DE3411096C2

DE3411096C2 - Mehrkanaliges Meßwerterfassungs-, -übertragungs- und -verarbeitungssystem

Info

Publication number: DE3411096C2
Application number: DE19843411096
Authority: DE
Inventors: Jan-Martin Dipl.-Phys. 5885 Schalksmühle Heykants; Arnold Dipl.-Ing. 7516 Karlsbad Schwaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1984-03-26
Publication date: 1987-01-29
Also published as: DE3411096A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrkanaliges Meßwertverarbeitungssystem mit faseroptischen analogen Meßgrößenaufnehmern als Meßumformer, einem hybriden, mikroprozessorgesteuerten Meßfeldkonzentrator und einem Lichtleitfaserkabel zur bitseriellen und zeitmultiplexen Übertragung an eine zentrale Warte. Bei bidirektionalem Austausch von Daten werden auch Parametrierung und Diagnose der Meßgrößenaufnehmer sowie die Ansteuerung von Stellgliedern über das Lichtleitfaserkabel durchgeführt. Die Erfindung wird angewendet bei mehrkanaligen, faseroptischen Meßwertübertragungssystemen.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrkanaliges Meßwerterfassungs-, -Übertragungs- und -verarbeitungssystem mit peripheren, im Meßfeld angeordneten Meßgrößenaufnehmern geringen Leistungsbedarfs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE-OS 30 30 632) ist ein Telemetriesystem mit opto-elektrischen und elektro-optischen Wandlern aufgebaut, das eine optische Meßwerterfassung und elektronische Verarbeitung der Meßdaten erlaubt. Auch ist hier beschrieben, wie über eine Multiplexanordnung eine elektrische Weitergabe über eine Datensammelleitung vorgenommen werden kann. Das Problem der Energieversorgung beliebig verteilter Meßstellen unter weitgehendem Verzicht auf längere elektrische Übertragungswege ist hier jedoch nicht angesprochen.
Es ist darüber hinaus schon vorgeschlagen worden, mehrere Glasfaser-Meßgrößenaufnehmer zwischen einem Speiselichtleiter und einem Signallichtleiter parallel so einzuschleifen, daß von einer pulsierenden Speiselichtquelle ausgehende Lichtimpulse Laufzeitunterschiede erhalten, die durch unterschiedliche Speise- und Signalweglängen hervorgerufen sind und zu einem zeitmultiplexen Eintreffen der in den Meßgrößenaufnehmern modulierten Impulse in einem Lichtempfänger am Ende der Signalleitung führen. Ein einwandfreies Funktionieren dieses Systems hängt zweifellos von einer geeigneten Wahl der Weglängen ab. Es ist deshalb schwer vorstellbar, daß mit diesem System ein Meßfeld bedient werden kann, dessen Meßstellen beliebig verteilt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Meßwerterfassungssystem der eingangs genannten Art eine einfache Ansteuerung der Meßgrößenaufnehmer mit faseroptischen Mitteln zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Meßwerterfassungssystem der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 eingegebenen Merkmalen gelöst.
Bei dem neuen System werden prinzipiell keine längeren Leitungswege benötigt als bei dem obenerwähnten, schon vorgeschlagenen System. Die Leitungslängen zu den einzelnen Meßgrößenaufnehmern sind jedoch nicht durch Erwägungen über die Laufzeit der Signale vorgegeben. Weiter ist das neue System auch von einer zentralen Warte aus mit Lichtenergie speisbar. Über einen wesentlichen Teil des Übertragungsweges entfallen beim neuen System Einflüsse wechselnder Lichtdämpfung in den Leitungen als mögliche Übertragungsfehler für das Meßsignal, weil intensitätsanaloge Meßsignale nur über verhältnismäßig kurze Leitungsabschnitte zwischen intensitätsanaloge Signale abgegebenen Meßgrößenaufnehmern und dem Meßfeldkonzentrator anfallen. Über die Lichtleitung zwischen dem Meßfeldkonzentrator und der zentralen Warte werden dagegen digitale Signale übertragen, deren Auslesung durch die Leitungsdämpfung in erster Näherung nicht beeinflußt wird. Die faseroptischen Meßgrößenaufnehmer können sowohl intensitätsanaloge als auch frequenzanaloge Signalausgänge aufweisen. Bei letzteren wird der Meßwert als Frequenz einer Impulsfolge oder einer Wechselspannung abgebildet.
Der Meßstellenwahlschalter enthält gemäß der Erfindung einen elektro-optischen Wandler zu Speisezwecken. Daran angeschlossen ist ein Sternkoppler für Lichtspeiseleitungen zu den Meßgrößenaufnehmern. Signalleitungen von diesen Aufnehmern beaufschlagen im Meßfeldkonzentrator eine Mehrfachanordnung von opto-elektrischen Meßsignalwandlern.
Ein anderes Ausführungsbeispiel des Meßstellenwahlschalters setzt sich aus einer Mehrfachanordnung elektro-optischer Wandler zu Lichtspeisezwecken der Meßgrößenaufnehmer, einem Sternkoppler in den Signalwegen von den Meßgrößenaufnehmern und einem opto-elektrischen Meßsignalwandler nach dem Sternkoppler zusammen.
Mindestens die vorerwähnten Mehrfachwandler sind zweckmäßig nacheinander durch den im Meßfeldkonzentrator enthaltenen Mikroprozessor taktgesteuert.
Bei bidrektionalem Datenaustausch über das Lichtleiterkabel kann in vorteilhafter Weise eine Parametrierung oder Diagnose der Umformer bzw. Meßgrößenaufnehmer von der zentralen Warte aus vorgenommen werden. Auch ist es hierbei möglich, über das Lichtleiterkabel faseroptisch ansteuerbare Stellglieder in das Meßsystem mit einzubeziehen, wie sie für sich aus "Wiss. Ber. AEG-TELEFUNKEN" 55 (1982) 1-2, S. 22 bekannt sind. Auch die Anwendung von Stellgliedern mit pneumatischem Ansteuerdruck ist möglich.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Meßgrößenaufnehmern kann das System auch durch weitere ortsbatteriegespeiste Meßgrößenaufnehmer ergänzt werden.
Diese Meßgrößenaufnehmer weisen zweckmäßig Ausgänge für bitserielle Signale auf.
Die Betriebsenergie für den Meßfeldkonzentrator kann einer Ortsbatterie entnommen werden.
Teilweise oder vollständig ist die Betriebsenergie dem Meßfeldkonzentrator auch als Lichtenergie aus der zentralen Warte über eine zweite Ader des die Warte mit dem Meßfeldkonzentrator verbindenden Lichtleiterkabels zuführbar.
Vorteilhafterweise können mehrere jeweils zu Meßfeldkonzentratoren zusammengefaßte mikroprozessorgesteuerte, hybride Meßstellenwahlschalter mit nachgeschaltetem Analog- Digital-Konverter, Speicher und digitalem Lichtmodulator über Lichtverzweiger und ein einziges Lichtleiterkabel mit einer zentralen Warte verbunden sein.
Analog-Digital-Konverter, Speicher und Mikroprozessor erlauben eine Signalvorverarbeitung im Meßfeldkonzentrator, die oft infolge beispielsweise einer nichtlinearen Kennlinie einiger Meßwertaufnehmer wünschenswert ist. Mit dem Mikroprozessor sind auch Rechnungen zur Datenkonzentration, beispielsweise Grenzwertbildung, Plausibilitätstest usw., durchführbar.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung mit drei Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des neuen Meßwertverarbeitungssystems.
Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der Meßfeldkonzentrator genannten Einheiten als Blockschaltbild dar.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusätzlichen batteriegespeisten Meßwertaufnehmers.
In Fig. 1 ist eine zentrale Warte 1 über ein zweiadriges Lichtleiterkabel 2 mit einem Meßfeldkonzentrator 3 verbunden. Der Meßfeldkonzentrator ist in seiner Gesamtheit ein hybrider Bauteil, er enthält opto-elektrische Eingangsschaltungen und elektro-optische Ausgangsschaltungen sowie rein elektrische Einheiten, die in Fig. 2 näher erläutert sind. Als Quelle für seine Betriebsenergie ist eine Ortsbatterie 4 vorgesehen. Die Betriebsenergie kann jeoch mindestens teilweise auch als Lichtenergie über eine der beiden Adern des Lichtleiterkabels 2 aus der Warte 1 zugeführt werden. Der opto-elektrische Eingangsteil des Meßfeldkonzentrators 3 ist ebenfalls mit zweiadrigen Lichtleiterkabeln 5, 6 und 7 mit einzelnen Umformern, hier Meßwertaufnehmern 8, 9 und 10, eines Meßfeldes verbunden. In den Meßgrößenaufnehmern 8 und 9 beeinflussen jeweils physikalische Größen das über die eine Ader der Lichtleiterkabel 5 und 6 zugeführte Licht derart, daß im Meßgrößenaufnehmer 8 das Licht intensitätsanalog und im Meßgrößenaufnehmer 9 das Licht frequenzanalog moduliert wird. In der jeweils anderen Ader der Lichtleiterkabel 5 und 6 werden die so modulierten Meßsignale an den Meßfeldkonzentrator 3 zurückgeführt. Der Meßgrößenaufnehmer 10 ist als hybrider Aufnehmer gedacht, bei dem eine physikalische Meßgröße einen elektrischen Teil des Aufnehmers derart beeinflußt, daß dieser einen optischen Sender zum Aussenden von meßgrößenmodulierten optischen Signalen veranlaßt. Die Betriebsenergie für den Meßgrößenaufnehmer 10 liefert eine Ortsbatterie 11. Ein Ausführungsbeispiel des Meßgrößenaufnehmers 10 ist anhand der Fig. 3 erläutert. Bei bidirektionalem Datenaustausch über das Lichtleiterkabel 2 ist auch eine Parametrierung oder Diagnose der Meßgrößenaufnehmer 8, 9, 10 möglich.
Weiterhin können über die optischen Leitungswege auch Stellsignale zu in das System einbeziehbaren Stellgliedern als Umformer übertragen werden. Hierzu sind optische ansteuerbare Thyristoren geeignet. Weiterhin ist die Anwendung von ohne elektrische Steuerleistung auskommenden pneumatischen Stellventilen möglich. Sie bedürfen der kontinuierlichen Ansteuerung durch Ansteuerdruck. Dieser könnte von einem pneumatischen Steuerventil vorgegeben werden, dessen Druck beispielsweise durch einen piezoresistiven Sensor überwacht wird. Die Versorgung hilfsenergiearmer elektrischer Funktionskomponenten für die Stelldruckerzeugung kann durch Batterien oder bei begrenzter Hilfsenergieanforderung durch Speiselicht erfolgen. Die Stellbefehle werden dann beispielsweise durch kurzzeitige Unterbrechung der Speiselichtversorgung übertragen werden. Vor- und Rückwärtsimpulse können z. B. durch unterschiedliche Dauer erkannt werden.
Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Meßfeldkonzentrators dar. An Ausgänge eines Sternkopplers 20 ist jeweils eine der Adern der Lichtleiterkabel 5, 6 und 7 aus Fig. 1 angeschlossen. Die anderen Adern dieser Lichtleiterkabel liegen an optischen Eingängen einer Mehrfachanordnung 21 von opto-elektronischen Wandlern. Ein Eingang des Sternkopplers 20 ist mit dem optischen Ausgang eines elektro-optischen Wandlers 22 verbunden. Mindestens die Mehrfachanordnung 21 von opto-elektronischen Wandlern wird nacheinander durch ein elektrisches Steuersignal angesteuert, das in einem Mikroprozessor 23 erzeugt wird. Der Mikroprozessor 23 steuert auch einen Analog-Digital-Konverter 24, an dessen Eingang die elektrischen Ausgänge der Mehrfachanordnung 21 von opto-elektronischen Wandlern parallel liegen. Ausgänge des Analog-Digital-Konverters 24 sind mit Eingängen eines Speichers 25 verbunden, der Teil des Mikroprozessors 23 ist. Mit Hilfe des Mikroprozessors ist der Inhalt des Speichers 25 sequentiell auslesbar, ein entsprechender Ausgang des Speichers liegt am Modulationseingang eines digitalen Lichtmodulators 26. Am optischen Ausgang des Lichtmodulators 26 liegt ein bitserielles Signal an, das durch die eine Ader des Lichtleiterkabels 2 aus der Fig. 1 der in der Fig. 2 nicht dargestellten Warte zugeführt wird. Die Betriebsenergie für alle Teile des in der Fig. 2 dargestellten Meßfeldkonzentrators liefert eine Ortsbatterie 27. Mindestens teilweise kann die Betriebsenergie auch aus der Warte als Lichtenergie über die zweite Ader des Lichtleiterkabels 2 zugeführt werden. Die Lichtenergie ist in einem opto-elektrischen Wandler 28 in elektrische Energie zu überführen. Eine andere Möglichkeit, den Meßstellenschalter auszuführen, ist nicht in einer Figur dargestellt. Sie besteht darin, anstelle eines mehrfachen opto-elektronischen Wandlers 21 einen mehrfachen elektro-optischen Wandler, beispielsweise mehrere gesteuerte Lichtemissionsdioden, vorzusehen, den elektro-optischen Wandler 22 durch einen opto-elektronischen Wandler zu ersetzen, die Speiseaderanschlüsse der Lichtleiterkabel 5, 6 und 7 mit deren Meßsignaladeranschlüssen zu vertauschen und die elektrische Seite des mehrfachen Wandlers vom Mikroprozessor 23 aus zu steuern, während der Ausgang des opto-elektronischen Wandlers an den Analog-Digital-Konverter 24 angeschlossen ist.
Die Fig. 3 zeigt einen batteriegespeisten Meßgrößenaufnehmer nach Art des in Fig. 1 dargestellten Aufnehmers 10. Die Meßgröße steuert einen Verstärker 30 aus, dessen Ausgangssignal einem Analog-Digital-Konverter 31 zugeführt ist. Die digitalen Werte aus dem Ausgang des Analog-Digital-Konverters 31 werden in einem Mikroprozessor 32 gespeichert und verarbeitet. Sie steuern den elektrischen Eingang eines elektro-optischen Lichtmodulators 33 so, daß dieser über eine Lichtleitader 34 ein bitserielles Signal abgibt. Die Betriebsenergie für die Einheiten 30 bis 33 liefert eine Ortsbatterie 35. Eine zweite Ader 36 führt dem elektro-optischen Lichtmodulator 33 das zu modulierende Licht aus dem Meßfeldkonzentrator zu.

Claims

1. Mehrkanaliges Meßwerterfassungs-, -Übertragungs- und -verarbeitungssystem

- mit einem mikroprozessorgesteuerten hybriden Meßstellenwahlschalter,

- mit peripheren, im Meßfeld angeordneten faseroptisch ansteuerbaren Meßgrößenaufnehmern geringen Leistungsbedarfs,

- die ein meßwertäquivalentes optisches Ausgangssignal erzeugen,

- mit mehrfachen opto-elektrischen Meßsignalwandlern, die mit Schaltmitteln zur Erzeugung eines meßwertäquivalenten digitalen Signals verbunden sind,

- mit einem digitalen Lichtmodulator als elektro-optischem Wandler der an ein Lichtleiterkabel für einen zeitmultiplexen Datenaustausch mit einer externen Verarbeitungseinrichtung angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Meßstellenwahlschalter einen Sternkoppler (20) für Lichtspeiseleitungen zu den Meßgrößenaufnehmern (8, 9, 10) enthält, der an den Ausgang des elektro-optischen Wandlers (22) angeschlossen ist, zur Speisung der Meßgrößenaufnehmer (8, 9, 10).

2. Mehrkanaliges Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößenaufnehmer (10) bei bidirektionalem Datenaustausch über das Lichtleiterkabel (2) von der zentralen Warte (1) mit Steuerbehelfen zur Parametrierung oder Diagnose versorgbar sind.

3. Mehrkanaliges Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß faseroptisch ansteuerbare Stellglieder vorhanden sind, die Stellbefehle bei bidirektionalem Datenaustausch über das Lichtleiterkabel (2) von der zentralen Warte (1) erhalten.

4. Mehrkanaliges Meßsystem nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ortsbatteriegespeiste Meßgrößenaufnehmer (10) mit Ausgängen für bitserielle Signale vorgesehen sind.

5. Mehrkanaliges Meßsystem nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsenergie für den mikroprozessorgesteuerten Meßstellenwahlschalter (20, 21, 22) einen Analog-Digital-Konverter (24), Speicher (25) und digitalen Lichtmodulator (26) aus einer Ortsbatterie (27) geliefert wird.

6. Mehrkanaliges Meßsystem nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsenergie für den mikroprozessorgesteuerten Meßstellenwahlschalter (20,21, 22), den Analog-Digital-Konverter (24), Speicher (25) und digitalen Lichtmodulator (26) mindestens teilweise als Lichtenergie aus der zentralen Warte zugeführt wird.

7. Mehrkanaliges Meßsystem nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere jeweils zu Meßfeldkonzentratoren (3) zusammengefaßte mikroprozessorgesteuerte, hybride Meßstellenwahlschalter mit nachgeschaltetem Analog-Digital-Konverter, Speicher und digitalem Lichtmodulator über Lichtverzweiger und ein einziges Lichtleiterkabel (2) mit einer zentralen Warte (1) verbunden sind.