ein Analogsignal umgewandelt und als solches
ausgegeben. Die Daten werden in der Analogsignal-Halte
schaltung 24 des Moduls 225 gehalten. Dann werden die Daten
von der Ausgangsschaltung 23 zum Steuersignalausgangsanschluß
22 gegeben. Die Halteschaltung 24 braucht nur eine einfache
Schaltung mit Kondensatoren zu sein. Die Schaltung 23 ist ein
Spannungs-Strom-Wandler (V/I-Wandler), der ein analoges Span
nungssignal in ein Stromsignal im Bereich von 4 mA Gleich
strom bis 20 mA Gleichstrom umwandelt.
Im Abschnitt (2) erfolgt somit die Ausgangssignalver
arbeitung. Es ist ersichtlich, daß, auch wenn eine Anzahl von
Eingabe- und Ausgabemodulen in der Anordnung vorhanden ist,
die obigen Operationen durch Kombinieren der Eingangssignal
verarbeitung im Abschnitt (1) mit der Ausgangssignalverarbei
tung im Abschnitt (2) durchgeführt werden können.
Nach der Ausgangssignalverarbeitung gemäß Abschnitt
(2) kehrt die Steuerung nach einem festen Zeitintervall zum
Schritt 601 der Fig. 6 zurück, um die Verarbeitung zu wieder
holen.
Bei der Eingangssignalverarbeitung im Schritt 604 und
der Ausgangssignalverarbeitung im Schritt 607 kann die Verar
beitungsgeschwindigkeit dadurch angehoben werden, daß selek
tiv die Verarbeitung nur für Module erfolgt, bei denen eine
"1" in der Eingabe- bzw. Ausgabeabfragetabelle steht.
Dank dieser Verarbeitung lassen sich die PIO-Einheit,
die Konvertereinheit und die Anschlußleisteneinheit der Fig.
5 in einer einzigen Einheit, dem erfindungsgemäßen Signalkon
verter 208, zusammenfassen.
Im Vergleich zu dem herkömmlichen Aufbau der Fig. 5
sind somit bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Fig. 2 die
PIO-Einheit und die Anschlußleisteneinheit nicht erforder
lich. Das heißt, daß sich das System preisgünstiger aufbauen
läßt. Auch die Leitungen zwischen diesen Einheiten sind nicht
erforderlich. Bei der erfindungsgemäßen Konfiguration können
die Eingangs- und Ausgangsmodule für jeden Regelkreis zusam
mengefaßt werden, was die Wartung sehr erleichtert.
Erfindungsgemäß läßt sich das Konvertereingangsmodul
aus einer Verstärkerschaltung, einer Isolierschaltung und
einem nichtflüchtigen Speicher einfach aufbauen. Dadurch wer
den die Kosten für das Modul und damit die Kosten je An
schlußpunkt verringert. Da die Eingangs- und Ausgangsmodule
des Signalkonverters 208 auch gemischt angebracht werden kön
nen, können die Eingangs- und Ausgangssignale für jeden Re
gelkreis zusammen betrachtet werden, was die Wartung erleich
tert.
Wenn das System erfindungsgemäß aufgebaut wird, kön
nen die beim Stand der Technik erforderlichen PIO- und An
schlußleisteneinheiten weggelassen werden. Die Systemkosten
verringern sich dadurch.
Der Signalverarbeitungsabschnitt 208' unterstützt ei
ne Anzahl von Modulen, d. h. für eine Anzahl von Konverterein
gangs- und Konverterausgangsmodulen ist nur ein gemeinsamer
Signalverarbeitungsabschnitt 208' erforderlich. Wenn mit dem
Abschnitt 208' n Module verbunden sind, verringern sich die
Kosten pro Modul auf 1/n der ursprünglichen Kosten. Die vor
liegende Erfindung umfaßt die Grundlage für einen Mehrbe
reichssignalkonverter, bei dem ein Eingangs/Ausgangsmodul ein
und derselben Art für mehrere Bereiche verwendet werden kann,
wodurch sich die Systemkosten ebenfalls vermindern.
Der nichtflüchtige Speicher des Moduls enthält auch
die Einstelldaten, und der variable Widerstand des Standes
der Technik ist nicht erforderlich. Entsprechend ist auch
keine Einstellung des Widerstandes erforderlich, was die Sy
stemkosten weiter vermindert. Es sind keine beweglichen Teile
mehr vorhanden, was die Zuverlässigkeit des Systems erhöht.
Die Daten über den Sensortyp und den Meßbereich sind eben
falls im nichtflüchtigen Speicher des Moduls gespeichert.
Folglich braucht, wenn in einem Modul ein Fehler auftritt,
nur das Modul ersetzt zu werden, d. h. die Arbeit kann schnell
wieder aufgenommen werden. Da mit dem Signalverarbeitungsab
schnitt verschiedene Module verbunden werden können, ist es
möglich, Signalkonverter für die verschiedensten Zwecke zu
konstruieren.
Claims (5)
1. Signalkonverter zur Kommunikation von Signalen zwischen
einer Anlage und einem Zentralrechner (201), aufweisend:
mindestens ein Konvertereingangsmodul (209-212) mit einem Verstärker (2) zur Aufnahme und zum Verstärken eines Signals von einem Sensoranschluß (221, 223), das eine physi kalische Größe in der Anlage darstellt, und mit einem Spei cher (14) mit Informationen über den Sensoranschluß (221, 223) und den Verstärker (2), und
einen Signalverarbeitungsabschnitt (208') mit mehreren Verbindungseinheiten (15, 16, 26) zur Verbindung mit Konver tereingangsmodulen (209-212),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Signalkonverter mindestens ein Konverterausgangsmo dul (225, 226) mit einer Steuersignalausgangsschaltung (23) zum Umwandeln eines Signals vom Zentralrechner (201) in ein Steuersignal und zum Übertragen des Steuersignals zu einem Operationsanschluß (222) der Anlage und mit einem Speicher (14) mit Informationen über den Operationsanschluß (222) und die Steuersignalausgangsschaltung (23) aufweist, und
die Verbindungseinheiten (15, 16, 26) auch zur Verbin dung mit Konverterausgangsmodulen (225, 226) eingerichtet sind und der Signalverarbeitungsabschnitt (208') eine Signal verarbeitungsschaltung (10) aufweist, um anhand der jeweils in den Speichern (14) gespeicherten Informationen zu erken nen, ob ein mit den Verbindungseinheiten (15, 16, 26) verbun denes Modul ein Konvertereingangs- oder Konverterausgangs modul (209-212, 225, 226) ist, und daraufhin einerseits Signale von einem Konvertereingangsmodul (209-212) über eine entsprechende Verbindungseinheit (15, 16) aufzunehmen, einer notwendigen Korrektur zu unterwerfen und die korrigierten Signale an den Zentralrechner (201) zu senden und andererseits Signale vom Zentralrechner über eine ent sprechende Verbindungseinheit (26) an ein Konverteraus gangsmodul (225, 226) zu geben.
mindestens ein Konvertereingangsmodul (209-212) mit einem Verstärker (2) zur Aufnahme und zum Verstärken eines Signals von einem Sensoranschluß (221, 223), das eine physi kalische Größe in der Anlage darstellt, und mit einem Spei cher (14) mit Informationen über den Sensoranschluß (221, 223) und den Verstärker (2), und
einen Signalverarbeitungsabschnitt (208') mit mehreren Verbindungseinheiten (15, 16, 26) zur Verbindung mit Konver tereingangsmodulen (209-212),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Signalkonverter mindestens ein Konverterausgangsmo dul (225, 226) mit einer Steuersignalausgangsschaltung (23) zum Umwandeln eines Signals vom Zentralrechner (201) in ein Steuersignal und zum Übertragen des Steuersignals zu einem Operationsanschluß (222) der Anlage und mit einem Speicher (14) mit Informationen über den Operationsanschluß (222) und die Steuersignalausgangsschaltung (23) aufweist, und
die Verbindungseinheiten (15, 16, 26) auch zur Verbin dung mit Konverterausgangsmodulen (225, 226) eingerichtet sind und der Signalverarbeitungsabschnitt (208') eine Signal verarbeitungsschaltung (10) aufweist, um anhand der jeweils in den Speichern (14) gespeicherten Informationen zu erken nen, ob ein mit den Verbindungseinheiten (15, 16, 26) verbun denes Modul ein Konvertereingangs- oder Konverterausgangs modul (209-212, 225, 226) ist, und daraufhin einerseits Signale von einem Konvertereingangsmodul (209-212) über eine entsprechende Verbindungseinheit (15, 16) aufzunehmen, einer notwendigen Korrektur zu unterwerfen und die korrigierten Signale an den Zentralrechner (201) zu senden und andererseits Signale vom Zentralrechner über eine ent sprechende Verbindungseinheit (26) an ein Konverteraus gangsmodul (225, 226) zu geben.
2. Signalkonverter nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs
einheiten eine erste Verbindungseinheit (15) zur Aufnahme von
Signalen von Konvertereingangsmodulen (209-212), eine zwei
te Verbindungseinheit (26) zur Übertragung von Signalen zu
Konverterausgangsmodulen (225, 226) und eine dritte Verbin
dungseinheit (16) zum Auslesen von Informationen aus den
Speichern (14) der jeweiligen Module (209-212, 225, 226)
umfassen.
3. Signalkonverter nach Anspruch 2, wobei die Verbindungs
einheiten (15, 16, 26) jeweils Multiplexer darstellen.
4. Signalkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
der Signalverarbeitungsabschnitt (208') eine von der Signal
verarbeitungsschaltung (10) aufgestellte Tabelle aufweist,
die nacheinander Daten aus den Speichern (14) der Konverter
eingangs- und Ausgangsmodule (209-212, 225, 226) enthält.
5. Signalkonverter nach Anspruch 4, wobei die Korrektur der
Signale von Konvertereingangsmodulen (209-212) aufgrund von
Daten der Tabelle erfolgt.
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