DE3743847A1 - Prozessdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem - Google Patents
Prozessdatenerfassungs- und -verarbeitungssystemInfo
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Description
Zur meßtechnischen Erfassung einer Vielzahl von physikalischen Größen eines
Prozesses werden häufig rechnergesteuerte Prozeßmeßdatenerfassungs- und
-verarbeitungssysteme eingesetzt, welche Ausgangssignale von Aufnehmern, die
der Erfassung der physikalischen Größen und deren Umsetzung in äquivalente
elektrische Größen dienen, in rechnerkompatible Zahlenwerte umsetzen und diese
entsprechend verarbeiten.
Neben Systemen mit zentraler Verarbeitung der erfaßten Daten und über
Multiplexern und Analog/Digitalwandlern angeschlossenen Aufnehmern haben sich
seit einziger Zeit Systeme durchgesetzt, die auf der Meßdatenerfassungsseite
(Sensorseite) modular (Meßmodule) und auf der Verarbeitungsseite hierarchisch
aufgebaut sind, durchgesetzt. Die Aufnehmer sind hierbei Bestandteil der Meß
module (Sensoren), die bereits Mikrorechner zur Vorverarbeitung von Daten
enthalten. Jeweils mehrere Meßmodule sind über ein Bussystem mit einem Verar
beitungs- und Steuerrechner (Zentralrechner) verbunden, der den Ablauf eines
Meßprogramms steuert und die vorverarbeiteten Daten weiterverarbeitet.
Bei größeren Prozessen oder Prozessen, die eine größere räumliche Ausdehnung
aufweisen, werden die Meßmodule jeweils zu Gruppen zusammengefaßt und über
gruppeneigene Bussysteme jeweils an ihnen zugeordnete, eigene Zentralrechner
angeschlossen. Diese wiederum sind über ein eigenes (meist serielles) Bussy
stem mit einem Koordinationsrechner (Leit- oder Hostrechner) und u. U. mit
einander verbunden. Derartige hierarchisch gestufte Rechnersysteme und Pro
zeßdatenerfassungssysteme sind beispielsweise dem Buch "Rembold,
U./Armbruster, K./Ülsmann: Interfacetechnolgie für Prozeß- und Mikrorechner,
1981, Oldenburg-Verlag", zu entnehmen.
Bisher verwendete Bussysteme weisen jedoch häufig relativ niedrige Datenraten
sowie eine Datenverarbeitungsstruktur auf, welche eine Echtzeitverarbeitung
von Daten lediglich bei langsamen physikalischen Prozessen zuließ. Für
schnellere Prozesse mußten bei den Sensoren dagegen Rechner höherer Lei
stungsfähigkeit eingesetzt werden oder es mußte mit unflexibler Hardware
gearbeitet werden, wodurch die Anpaßgenauigkeit des Meßdatenerfassungssystems an
die meßtechnische Aufgabe beschränkt und verlangsamt wurde. Nicht zuletzt
wirkt sich dies auf die Kostenstruktur des Gesamtsystems aus.
Die Inflexibilität derartiger bekannter Prozeßmeßdatenerfassungssysteme setzt
sich noch weiter bis in die Kalibrierung derartiger Sensoren fest. So ist es
bei bekannten Systemen üblich, bei Ausfall eines einzigen Meßkanals auf Re
servesysteme auszuweichen oder die gesamte Anlage vor Ort neu kalibrieren zu
müssen; letzteres ist unvermeidbar mit einem Stillstand der gesamten Anlage
verbunden.
In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, Kalibrierdaten eines Sensors in
dessen Verarbeitungseinheit bzw. einem hierzu gehörenden Speicher zur Korrek
tur der erfaßten Meßwerte abzulegen. Bei der Kalibrierung werden hierbei die
alten Daten stets überschrieben, um die neuen zur Korrektur zur Verfügung zu
stellen. Um eine Kontrolle für das Langzeitverhalten eines Aufnehmers zu ha
ben, müssen zusätzliche Datenbestände geführt werden, (z. B. in Form von
Listen), in denen die Kalibrier-"Geschichte" des Wandlers festgehalten ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prozeßmeßdatenerfassungs- und
-verarbeitungssystem zu schaffen, welches einfach und kostengünstig aufgebaut
und hochgradig flexibel ist, geringe Rüstzeiten aufweist und einen hohen
Datendurchsatz gewährleistet.
Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 sowie der
unabhängigen Nebenansprüche gelöst. Weitere, die Erfindung in vorteilhafter
Weise ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß ein Pro
zeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem geschaffen wurde, das schnell
und einfacher konfigurierbar (an unterschiedliche Meßaufgaben anpaßbar) ist,
einen hohen Datendurchsatz gewährleistet und kostengünstig erstellbar und
unterhaltbar ist.
Das System weist geringe Rüstzeiten auf und gewährleistet aufgrund seiner
guten Kalibriereigenschaften minimale Stillstandszeiten. Es ermöglicht eine
Kalibrierhistorie in den Sensoren (Meßmodulen) zu speichern, so daß
insbesondere eine Trendanalyse des Alterungsverhaltens eines Aufnehmers
durchgeführt und auf einen möglicherweise notwendig werdenden Austausch
hingewiesen werden kann. Das hierzu verwendete rechnergesteuerte
Kalibriersystem erlaubt einen weitgehend automatisierten Kalibrierablauf.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Beispielen nä
her erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem,
Fig. 2 einen mechanischen Aufbau des Systems,
Fig. 3 ein Meßmodul nach dem Stand der Technik,
Fig. 4 ein Meßmodul nach der Erfindung,
Fig. 5 ein Meßmodul nach Fig. 4, jedoch mit erweiterten Verarbeitungs-,
Konfigurier- und Kalibriermöglichkeiten,
Fig. 6 ein Ausgabe-Meßmodul,
Fig. 7 einen Zentralrechner,
Fig. 8 einen Zentralrechner nach Fig. 6, jedoch mit einer erweiterten
Funktions- und Verarbeitungskapazität,
Fig. 9 ein Flußdiagramm eines Hauptprogramms für einen Zentralrechner,
Fig. 10 ein Flußdiagramm nach Fig. 9, jedoch für ein Unterprogramm zur
Modulinitialisierung,
Fig. 11 ein Flußdiagramm nach Fig. 10, jedoch für eine Meßwerterfassungs
routine,
Fig. 12 ein Kalibriersystem.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Prozeßmeßdatenerfassungs- und-verarbeitungssystem zur
Erfassung mehrerer physikalischer Prozeßgrößen mp.ÿ (i = 1, 2, . . . l; j = 1, 2 . . ., k)
eines in Teilprozesse 2. i unterteilten, physikalischen Prozesses. Die physi
kalischen Prozeßgrößen mp.ÿ werden jeweils über Sensoren (Meßmodule) 3. ÿ
erfaßt und vorverarbeitet als Datenworte über Bausysteme mb.i (Meßbus) an
Zentralrechner 4. i übertragen oder von diesem abgefragt.
Die Zentralrechner 4. i dienen hierbei der Verarbeitung, Verdichtung und Spei
cherung der als Datenworte von den Meßmodulen 3. ÿ umgesetzten Prozeßgrößen
mp.ÿ, sowie der Steuerung bzw. dem Laden von Steuerprogrammen in die
Meßmodule 3. ÿ und zum Koordinieren des Datenverkehrs auf den Meßbussen mb.i.
Schließlich können die Zentralrechner 4. i noch über ein serielles Bussystem 5
untereinander und/oder mit einem Koordinationsrechner (Hostrechner) 6
verbunden sein, der der Koordination der Aufgaben des
Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystems 1 sowie der Datenein- und
-ausgabe und der Massenspeicherung von Daten und Programmen dient (auf die
Darstellung dieser Peripheriebausteine wurde aus Übersichtlichkeitsgründen
verzichtet).
Als Hostrechner kann praktisch jeder Rechner (vom Personalcomputer an auf
wärts) verwendet werden, sofern er nur über eine geeignete, standardisierte
Schnittstelle, z. B. eine serielle Schnittstelle bzw. HDLC-Schnittstelle usw.
verfügt.
Bei physikalischen Prozessen kleinerer räumlicher Ausdehnung oder geringerer
Anzahl zu erfassender Prozeßgrößen kann das System 1 auch lediglich aus nur
einem Zentralrechner 4.1 und dem ihm zugeordneten Meßmodulen 3.1 j bestehen,
wobei die Ein-/Ausgabemedien dann direkt mit dem Zentralrechner 4.1 verbunden
sein können; dieses System kann auch als mobiles Meßdatenerfassungssystem für
bewegliche Prozesse (beispielsweise für Erprobungsfahrten von Kraftfahrzeugen)
eingesetzt werden. Es wird hierzu in einem weiteren unten in Fig. 2
beschriebenen Einschubsystem untergebracht und mit einem Handeingabegerät, ein
Display zum Anzeigen von Programmschritten und Meßwerten und einen
Massenspeicher für Meßwerte und Meßprogramme mit einer zusätzlichen externen
Schnittstelle zum Laden von Meßprogrammen und zum Auslesen von Meßdaten
erweitert (nicht gezeigt). Selbstverständlich können von einem Meßmodul 3. ÿ
auch mehrere Prozeßgrößen erfaßt werden, sofern diese entsprechend mit
mehreren Meßkanälen ausgestattet sind.
Üblicherweise gelangt bei derartigen Prozeßdatenerfassungssystemen als Meßbus
mb ein serielles Bussystem oder der sogenannte IEC-Bus zum Einsatz. Diese
Bussysteme sind zwar, insbesondere was den IEC-Bus betrifft, international
genormt, sind jedoch relativ unflexibel und erlauben nur geringe Datenüber
tragungsraten, so daß ihre Verwendbarkeit auf sogenannte "langsame" Prozesse,
z. B. in der chemischen Industrie, eingeschränkt ist. Vorbestimmte Busproto
kolle zur Ausbildung des Datenverkehrs schränken die Flexibilität dieser Sy
steme weiter ein und erfordern zudem hohe Verarbeitungsleistungen sowie ent
sprechende Prozessoren auf den Meßmodulen. Insbesondere für "schnelle" Pro
zesse, bei denen viele Meßwerte mit hoher Erfassungsrate meßtechnisch erfaßt
werden müssen, sind derartige bekannte Systeme überfordert.
Gemäß der Erfindung ist nun das Bussystem mb.i ein erweiterter
(Mikro-)Prozessorbus des Zentralrechners 4. i, auf den die Meßmodule 3. ÿ
aufschaltbar bzw. aufsteckbar sind, bzw. das die Meßmodule 3. ÿ mit dem
Zentralrechner 4. i verbindende Bussystem mb.i wird als standardisierter,
paralleler Mikroprozessorbus (SMP-Bus), beispielsweise der Fa. Siemens, und die
Meßmodule 3. ÿ und Zentralrechner 4.1 werden mit SMP-kompatiblen Bausteinen
aufgebaut. Ein Datenverkehr zwischen Meßmodulen 3. ÿ und Zentralrechner 4. i
wird in einem normierten Gleitkommaformat abgewickelt, in das die Meßmodule
3. ÿ die erfaßten, gewandelten und aufbereiteten Meßwerte umsetzt.
Hierdurch ist es möglich, ein Prozeßmeßdatenerfassungs- und
-verarbeitungssystem mit weitgehend einheitlichen, einfachen und kostengün
stigen Meßmodulen aufzubauen, mit denen eine Meßdatenerfassung mit einer hohen
Datenrate durchgeführt werden kann. Die in Gleitkommaformat vorliegenden Daten
können im Zentralrechner ferner ohne weitere Datenkonvertierung weiterverar
beitet werden.
Es ergibt sich - neben der hohen Datenerfassungsrate - eine hohe Flexibilität
des Gesamtsystems, da die einem Teilprozeß 2. i bzw. einem Zentralrechner 4. i
zugeordneten Meßmodule 4. ÿ entsprechend der Meßwertaufgabe beliebig konfigu
riert werden können.
Fig. 2 zeigt den meßtechnischen Aufbau eines einem Teilprozeß 2. i zugeordneten
Prozeßmeßdatensystems mit einem bekannten Einschubsystem (19′′-System, Rack)
7, aus einem vorzugsweise metallischen Grundrahmen bzw. Gehäuse 8, in das Ein
schübe 9 eingesteckt und mit diesem verschraubt werden können (nicht gezeigt).
Im eingesteckten Zustand sind die Einschübe 9 mit Leitungen 10, 11, 12 des
SMP-Busses mb und Leitungen 13 einer Stromversorgung 14 verbunden, die eben
falls in das Einschubsystem gesteckt wird und über die Leitungen 13 die Ein
schübe mit Betriebsstrom versorgt.
Schließlich wird auf den SMP-Bus 10 bis 12 und die Stromversorgungsleitung 13
der Zentralrechner 4.1 und die Meßmodule 3.1 j in beliebiger Konfiguration
aufgesteckt; hier beispielsweise zwei Meßmodule zur Erfassung von Drücken 3.11
und 3.12, Meßmodule zur Erfassung von Temperaturen 3.13 bis 3.16, ein Meßmodul
zur Erfassung von Digitalsignalen 3.17, ein Meßmodul zur Erfassung der
relativen Luftfeutigkeit 3. 18 und ein Meßmodul zur Erfassung von analogen
Spannungs- oder Stromsignalen 3.19. Die Maximalanzahl an aufsteckbaren
Meßmodulen ist hierbei lediglich durch die maximale Buslänge des SMP-Busses
bzw. durch den hiervon beeinflußten Einbauraum der Meßmodule 3.1 j im
Einschubsystem begrenzt.
Durch die weitgehend wahlfreie Bestückbarkeit des Einschubsystems ergibt sich
eine gute Flexibilität (d. h. Anpaßbarkeit an die Meßaufgabe) des Systems sowie
eine leichte Austauschbarkeit defekter oder ungenauer (zu kalibrierender) Meß
einschübe.
Der Zentralrechner 4.1 ist ferner noch über nicht gezeigte Verbindungen
(serieller Art) mit einem Hostrechner verbindbar.
Der Aufbau der Komponenten des Systems wird nun anhand der nachfolgenden Fi
guren erläutert, wobei mittels der Fig. 3 nochmals ein Sensor 15 bekannter
Philosophie in Erinnerung gebracht werden soll. Über einen physika
lisch/elektrischen Wandler (Aufnehmer) 16 wird die zu messende physikalische
Prozeßgröße m in eine äquivalentes, elektrisches Signal me umgesetzt. Dieses
wird mittels einer analogen Schaltung 17 verstärkt und gefiltert (Analogsignal
ma). Das Analogsignal wird über einen Analog/Digital- (A/D-)Wandler 18 in ein
Digitalsignal md umgesetzt, welches von einem Mikrorechner 19 erfaßt und wei
terverarbeitet werden kann.
Der Mikrorechner 18 korrigiert das aus dem Digitalsignal abgeleitete Datenwort
anhand von in einem internen oder (nicht gezeigt) externen Speicher abgelegten
Korrekturwerten für Nichtlinearitäten, Verstärkungs- und Nullpunktfehler der
vorgeschalteten Anordnung 16 bis 18 und gibt den so korrigierten Meßwert bei
Bedarf oder auf Anforderung über einen Buskoppler 20 auf das Bussystem (z. B.
IEC-Bus). Selbstverständlich ist bei einem Sensor zur Erfassung von
Digitalsignalen die Analogschalter 17 und den A/D-Wandler 18 gegen eine
Signal- bzw. Impulsaufbereitungsschaltung ersetzt zu denken.
In Fig. 4 ist nun ein Meßmodul 3 nach der Erfindung gezeigt. Auf die Darstel
lung der Stromversorgung und von Koppelelementen zum Anschließen des Meßmoduls
an das SMP-Bussystem wurde aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet. Das
Meßmodul 3 umfaßt mehrere physikalisch/elektrische Wandler (Aufnehmer) 21.1
bis 21. n, die die physikalischen Meßgrößen mp. 1 bis mp.n in dazu äquivalente
elektische Signale me. 1 bis me.n umsetzen. Zur Speisung der Aufnehmer 21.1
bis 21. n dient ein steuerbares Speisespannungs- bzw. -stromteil 22.
Die elektrischen Signale me. 1 bis me.n werden durch parametrierbare Verstärker
23.1 bis 23. n verstärkt (verstärktes Meßsignal mv. 1 bis mv.n), mittels
steuerbaren Filtern 24.1 bis 24. n aufbereitet (gefiltertes Meßsignal mf. 1 bis
mf.n) und einem Analogmultiplexer 25 zugeführt. Das Multiplexsignal ma wird
erneut mittels eines weiteren parametrierbaren Verstärkers 26 verstärkt
(verstärktes Multiplexsignal mav) und mittels eines Abtast-Haltekreises 27
abgetastet (Abtast-Haltesignal mash) und zur Analog-Digitalwandlung
(Analog/Digitalsignal md) mittels eines A/D-Wandlers 28 zwischengespeichert.
Das Digitalsignal md wird einer Einrichtung 29 zur galvanischen Trennung (über
Optokoppler oder Trenntransformatoren), die hiervon ausgehende Meßinformation
mi einem Mikrorechner 30 zugeführt, der auch Steuerinformationen sti über die
galvanische Trennung 29 auf einen Steuerbus 31 schaltet. Die Steuersignale stb
auf dem Steuerbus 31 steuern das Speisespannungs- bzw. Stromteil 22, die
Verstärker 32.1 bis 23. n, die Filter 24.1 bis 24. n, den Multiplexer 25, den
Verstärker 26, den Abtasthaltekreis 27 und den A/D-Wandler 28. Diese
Steuerbarkeit der Elemente 22 bis 28 erlaubt insbesondere einen höchst
einheitlichen, weitgehend vom Aufnahmetyp unabhängigen Aufbau der Meßmodule
und eine leichte Austauschbarkeit der Aufnehmer 21.1 bis 21. n auch in dem
Fall, wo ein Aufnehmer eines Typs oder Herstellers durch einen andern Typ
oder Hersteller mit abweichenden Aufnehmerdaten ersetzt werden soll, so daß
beispielsweise andere Verstärkungsfaktoren, Nullpunkte, Filterkurven und
-einsatzpunkte eingestellt werden müssen.
Der Mikrorechner 30 nimmt die Meßinformation mi auf, setzt sie in
(Roh-)Meßdaten um, bereinigt diese von Nichtlinearitäten, Verstärkungs- und
Nullpunktfehlern, dynamischen Fehlern, Temperaturgängen usw. (d. h. von
Wandlereigenschaften, welche durch die vorgeschaltete Meßanordnung 21 bis 28
bewirkt sind), aufgrund eines in einem Mikrorechner 30 integrierten,
nichtflüchtigten Speicherbaustein (EPROM, EEPROM) abgelegten
Korrekturdatensatzes, setzt sie in ein einheitliches, normiertes
Gleitkommaformat um und speichert sie zum Abruf durch den Zentralrechner 4 in
einem ebenfalls im Mikrorechner integrierten Speicherbaustein mit wahlfreiem
Zugriff (RAM) zwischen. Die Erfassungsrate der Meßwerte ist im Mikrorechner 30
festgelegt und kann (per Programm) durch den Zentralrechner verändert werden.
Einige Besonderheiten ergeben sich nun durch das verwendete Buskonzept des
Meßbusses mb (SMP-Bussystem). Der Mikrorechner ist ein dem Zentralrechner 4
auf dem Bussystem mb untergeordneter Mikrorechner (slave-Prozessor,
beispielsweise vom Typ 8742), die Steuerung des Busverkehrs übernimmt daher
der Zentralrechner 4.
Zur Abfrage von Meßwerten bzw. zur Eingabe von Steuerprogrammen spricht der
Zentralrechner 4 das Meßmodul bzw. den Mikrorechner 30 - wie einen üblichen
Peripheriebaustein - über eine Adresse an, die er hierzu auf den Adreßbus a
des Meßbusses mb legt. Mittels eines sogenannten PAL-Baustein 32
(programmable aray logic) und eines Verdrahtungsfelds 33 (Wrap-Field) wird die
Adresse dekodiert und der entsprechende Datenverkehr zwischen dem Mikrorechner
30 und dem Zentralrechner 4 auf dem Datenbus d angestoßen. Zur freien
Einstellbarkeit der Meßmoduladresse innerhalb eines Meßmoduladreßraumes dient
neben dem Verdrahtungsfeld 33 ein Kodierschalterfeld 34.
Es kann somit ein sehr einfacher und kostengünstiger Mikrorechner 30 einge
setzt werden, der durch seine Aufgabe (Steuerung des Meßmoduls, Korrektur der
Wandlungseigenschaften, Datenumsetzung) vernünftig ausgelastet ist. Der Daten
verkehr ist sehr einfach und die normierten (Gleitkomma-)Daten erlaufen eine
leichte Weiterverarbeitung im Zentralrechner.
Die Erfassung der Meßwerte geschieht zu festen, durch das Steuerprogramm
festgelegten Zyklen, wobei die zum Abruf durch den Zentralrechner 4 bereitzu
stellenden Daten in einem bestimmten Speicherbereich im Mikrorechner 30 abge
legt werden; alte Meßdaten werden hierbei überschrieben.
Fig. 5 schließlich zeigt ein Meßmodul 3′ mit einer höheren Verarbeitungs
leistung (bzw. mit einem höheren Adreß-Datenraum) und einer größeren Flexibi
lität bei der Parametrierung (Programmierung) der Meßaufgabe, so daß bereits -
falls dies erforderlich ist - eine Vorverarbeitung oder Vorverdichtung der
aufgenommenen, umgesetzten, von Wandlungseigenschaften bereinigten und in das
normierte Gleitkommaformat umgesetzten Meßinformation stattfinden kann. Inso
fern ist die vorgeschaltete eigentliche Meßanordnung aus den Bausteinen 21 bis
28 identisch mit dem Meßmodul 3 nach Fig. 4. Ebenso kann eine Einrichtung zur
Potentialtrennung (an gleicher Stelle wie in Fig. 4) eingesetzt sein, die je
doch aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen wurde.
Die Steuerung der Bausteine 21 bis 28 und die Meßdatenverarbeitung wird nun
auf zwei Mikrorechner aufgeteilt, wobei der Steuerbus stb von einem Steuer
rechner 35 (beispielsweise von Typ VPI 452) vorgenommen wird. Der
Steuerrechner 35 erhält Steuerinformationen und -programme über eine serielle
Schnittstelle sbsV von einem Verarbeitungsrechner 36, beispielsweise vom Typ
8096; dieser erhält das Digitalsignal und mit der Meßinformation vom
A/D-Wandler 28 über einen Seriell-/Parallel-Wandler 37, welcher hierzu über
einen parallelen Verarbeitungsbus vb, 38 (Verarbeitungdatenbus vd,
Verarbeitungssteuerbus vs, Verarbeitungsadreßbus va) mit dem
Verarbeitungsrechner 36 verbunden ist.
Über den Verarbeitungsbus vb, 38 kann der Verarbeitungsrechner ferner auf ei
nen flüchtigen Speicherbaustein mit wahlfreiem Zugriff RAM 39, von dem wenig
stens ein Teil batteriegepuffert ist (nicht gezeigt), und einem nichtflüch
tigen Nur-Lese-Speicherbaustein 40 (ROM, EPROM, EEPROM . . ) zugreifen.
Die Ankoppelung des Meßmoduls 3′ bzw. des Verarbeitungsprozessors 36 (über den
Verarbeitungsbus vb, 38) an den Meßbus mb erfolgt nun auf besondere Weise:
- - Zwischen Verarbeitungsdatenbus vb und Datenbus d des Meßbusses mb ist ein sogenannter DUAL-PORT-RAM-Baustein 41 angeordnet, von dem ein Auslesen bzw. in den ein Einlesen von Daten sowohl vom Verarbeitungsbus vb als auch vom Meßbus mb aus völlig unabhängig voneinander möglich ist; der Baustein 41 dient daher als Datenpuffern;
- - Steuerinformation wird von beiden Seiten (Verarbeitungssteuerbus vs und Steuerbus s) über ein Verdrahtungsfeld 42 und einen PAL-Baustein 43 ausgetauscht; vom Verdrahtungsfeld 42 aus wird auch der DUAL-PORT-RAM-Baustein 41 angesteuert.
- - Der Verarbeitungsrechner 36 kann Adressen auf den Adreßbus des Meßbusses mb direkt aufschalten.
- - Die Adressierung des DUAL-PORT-RAM-Bausteins 41 erfolgt vom Verarbeitungsbus vb aus direkt, vom Meßbus mb aus, wie beim Meßmodul 3 über einen PAL-Baustein 44 und ein Verdrahtungsfeld 45; die Einstellung der Adressen erfolgt über ein Kodierschalterfeld 46 und das Verdrahtungsfeld 45.
Durch die Einführung des DUAL-PORT-RAM-Bausteins 41 ist es möglich, auch grö
ßere Datensätze zwischenzuspeichern, so daß auch "ältere" Meßinformation nicht
verlorengeht, wenn der Zentralrechner gerade beschäftigt ist und seinen Ab
fragezyklus nicht einhalten kann.
Als weitere Besonderheit weist der Verarbeitungsrechner 36 eine serielle
Schnittstelle 47 (serieller Bus sb) auf, welche im Meßmoduleinschub von der
Vorderseite aus kontaktierbar ist. Über diesen seriellen Bus sb ist das Meß
modul 3′ jederzeit - zusätzlich zu der Konfigurierbarkeit über den Meßbus mb
und dem Zentralrechner 4 - konfigurierbar, d. h., mit Meßprogrammen ladbar
und/oder kalibrierbar, oder es kann eine Datenverbindung zu anderen Modulen,
Rechnern etc. zum Datenaustausch geschaffen werden.
Es sei abschließend bemerkt, daß auf die Darstellung weiterer, zum Betrieb der
Komponenten des Meßmoduls 3′ benötigter Bausteine wie Taktgeber, Koppelbau
steine zum Meßbus mb usw. aus Gründen der besseren Übersicht verzichtet wurde.
Diese sind dem Fachmann ohnehin bekannt.
Das Meßmodul 3′ kann ferner noch mit einem Signalprozessor ausgestattet bzw.
um einen solchen erweitert werden, welcher eine Meßdatenerfassung und
-vorverarbeitung mit noch höherer Datenrate zur Meßdatenerfassung bei
besonders zeitkritischen Prozessen, wie z. B. Crashtests im Automobilbau,
erlaubt; der Signalprozessor kann entweder wenigstens einen der beiden Rechner
35, 36 ersetzen (und selbst auf den Meßbus aufgeschaltet sein) oder diese
ergänzen.
Zu den Meßmodulen ist abschließend zu bemerken, daß die physika
lisch/elektrischen Wandler auch außerhalb der Meßeinschübe angeordnet, d. h.,
von diesen abgesetzt sein können und mit diesen über Lichtleiter oder elek
tische Leitungen verbunden sein können.
In Fig. 6 ist als Beispiel für ein Ausgabe-Meßmodul 3′′ ein digitales
Ein-/Ausgabemodul gezeigt, welches in gleicher Weise wie die Meßmodule 4, 4′
auf den Meßbus mb (innerhalb des Einschubsystems 7 nach Fig. 2) aufgesteckt
werden kann. Das Ausgabe-Meßmodul 3′′ dieser Art kann beispielsweise zum
Ansteuern digital arbeitender Stellglieder, wie z. B. Elektromagnetventile
bzw. zur Erfassung von Rückmeldesignalen verwendet werden.
Ein Ein-Chip-Mikrorechner (Slave-Prozessor, beispielsweise von Typ 8742) ist,
wie beim Meßmodul 3 direkt mit dem Datenbus d und mit dem Steuerbus s und dem
Adreßbus a über ein Verdrahtungsfeld 49 verbunden. Zur Dekodierung der den
Datenverkehr von/zum Zentralrechner 4 anstoßeneden Adresse dient ein an den
Adreßbus a und an ein zum Einstellen der Ausgabemoduladresse dienendes
Kodierschalterfeld 15 angeschlossener PAL-Bausten 51.
Über einen bidirektionalen Port 52 ist ein Porterweiterungsbaustein 53 vom Typ
8243 angeschlossen, der über einen ersten Port 54 und einen zweiten Port 55
jeweils bis zu 8 Ausgänge oder Eingänge in beliebiger Konfiguration bedienen
kann. Diese Ausgänge werden mittels eines ersten Treiberbausteins 56 und eines
zweiten Treiberbausteins 57 vom Typ 29828 verstärkt und über einen ersten und
zweiten Baustein zur galvanischen Trennung 58, 59 mit Optokopplern 60, 61 oder
Relais 62, 63 auf erste und zweite Steckbuchsen 64, 65 zum Anschluß der
Stellglieder und Rückmelder (nicht gezeigt) geschaltet. Die Eingangssignale
gelangen von den Steckbuchsen 64, 65 über Optokoppler 66, 67 direkt auf den
Porterweiterungsbaustein 53.
Das Ausgabe-Meßmodul 3′′ kann selbstverständlich auch analoger Bauart sein
(nicht gezeigt). Es umfaßt dann im wesentlichen dieselben Elemente wie ein
Meßmodul 3, nur daß der Ausgabesignalweg in umgekehrter Reihenfolge
durchlaufen und anstatt des Analog-/Digitalwandlers ein Digital-/Analogwandler
eingesetzt ist und der Abtasthaltebaustein 27 und evtl. der Multiplexer 25
entfallen können.
Das Ausgabe-Meßmodul 3′′ wird wie die Meßmodule 3, 3′ über eine
Ausgabe-Meßmoduladresse (Adreßbus a) vom Zentralrechner 4 angesprochen und
kann Ausgangssignale aufgrund von über den Datenbus d eingelesenen
Informationen erzeugen (bspw. Ein-/Ausschaltsignale, Taktraten usw.), um
hiermit prozeßsteuernde Größen direkt oder über elektro-physikalische Wandler
zu beeinflussen. Das Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem kann
auf diese Weise im Extremfall bis zum Prozeßsteuer- und -regelsystem ausgebaut
werden.
Der Datenverkehr auf dem Datenbus d läuft auch hier wieder im normierten
Gleitkommaformat ab, sofern es sich nicht nur um rein digitale Stellbefehle
handelt. Der Mikrorechner 48 kann die elektro-physikalischen Wandler derart
ansteuern, daß deren statische und dynamische Wandlungseigenschaften
ausgeglichen werden. Im Falle analoger Ausgabe-Meßmodule können diese auch
einen Meßwertaufnahmeteil wie die Meßmodule 3, 3′ aufweisen und mit
Regelkreisen versehen sein.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für einen Zentralrechner 4, der den Datenverkehr
auf dem Meßbus steuert, die von den Meßmodulen 3, 3′ eingeholten Meßwerte
(Datenworte in normiertem Gleitkommaformat) weiter verarbeitet,
zwischenspeichert und über das serielle Bussystem sbh, 5 dem Hostrechner 6
bzw. einem Ausgabemedium zur Verfügung stellt. Ebenso werden vom
Zentralrechner 4 aus die Meßeinschübe konfiguriert, d. h., mit Meßprogrammen
geladen und die Ausgabe-Meßmodule 3′′ angesteuert.
Der Zentralrechner 4 umfaßt einen Mikroprozessor 68 vom Typ 8031, 8051, 8751
oder 80186, der mit dem Steuerbus des Meßbusses mb direkt (Ein/Ausgang 69)
verbunden ist und auch einen Teil des Adreßbraums des Meßbusses mb direkt
abdeckt (Ein/Ausgang 70). Der übrige Adreß- und Datenverkehr wird über einen
Ein-/Ausgang 71 des Mikroprozessors 68 abgewickelt, wobei der Adreßverkehr
über ein Speicher-Flip-Flop 72, beispielsweise vom Typ 74LS373, mit dem
Adreßbus a des Meßbusses mb stattfindet und der Datenverkehr über einen
Bustreiber 73 (74LS245) mit dem Datenbus d des Meßbusses mb. Der Meßbus mb ist
somit der erweiterte Mikroprozessorbus des Mikroprozessors 68 (SMP-Baustein).
Als Speicherbausteine dienen ein flüchtiger Speicher mit wahlfreiem Zugriff
(RAM) 74 und ein programmierbarer, nichtflüchtiger (EPROM) oder
batteriegepufferter, flüchtiger Baustein 75 mit wahlfreiem Zugriff (RAM), die
mit ihrer Steuer- und Adreßleitung direkt auf den Meßbus mb und mit den
Datenleitungen am Ausgang 71 des Mikroprozessors 68 liegen.
Ein Zentralrechner 4′ mit erweiterter Verarbeitungskapazität bzw. erweitertem
Adreß-/Datenraum zeigt Fig. 8. Er umfaßt einen Mikroprozessor 76 vom Typ
80186, der mit seinem Steuerein-/Ausgang 77 über einen Bustreiberbaustein 78
vom Typ 82188 am Steuerbus des Meßbusses mb liegt und mit einem parallelen
Ein-/Ausgang 79 über einen Bus-Sender/Empfänger-Baustein 80 (für 16 Bit Daten
werden jeweils 2 verwendet) vom Typ 74LS645 an den Datenbus d und über
Speicher-Flip-Flops 81 vom Typ 74LS 373 an den Adreßbus a gelegt werden kann,
wobei auch hier wieder das interne Bussystem sbi des Zentralrechners 4′ (in
terner Steuerbus si, interner Datenbus di und interner Adreßbus ai) über Puf
ferbausteine 82, 83 vom Typ 74LS 240/244 bzw. Bus-Sender-/Empfängerbausteine
84 vom Meßbus mb (erweiterter Mikroprozessorbus) entkoppelt sind.
Ein mathematischer Kompressor 85 vom Typ 8087 ist zur Beschleunigung von Be
rechnungsvorgängen mit dem Ausgang 79 des Mikroprozessors 76 und mit dem in
ternen Steuerbus si verbunden. Schließlich sind an das interne Bussystem sbi
noch Speicherbausteine 86 (RAM) bzw. 87 (ROM, PROM, EPROM, EEPROM,
batteriegepuffertes RAM), sowie ein serieller Datenkommunikationsbaustein 88,
beispielsweise vom Typ 8274 zum Datenverkehr über ein serielles Bussystem sbh′
(5) mit dem Hostrechner 6 angeschlossen. Anstatt des Kommunikationsprozessors
88 oder zusätzlich zu diesem kann auch ein HDLC-Prozessor für einen
schnelleren, seriellen Datenverkehr zum Hostrechner 6 über Lichtleiter an den
internen Datenbus angeschlossen sein.
In Fig. 8 ist ein Hauptprogramm für einen Zentralrechner 4, 4′ beschrieben.
Nach einem Systemstart oder einem Reset 89 erfolgt eine Initialisierung 90 des
Mikrorechners 68, 76 des Zentralrechners 4, 4′ (Rücksetzen des Rechners in
einem definierten Grundzustand). Es wird eine sogenannte "Grenzwertdatei"
initialisiert, 91; hierbei handelt es sich um ein nicht näher beschriebenes
Programmteil zur Überwachung von Grenzwerten einzelner analoger und/oder
digitaler Prozeßgrößen oder von Funktionen mehrerer Prozeßgrößen.
Überschreiten Prozeßgrößen oder Funktionen ihre Grenzwerte, so setzt der
Zentralrechner 44 einen schnellen Interrupt zum Hostrechner ab, welcher
daraufhin entsprechende Maßnahmen einleitet.
Anschließend werden die Meßmodule zurückgesetzt, 92 und ein erstes
Unterprogramm 93 zur Meßmodulinitialisierung aufgerufen, das später noch
anhand der Fig. 10 näher erläutert wird. Nach Passieren einer Marke A wird ein
zweites Unterprogramm 94 mit einer Meßwerterfassungsroutine durchlaufen und
abgefragt, 95, ob ein Parametrierkommando vom Hostrechner 6 vorliegt; wenn die
Abfrage 95 positiv ist, wird ein neues Meßwerterfassungsprogramm vom
Hostrechner 6 zum Zentralrechner 4, 4′ übertragen, worauf der Zentralrechner
4, 4′ die Meßmodule 3, 3′ und Ausgabe-Meßmodule 3′′ nur parametriert, d. h.,
mit Meßprogrammen oder Steuerprogrammen lädt; dies geschieht mittels einer
Unterprogramms "Parametrier-Routine" 96, das nicht näher spezifiziert zu
werden braucht. Abschließend wird, ebenso wie bei negativer Abfrage 95 zur
Marke A zurückverzweigt.
Das erste Unterprogramm 93 "Modulinitialisierung" ist in Fig. 10 gezeigt. Nach
dem Programmstart 97 wird zunächst eine (Meß-)Moduladresse auf den untersten
Wert eines Moduladreßbereichs gesetzt, 98, und nach Passieren einer Marke B
die Meßmodule 3, 3′, und Ausgabe-Meßmodule 3′′ mittels einer Programmschleife
initialisiert, indem ein Initialisierungskommando und die aktuelle
Moduladresse auf den Meßbus aufgeschaltet wird, 99 und bis zum Überschreiten
des Meßmoduladreßbereichs (Abfrage 100) die Meßmoduladresse jeweils um 1
erhöht, 101 und zur Marke B zurückgekehrt.
Anschließend wird die Moduladresse wieder auf den untersten Wert des
Moduladreßbereichs gelegt, 102 und nach Passieren einer Marke C ein
Modulstatus abgefragt, 103. Dies bedeutet, es wird abgefragt, ob ein Meßmodul
3, 3′ oder Ausgabe-Meßmodul 3′′ auf den Meßbus mb aufgesteckt ist, dessen
Moduladresse (mittels des Kodierschalterfelds 34, 46, 50 eingestellt) mit der
ausgegebenen Moduladresse übereinstimmt; dies geschieht, indem die aktuelle
Modulardresse und eine Statusabfrage auf den Meßbus aufgeschaltet werden.
Ist kein Meßmodul mit dieser Adresse gesteckt, so wird zu einer Marke D
weiterverzweigt; ist dagegen die Abfrage 103 positiov, so fordert der
Zentralrechner 4, 4′ vom Meßmodul 3, 3′ oder Ausgabe-Modul 3′′ ein
Moduldatum an, das eine Anzahl Meßkanäle (d. h., wieviel Meßeingänge
beaufschlagt sind) oder Ausgabekanäle angibt, 104. Anschließend wird
Moduladresse und Kanalanzahl in einer Kanaltabelle angelegt, 105, und nach
Passieren der Marke D die Moduladresse um 1 erhöht, 106 und abgefragt, 107, ob
der Moduladreßbereich bereits überschritten ist; wenn nein, wird zur Marke C
zurückverzweigt, wenn ja, das Unterprogramm beendet, 108 und ins aufrufende
Programm zurückgekehrt.
Fig. 11 schließlich zeigt das zweite Unterprogramm 94 der Meßerfassungs
routine. Nach dem Programmstart 109 werden zunächst Zählindices U und V zu
Null gesetzt (unterster Wert der Kanaltabelle, wobei unter U die Moduladresse
und unter V die Kanalanzahl abgelegt ist), 110. Nach Passieren einer Marke E
wird die Moduladresse auf den zu U korrespondierenden Kanaltabellenwert
gesetzt, 111. Anschließend wird abgefragt, 112, ob die Moduladresse außerhalb
des Meßmoduladreßbereichs (hier beispielsweise zwischen 0 und 255) liegt; wenn
ja, ist kein Meßmodul adressiert und es wird über eine Marke F zum
Programmende 113 verzweigt, wenn nein, wird die Kanalanzahl auf den zu V
korrespondierenden Kanaltabellenwert gesetzt, 114.
Nach Passieren einer Marke G wird abgefragt, ob die Kanalanzahl gleich Null
ist, 115 (das gesteckte Meßmodul wird nicht zur Messung benötigt); ist dies
der Fall, so werden die Indices U, V jeweils um 1 erhöht, 116 und zur Marke E
zurückverzweigt, ist dies nicht der Fall, wird die Moduladresse und ein
Kommando "Meßwert lesen" auf den Meßbus ausgegeben, 117 und ein sogenannter
"Time-Out-Zähler" gestartet, 118.
Nach Passieren einer Marke H wird abgefragt, ob der Modulstatus gleich Eins
ist, 119; wenn nein, erfolgt eine Abfrage 120, ob der Time-Out-Zähler seinen
Endwert erreicht hat. Ist die Abfrage 120 negativ, wird zur Marke H
zurückverzweigt, so daß der Zentralrechner 4, 4′ weiter auf eine Modulstatus
antwort vom adressierten Meßmodul 3, 3′ warten kann; ist die Abfrage 120
dagegen positiv, so wird ein (nicht näher beschriebenes) Unterprogramm
"Fehlerroutine", 121 aufgerufen und über die Marke F zum Programmende 113
fortgeschritten. Das Unterprogramm 121 startet bestimmte Diagnosevorgänge und
leitet gegebenenfalls eine Anzeige auf dem Hostrechnersystem ein.
Ist die Abfrage 119 dagegen positiv, so wird ein Datenbyte aus dem
Datenspeicher des adressierten Meßmoduls 3, 3′ ausgelesen und im
Zentralrechner 4, 4′ abgespeichert, 122. Nachfolgend wird abgefragt, ob
bereits ein ganzer zusammengehörender Datensatz (hier: beispielsweise vier
Datenbytes pro Meßwert) gelesen wurde, 123; wenn nein, wird zur Marke H
zurückverzweigt, wenn ja, die Kanalanzahl um Eins vermindert, 124, und zur
Marke G zurückgekehrt, um den (Meßwert-)Datensatz des nächsten Kanals
desselben Meßmoduls abzufragen.
Fig. 12 schließlich zeigt ein Kalibriersystem 125 für Meßmodule 3 bzw. 3′. Die
wesentlichen Komponenten sind:
- - ein IEC-Bus-kompatibler Kalibrierrechner 126 zur Steuerung eines Kalibriervorgangs des gesamten Kalibriersystems 125 über einen IEC-Bus 127,
- - eine Eingabeeinrichtung 128 und eine Anzeigeeinheit 129 (Bildschirm),
- - eine Kalibrierquelleneinrichtung 130 zur Bereitstellung genau quantifizierter, physikalischer Kalibriergrößen pkg (Eichnormale),
- - ein Klimaschrank 131 zur Temperierung von physikalisch/elektrischen Wandlern (Aufnehmer 21) bzw. zur Feststellung des Temperatureinflusses auf die Meßeinrichtungen,
- - ein Kalibriereinschubsystem 132,
- - ein Plotter 133 zur Ausgabe von Kalibrierdaten bzw. -kurven und -meßwerten in Toleranzbanddarstellung und ein Plotter 134.
Die Kalibrierquelleneinrichtung 130 ist ebenso wie die weiteren Komponenten
131 bis 134 an den IEC-Bus angeschlossen. Sie weist mehrere
elektro-physikalische Wandler 135.1 bis 135. y auf, die auf Eingabe
elektrischer Sollwerte (in Form von Daten vom Kalibrierrechner 126) genau
definierte und quantifizierte, physikalische Kalibriergrößen pkg. 1 bis pkg.y
zur Beaufschlagung der Meßeingänge bzw. der elektrophysikalischen Wandler der
Meßmodule 3 bzw. 3′ abgibt. Es handelt sich hierbei beispielsweise um
Druckquellen, Temperaturquellen bzw. -senken, Stromquellen, Spannungsquellen
usw.
Das Kalibriereinschubsystem 132 ist mechanisch vergleichbar aufgebaut wie das
Einschubsystem 7 für die Meßmodule des Prozeßmeßdatenerfassungssystem nach
Fig. 2. Es weist lediglich neben Leitungen zur Stromversorgung (nicht
gezeigt), den Adreßbus a, 136, dem Datenbus d, 137 und dem Steuerbus s, 138
des Meßbusses mb zusätzliche Anschlußleitungen 139 zur Bereitstellung von
Programmierspannungen ps für die EPROMS auf dem Mikrorechner 30 des Meßmoduls
3 auf. Das Kalibriereinschubsystem 132 ist ferner noch mit einem Umsetzer 140
zur Umsetzung der IEC-Bus-Signale in SMP-Bus-kompatible Signale ausgestattet
sowie mit einem Programmierspannungsgenerator 141 und einem Einkoppelbaustein
142 zum Anschluß der Meßmodule 3 bzw. 3′ an das Kalibriersystem 125.
Die Meßmodule 3′ benötigen allerdings keine Programmierspannung, da in diesen
Meßmodulen die Kalibrierdaten in einem batteriegepufferten RAM abgelegt sind;
sie werden zur Kalibrierung bzw. zum Kalibrierdatenaustausch über das serielle
Bussystem sb an den Kalibrierrechner 126 angeschlossen.
Der modulare Aufbau des Prozeßdatenerfassungssystems und der Aufbau des
Kalibriersystems 125 erlaubt es,
- - Prozeßdatenerfassungssystem und Kalibriersystem räumlich voneinander zu trennen,
- - Meßmodule einzeln zu kalibrieren, d. h., bei einem fehlerhaft messenden oder routinemäßig zu kalibrierenden Meßeinschub muß nicht das ganze Prozeßdatenerfassungssystem stillgelegt und eine Kalibriereinrichtung zum System hingebracht werden, sondern das entsprechende Meßmodul wird aus dem Einschubsystem 7 herausgenommen und im Kalibriersystem neu kalibriert und dann wieder in das Einschubsystem 7 eingesetzt oder durch ein Reservemeßmodul gleichen Typs ersetzt, wobei lediglich im Kodierschalterfeld 34 des Reservemoduls die Adresse des Meßmoduls 3, 3′ entsprechend einzustellen und das Meßmodul vom Zentralrechner 4 aus entsprechend der Meßaufgabe zu konfigurieren ist,
- - das Prozeßdatenerfassungssystem durch Bereithaltung von Ersatz-Meßmodulen mit minimalen Ausfallzeiten betreiben zu können, wobei für mehrere Meßmodule gleichen Typs lediglich ein Ersatz-Meßmodul benötigt wird.
Bei einer Erstkalibrierung läuft ein Kalibriervorgang nun in folgender Weise
ab:
- - Nach Einstecken des Meßmoduls oder der Meßmodule 3, 3′ in das Kalibriereinschubsystem werden die physikalisch-elektrischen Wandler 21 der Meßmodule 3, 3′ mit physikalischen Kalibriergrößen pkg variabler Werte beaufschlagt. Da bei einer Erstkalibrierung noch keine Korrekturdaten im Korrekturdatenspeicherbereich der Meßmodule abgelegt sind, schaltet das Meßmodul unkorrigierte Meßdaten auf den Meßbus auf. Diese unkorrigierten Meßdaten werden im Kalibrierrechner 126 mit Solldaten verglichen.
- - In einer zweiten Phase errechnet der Kalibrierrechner Korrekturdaten zum Abgleich der Wandlungseigenschaften aller Komponenten des Meßmoduls, wie z. B. Verstärkungs-, Nullpunktfehler, statische und dynamische Fehler und Nichtlinearitäten, Temperaturgänge usw. und schreibt die Korrekturdaten in den Korrekturdatenspeicherbereich ein.
- - In einer dritten Phase werden die physikalischen Wandler 21 der Meßmodule erneut mit Kalibriergrößen variabler Werte beaufschlagt. Das Meßmodul schaltet nun auf den Meßbus mb die erfaßten, korrigierten, in normiertes Gleitkommaformat gewandelten Meßdaten auf. Der Kalibrierrechner vergleicht diese erneut mit Solldaten, so daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Toleranzbands die Kalibrierung gegebenenfalls wiederholt werden kann.
Eine Zweit- oder weitere Kalibrierung (Rekalibrierung) läuft folgendermaßen
ab: Nach Beaufschlagung der Meßmodule mit den Eichnormalen und dem Vergleich
der erfaßten Daten mit den Solldaten wird, sofern diese nicht ausreichend
eingehalten werden, eine auf den Anfang eines Datensatzes mit den aktuellen
Kalibrierdaten hinweisende Adresse aktualisiert (erhöht). Dieser neue Daten
satz ist jedoch nicht vorhanden, so daß das Meßmodul nach Beaufschlagung
mit Eichnormalen wieder unkorrigierte Werte abliefern; der weitere Vorgang der
Kalibrierung (zweite und dritte Phase) läuft dann wie bei der Erstkalibrierung
ab.
Das Einschreiben der Korrekturdaten bei der Rekalibrierung in immer neue
Speicherbereiche hat gegenüber dem bekannten Überschreiben des alten Korrek
turdatensatzes zwei gewichtige Vorteile:
- - Zum ersten müssen keine besonderen "Umschaltsignale" zwischen Kalibrierrechner und Meßmodul ausgetauscht werden, da das Meßmodul bei einem fehlenden Korrekturdatensatz in dem von der Anfangsadresse angezeigten Speicherbereich automatisch nicht korrigierte Meßdaten abgibt.
- - Zum zweiten können die "alten" Kalibrierdatensätze vom Kalibrierrechner je derzeit ausgelesen und somit das Alterungsverhalten der Aufnehmer (bzw. der Meßanordnung) durch Trendanalyse festgestellt werden. Dieses kann als wich tiges Hilfsmittel für die Ermittlung der Zeitdauer bis zur nächsten Kalibrierung oder für die Entscheidung zum Austausch des Aufnehmers oder eines anderen defekten Teils verwendet oder sogar zur dynamischen Korrektur der Meßwerte herangezogen werden.
- - Zum dritten ist eine separate "Buchführung" über den Werdegang (bzw. die Rekalibrierungen) des Meßmoduls unnötig.
- - Zum vierten ist ein Löschen von Daten auf dem nichtflüchtigen Speicherbaustein überflüssig. Dies ist insbesondere bei nur lichtlöschbaren Speicherbausteinen von größerem Nutzen, da diese Speicherbausteine nur insgesamt lösbar sind, so daß auch andere wichtige Informationen (z. B. Programme) verloren gehen und jedesmal wieder neu geladen werden müssen.
Selbstverständlich können auch Ausgabe-Meßmodule 3′′ kalibriert werden. Hierzu
steuert der Kalibrierrechner 126 diese an und nimmt mit Präzisions-Meßgeräten,
die ebenfalls an den Kalibrierrechner 126 angeschlossen sind, die Ausgabewerte
auf (nicht gezeigt). Der Kalibriervorgang läuft hierbei weitgehend identisch
zu den beiden Meßmodulen 3, 3′ ab.
Es sei abschließend bemerkt, daß die angegebenen Bausteinspezifikationen nur
Richtlinien sind. Selbstverständlich können auch andere kompatible Bausteine
verwendet werden. Ebenso kann anstatt des SMP-Buskonzepts selbstverständlich
auch ein anderes (Mikro-)Prozessor-Buskonzept mit der dazugehörigen
Bausteinfamilie verwendet werden.
Claims (25)
1. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem zur Erfassung und Ver
arbeitung mehrerer physikalischer Prozeß-Größen, welche über Sensoren (Meß
module) erfaßt und vorverarbeitet als Datenworte über ein Bussystem an einen
oder mehrere, hierarchisch gestufte Verarbeitungs-, Steuer- und Koordinati
onsrechner (Zentralrechner, Hostrechner) übertragen werden, wobei die jeweils
eine oder mehrere physikalische Größen erfassenden Meßmodule wenigstens einen
baulich mit diesem vereinigten oder von diesem abgesetzten, elektrisch leitend
oder über Lichtleiter mit dem Meßmodul verbundenen Aufnehmer zur Erfassung der
physikalischen Größe und zu deren Wandelung in ein äquivalentes elektrisches
Signal, sowie Schaltungen zur Aufbereitung und/oder Umsetzung des oder der
elektrischen Signale und/oder deren Verstärkung und/oder zur Potentialtrennung
und/oder zum Multiplexen und/oder zum Analog-/Digitalwandeln von Signalen
sowie einen Mikrorechner umfassen, welcher umgesetzte oder digitalgewandelte
Signale übernimmt und Wandlungseigenschaften der Meßmodule, wie z. B.
Nichtlinearitäten, Verstärkungs- und Nullpunktfehler der Aufnehmer aufgrund
von in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegter Korrekturdaten abgleicht und
Meßwerte als Datenworte zur Abfrage durch den Zentralrechner bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bussystem (mb.i, mb) ein erweiterter
Prozessorbus des Zentralrechners (4. i, 4, 4′) ist, auf den die Meßmodule
(3. ÿ, 3, 3′, 3′′) aufschaltbar bzw. aufsteckbar sind.
2. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem zur Erfassung und Ver
arbeitung mehrerer physikalischer Prozeß-Größen, welche über Sensoren (Meß
module) erfaßt und vorverarbeitet als Datenworte über ein Bussystem an einen
oder mehrere, hierarchisch gestufte Verarbeitungs-, Steuer- und Koordinati
onsrechner (Zentralrechner, Hostrechner) übertragen werden, wobei die jeweils
eine oder mehrere physikalische Größen erfassenden Meßmodule wenigstens einen
baulich mit diesem vereinigten oder von diesem abgesetzten, elektrisch leitend
oder über Lichtleiter mit dem Meßmodul verbundenen Aufnehmer zur Erfassung der
physikalischen Größe und zu deren Wandelung in ein äquivalentes elektrisches
Signal, sowie Schaltungen zur Aufbereitung und/oder Umsetzung des oder der
elektrischen Signale und/oder deren Verstärkung und/oder zur Potentialtrennung
und/oder zum Multiplexen und/oder zum Analog-/Digitalwandeln von Signalen
sowie einem Mikrorechner umfassen, welcher umgesetzte oder digitalgewandelte
Signale übernimmt und Wandlungseigenschaften der Meßmodule, wie z. B.
Nichtlinearitäten, Verstärkungs- und Nullpunktfehler der Aufnehmer aufgrund
von in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegter Korrekturdaten abgleicht und
Meßwerte als Datenworte zur Abfrage durch den Zentralrechner bereitstellt,
insbesondere nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Meßmodule
(3. ÿ, 3, 3′, 3′′) mit dem Zentralrechner (4. i, 4, 4′) verbindenden Bussystem
(mb.i, mb) auf der Basis eines standardisierten, parallelen
Mikroprozessorbusses (SMP-Bus) aufgetaut ist.
3. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach den Ansprüchen 1
und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorechner (30, 36) der Meßmodule
(3. ÿ, 3, 3′, 3′′) die erfaßten und korrigierten Meßwerte in Datenworte in ein
normalisiertes Gleitkommaformat umsetzen und zum Abruf durch den
Zentralrechner (4. i, 4, 4′) in einem Speicher (39) mit wahlfreiem Zugriff
zwischenspeichern.
4. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach wenigstens einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmodule (3. ÿ,
3, 3′, 3′′) vom Zentralrechner (4. i, 4, 4′) zum Abruf der Datenworte über den
Mikroprozessorbus (mb.i, mb) mittels eines Adreßworts entsprechend einer
meßmodulspezifischen Adresse angesprochen werden.
5. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Adresse im Meßmodul wenigstens durch Kodierschalter
einstellbar festgelegt und durch einen PAL-Baustein (Programmable Array Logic)
(32, 34) und/oder ein Verdrahtungsfeld (33, 45) dekodiert wird.
6. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der meßmodulspezifischen Adresse ent
sprechend des Typs des Meßmoduls (3. ÿ, 3, 3′, 3′′) und/oder der Anzahl
verwendeter, gleichartiger Meßmodul-Typen innerhalb des
Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystems und/oder dem Typ des
Meßmoduls (3. ÿ, 3, 3′, 3′′) und/oder nach der Art der erfaßten physikalischen
Größe (mp.ÿ) und/oder nach dem Meßbereich festgelegt wird.
7. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Rate, mit der die Meßmodule die physikalischen Größen
(mp.ÿ) erfassen, innerhalb der Meßmodule (3. ÿ, 3, 3′, 3′′) festgelegt,
jedoch über das Bussystem (mb.i, mb) vom Zentralrechner (4. i, 4) aus
konfigurierbar ist.
8. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das System mittels eines Einschubsystems (7) (Racks) rea
lisiert ist, daß eine Stromversorgung (13, 14) sowie das Bussystem (10-12)
umfaßt, auf das der Zentralrechner (4. i, 4, 4′) und die als Einschübe reali
sierten Meßmodule (3. ÿ, 3, 3′, 3′′) in lediglich durch eine maximale Länge des
Mikroprozessorbusses und dem Einbauraum der Meßmodule (3. ÿ, 3, 3′, 3′′)
begrenzten Anzahl und beliebiger Konfiguration entsprechend der Meßaufgabe
aufsteckbar sind.
9. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach wenigstens einem
der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner
(36) der Meßmodule (3′) zusätzlich Aufgaben der Datenvorselektion und/oder der
Datenvorverdichtung und/oder der Datenverarbeitung und/oder der Datenzwi
schenspeicherung übernimmt.
10. Prozeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmodul (3′) zusätzlich ein zwischen
Mikrorechner (36) und Bussystem (mb) eingesetzten Dual-Port-RAM (41) umfaßt,
in das Daten, Adressen oder Instruktionen sowohl vom Mikrorechner (36), als
auch vom Zentralrechner (4. i, 4, 4′) aus eingelesen, ausgelesen oder
zwischengespeichert werden können.
11. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach den Ansprüchen 9
oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgaben des Mikrorechners durch
einen der Verarbeitung und Umsetzung der Meßdaten dienenden
Verarbeitungsprozessor (36) und einen mit diesem gekoppelten, der Steuerung
von Komponenten (21 bis 28) der Meßmodule (3′) dienenden Steuerprozessor (35)
vorgenommen werden.
12. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anpruch 9, 10
oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmodule (3′) über eine zusätzliche
serielle Schnittstelle (47) verfügen, über die die Meßmodule (3′) jederzeit
konfigurierbar, d. h. mit Meßprogrammen ladbar und/oder kalibrierbar sind
und/oder über die eine Datenverbindung (sb) zu Submodulen geschaffen werden
kann.
13. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitunssystem nach wenigstens einem
der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System (1) zu
sätzlich mit adressierbaren Ausgabe-Meßmodulen (3′′) bestückt werden kann, mit
welchem prozeßsteuernde Größen mittels über einen Mikrorechner (48)
angesteuerten elektrophysikalischen Wandlern beaufschlagt werden.
14. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Ausgabe-Meßmodule (3′′) durch
den Zentralrechner (4. i, 4, 4′) durch Ausgabe einer Ausgabemodul-Adresse und
eines Steuerwortes im normierten Gleitkommaformat erfolgt, welches vom
Mikrorechner (48) des Ausgabe-Meßmoduls (3′′) in einen Ansteuerwert für den
elektrophysikalischen Wandler oder für Treiberschaltungen (56, 57) des
elektrophysikalischen Wandlers derart umgesetzt wird, daß die prozeßsteuernde
Größe einen zum Steuerwort proportionalen Wert annimmt, wobei statische
und/oder dynamische Wandlungseigenschaften der Ausgabe-Meßmodule (3′′), wie
z. B. Nichtlinearitäten, Verstärkungs- und Nullpunktfehler usw. der
Ausgabe-Meßmodule (3′′) aufgrund von in einem nichtflüchtigen Speicher abge
legten Korrekturdaten abgeglichen werden.
15. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 13 oder
14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgabe-Meßmodul (3′′) zusätzlich einen
Aufnehmer zur Erfassung der prozeßsteuernden Größen und zu deren Wandelung in
ein äquivalentes elektrisches Signal, sowie Schaltungen zur Aufbereitung
und/oder Umsetzung des elektrischen Signals und/oder deren Verstärkung
und/oder zur Potentialtrennung (66, 67) und/oder zum Analog-/Digitalwandeln
umfaßt sowie einen auf dem Mikrorechner (48) implementierten Regelkreis, mit
dem der Ansteuerwert des elektrophysikalischen Wandlers so geregelt wird, daß
die prozeßsteuernde Größe ihrem Sollwert optimal folgt.
16. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 15, da
durch gekennzeichnet, daß das System als mobiles Meßdatensystem eingesetzt
werden kann, wobei dieses ein Einschubsystem (7) mit dem standardisierten,
parallelen Mikroprossorbus (10-12), eine Stromversorgung (14) sowie Ein
schubplätzen für beliebige Meßmodule (3. ÿ, 3, 3′) und Ausgabe-Meßmodule
(3′′), einen Zentralrechner und einen Massenspeicher für Meßwerte und Meßpro
gramme und mit einem Display und einen Handeingabegerät ausgestattet ist, wo
bei der Massenspeicher eine externe Schnittstelle zum Laden von Meßprogrammen
und zum Auslesen von Meßdaten umfaßt und mit dem Handgerät wenigstens teil
weise in einen Ablauf eines Meßprogramms eingegriffen werden kann.
17. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem zur Erfassung und Ver
arbeitung mehrerer physikalischer Größen, welche über Sensoren (Meßmodule)
erfaßt und vorverarbeitet als Datenworte über ein Bussystem an einen oder
mehrere, hierarchisch gestufte Verarbeitungs-, Steuer- und Koordinationsrech
ner (Zentralrechner, Hostrechner) übertragen werden, wobei die jeweils eine
oder mehrere physikalische Größen erfassenden Meßmodule wenigstens einen
baulich mit diesem vereinigten oder von diesem abgesetzten, elektrisch leitend
oder über Lichtleiter mit dem Meßmodul verbundenen Aufnehmer zur Erfassung der
physikalischen Größe und zu deren Wandlung in ein äquivalentes elektrisches
Signal, sowie Schaltungen zur Aufbereitung und/oder Umsetzung des oder der
elektrischen Signale und/oder deren Verstärkung und/oder zur Potentialtrennung
und/oder zum Multiplexen und/oder zum Analog-/Digitalwandeln von Signalen
sowie einen Mikrorechner umfassen, welcher umgesetzte oder digitalgewandelte
Signale übernimmt und Nichtlinearitäten, Verstärkungs- und Nullpunktfehler der
Aufnehmer aufgrund von in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegter
Korrekturdaten abgleicht und Meßwerte als Datenworte zur Abfrage durch den
Zentralrechner bereitstellt, insbesondere nach wenigstens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Schnittstelle
für einen standardisierten Mikroprozessorbus (mb, SMP-Bus) und/oder eine
serielle Schnittstelle aufweisende Meßmodul (3, 3′) Korrekturdaten zum
Abgleich von statischen und/oder dynamischen Wandlungseigenschaften, wie z. B.
einen nichtflüchtigen Speicher umfaßt, in den Nichtlinearitäten, Verstärkungs-
und Nullpunktfehler usw. bei einer Kalibrierung jeweils in immer neue
Speicherplätze eingeschrieben werden und lediglich eine, in einem Spei
cherplatz des nichtflüchtigen Speichers abgelegte, auf einen Anfang eines Da
tensatzes mit den aktuellen Kalibrierdaten hinweisende Adresse aktualisiert
wird.
18. Prozeßmeßdatererfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 17, da
durch gekennzeichnet, daß der nichtflüchtige Speicherbaustein ein elektrisch
lösch- und programmierbarer Speicherbaustein (EPROM) ist.
19. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 18, da
durch gekennzeichnet, daß der nichtflüchtige Speicherbaustein ein
batteriegepufferter Speicherbaustein (39) mit wahlfreiem Zugriff (RAM) ist.
20. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach wenigstens einem
der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner ein
Kalibriersystem (125) umfaßt, das einen Kalibrierrechner (126), ein von diesem
steuerbares System zur Bereitstellung von variablen Kalibriergrößen oder
Eichnormalen (Kalibrierquelleneinrichtung 130, steuerbare
Klimatisierungssysteme 131) sowie ein Kalibriereinschubsystem (132) umfaßt,
auf dem zu kalibrierende Meßmodule (3, 3′, 3′′) über den standardisierten
Mikrorechnerbus (mb, SMP-Bus) und/oder die serielle Schnittstelle (47,
serielles Bussystem sb) mit dem Kalibrierrechner (126) zur Kalibrierung
verbunden werden können, wobei bei einer Erstkalibrierung
- - in einer ersten Phase der Kalibrierung die Meßmodule (3, 3′) und mit Eich normalen oder Kalibriergrößen (pkg.1 bis pkg.y) variabler Werte innerhalb des Meßbereiches des Meßmoduls (3, 3′) beaufschlagt werden, wobei das Meßmodul (3, 3′) aufgrund nicht vorhandener Korrekturdaten, nicht korrigierte, nicht umgesetzte Daten auf das Bussystem (mb) aufschaltet, welche vom Kalibrierrechner (126) mit Solldaten verglichen werden,
- - in einer zweiten Phase der Kalibrierung der Kalibrierrechner (126) Korrekturdaten errechnet und diese zum Einschreiben auf die entsprechenden Speicherzellen des Meßmoduls (3, 3′′) bereitstellt bzw. in diese einschreibt,
- - in einer dritten Phase der Kalibrierung die Meßmodule (3, 3′) und erneut mit Eichnormalen oder Kalibriergrößen (pkg. 1 bis pkg.v) variabler Werte innerhalb des Meßbereichs des Meßmoduls (3, 3′) beaufschlagt werden, wobei das Meßmodul (3, 3′) die erfaßten, aufgrund der neuen Korrekturdaten korrigierten, in das normierte Datenformat umgesetzten Daten auf das Bussystem (mb) aufschaltet, welche vom Kalibrierrechner (126) erneut mit den Solldaten verglichen werden, so daß ein Überschreiten eines vorgegebenen Toleranzbands die Kalibrierung gegebenenfalls wiederholt werden kann.
21. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Rekalibrierung
- - in einer erste Phase die Meßmodule (3, 3′) mit Eichnormalen oder Kalibriergrößen (pgk. 1 bis pkg.y) variabler Werte innerhalb des Meßbereichs des Meßmoduls (3, 3′) beaufschlagt werden, wobei das Meßmodul (3, 3′) die erfaßten, aufgrund der alten Korrekturdaten korrigierten, in das normierte Datenformat umgesetzten Daten auf das Bussystem (mb) aufschaltet, welche vom Kalibrierrechner (126) mit den Solldaten verglichen werden, so daß beim Einhalten des vorgegebenen Toleranzbands die Kalibrierung abgebrochen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Toleranzbands der Kalibrierrechner (126) die in den Speicherplatz des nichtflüchtigen Speichers (39) abgelegte, auf den Anfang eine neuen (und noch nicht vorhandenen) Datensatzes mit neuen Kalibrierdaten hinweisende Adresse aktualisiert und das Meßmodul (3, 3′) mit Eichnormalen oder Kalibriergrößen variabler Werte innerhalb des Meßbereichs des Meßmoduls (3, 3′) beaufschlagt, wobei das Meßmodul (3, 3′) aufgrund des nicht vorhandenen Datensatzes nicht korrigierte und nicht umgesetzte Daten auf das Bussystem (mb) aufschaltet, welche vom Kalibrierrechner (126) mit Solldaten verglichen werden,
- - in einer zweiten Phase der Rekalibrierung der Kalibrierrechner (126) Korrekturdaten errechnet und diese zum Einschreiben auf die entsprechenden, neu adressierten Speicherzellen des Meßmoduls (3, 3′) bereitstellt bzw. in diese einschreibt,
- - in einer dritten Phase der Rekalibrierung die Meßmodule (3, 3′) durch den Kalibrierrechner (126) erneut mit Eichnormalen oder Kalibriergrößen (pkg. 1 bis pkg.y) varialber Werte innerhalb des Meßbereichs des Meßmoduls (3, 3′) beaufschlagt werden, wobei das Meßmodul (3, 3′) die erfaßten, aufgrund der neuen Korrekturdaten korrigierten, in das normierte Datenformat umgesetzten Daten auf das Bussystem (mb) aufschaltet, welche vom Kalibrierrechner (126) erneut mit den Solldaten verglichen werden, so daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Toleranzbands die Rekalibrierung gegebenenfalls wiederholt werden kann.
22. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 21, da
durch gekennzeichnet, daß das Kalibriereinschubsystem (132) für Meßmodule (3)
mit EPROM oder EEPROM zusätzlich Lösch- und Programmierspannungen
bereitstellt, welche über nicht belegte Leitungen (139) des
Mikroprozessorbusses (mb) über diesen in das EPROM oder EEPROM eingespeist
werden.
23. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 21, da
durch gekennzeichnet, daß der Kalibrierrechner (126) für Meßmodule (3) mit
zusätzlicher, serieller Schnittstelle (47) die Kalibrierdaten über dieses
bereitstellt, so daß sie vom Meßmodul (3′) in die entsprechenden Speicherzellen
des batteriegepufferten Speichers (39) eingelesen werden können.
24. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 22 oder
23, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierrechner (126) alte Kalibrierwerte
aus dem Speicher (39) der Meßmodule (3, 3′) auslesen und aufgrund dessen das
Alterungsverhalten des Aufnehmers durch Trendanalyse feststellen und
gegebenenfalls auf einen erforderlich werdenden Austausch des Aufnehmers
hinweisen kann.
25. Prozeßmeßdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem nach Anspruch 22, da
durch gekennzeichnet, daß an den Kalibrierrechner (126) ein Plotter (133)
angeschlossen ist, auf dem Meßwerte bei der Kalibrierung sowie Toleranzbänder
und das Alterungsverhalten der Komponenten (21 bis 28) der Meßmodule (3, 3′)
graphisch dargestellt werden kann.
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DE19873743847 DE3743847A1 (de) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Prozessdatenerfassungs- und -verarbeitungssystem |
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DE3743847A1 true DE3743847A1 (de) | 1989-07-13 |
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