WO2012139640A1 - Übertragungssystem, zentraleinheit oder feldgerät in einem solchen übertragungssystem und verfahren zum betrieb des systems - Google Patents

Übertragungssystem, zentraleinheit oder feldgerät in einem solchen übertragungssystem und verfahren zum betrieb des systems Download PDF

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WO2012139640A1
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transmission system
field device
uart
sink
power source
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Gerhard Hammer
Thomas Hauschulz
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Definitions

  • Transmission system central processing unit or field device in such a transmission system and method of operation of the system
  • the invention relates to a transmission system, a central processing unit and / or a field device in such a transmission ⁇ system or for such a transmission system and a method for operating the system and / or the included or usable in such a system units, ie in particular central unit and field device.
  • a transmission system a central processing unit and / or a field device in such a transmission ⁇ system or for such a transmission system
  • a method for operating the system and / or the included or usable in such a system units ie in particular central unit and field device.
  • an outbound connection from the central unit to supply energy to the or each field device and a communication link to and from the field device ⁇ is simultaneously via a two-wire line be.
  • Transmission systems based on a two-wire line with a central unit and at least one field device are known per se.
  • An ⁇ in a transmission system having at least one central unit and at least one field device, frequently a plurality of field devices, wherein a connection to the power supply of the or each field device and a communicative connection from and to the field device simultaneously consists of a two-wire line, the following is provided:
  • the central processing unit comprises at least one DC source ⁇ and a communication module.
  • a communication module is a so-called UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) into consideration.
  • the field device comprises at least a first and a second DC sink and also a communication ⁇ block.
  • a so-called UART is considered as a communication module.
  • An output signal of the communication module in particular ⁇ sondere a transmission signal as an output signal is superimposed directly one of the two-wire line impressed by the DC bus voltage source.
  • the direct storage is there ⁇ for example, without any additional coding, as her otherwise intended to ⁇ for transmission over two-wire lines to avoid an information-dependent DC component.
  • the direct superposition furthermore takes place, for example, as a unipolar, so-called NRZ signal.
  • the two-wire line is connected for data and energy transmission in the transmission system to the DC power source of the central unit and to the first and second DC sink of the or each field device.
  • the communication module of the central unit as the first communications module and the communications module of a field device are referred to as a second communication module ⁇ below.
  • the central unit has the DC power source either in the form of two independent DC power sources - first and second DC power sources - or in the form of a controlled DC power source.
  • two independent DC sources ⁇ is one of the direct current sources controlled.
  • Only one controlled DC source is basically to a summary of an independent first and second DC power source, one of which is controllable.
  • the advantage of the invention is that via a two-wire line, so two cable wires, a transmission of
  • the transmission is transparent to the respective proto ⁇ koll für and thus basically suitable for all common bus protocols.
  • the data and energy transfer is scalable in terms of data rate, cable length and energy requirements.
  • the transmission is independent of a specific topology and therefore suitable for star, tree and bus structures as well as end-to-end links.
  • the costs for the device interface are no higher than for a standard RS485 interface today.
  • An advantage of the invention is thus also that a transmission system similar to that shown in FIG 2 is possible, consisting of a the automation system associated central unit, one or more field devices and the required connection cables.
  • the field devices are from powered by the central unit and can communicate with it.
  • this communication takes place via the communication component integrated in almost every microcontroller and known by the name UART.
  • transmitter and receiver ie central unit and field device, in the proposed transmission ⁇ system but only a two-wire line is needed.
  • a constant supply voltage UK is applied to the transfer ⁇ transmission cable via the central unit, the field equipment can be found for its power supply a constant current IK and generate a voltage UV to supply the electronics and of the AN closed sensor or actuator.
  • the field equipment can be found for its power supply a constant current IK and generate a voltage UV to supply the electronics and of the AN closed sensor or actuator.
  • the central unit has at least one port, often via a plurality of ports, to each of which one or more field devices can be connected.
  • the number of ports and the number of field devices that can be connected to each port depend on the respective boundary conditions. As energy needs, necessary data rate, cable length, etc. So z. For example, for higher data rates, one field device per port can be connected if certain line lengths are exceeded.
  • the proposed transmission system combines the cost ⁇ advantages of a system with two lines for power and data transmission (four-wire system) with known two-wire systems, because the output of the communication module directly, ie without further coding or the like, one of the two-wire line impressed by the DC power source bus voltage is superimposed , This saves costs (omission of the encoder / decoder) and the full transparency of the physical layer is guaranteed.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the references used in this case point to the further development of the subject of the Hauptanspru ⁇ ches by the features of the respective dependent claim; they should not be construed as a waiver of obtaining independent, objective protection for the feature combinations of the dependent claims.
  • the transmission system and the field devices provided and designed for use in such a transmission system allow the fulfillment of all relevant EMC standards for the respective field devices.
  • the transmission system is generally eligible for certification according to EN 62061 (Functional Safety, Safety Integrity Level, SIL).
  • the transmission system allows the simple connection (plug & play) of other field devices as communication participants by avoiding false line terminations and / or polarity errors, especially in special embodiments.
  • the lowest possible power requirement of the field devices is not higher than the standard 4 to 20mA standard communication technology used today.
  • the central unit in a DC power source with two independent DC sources one of the DC sources as activatable DC source or a controlled DC power source , the controlled DC source as ge ⁇ controlled activatable DC power source and means for controlled activation of the activatable DC power source summarizes can be with each activation of the activatable DC power source of the two-wire line information, so an information in the form of a 1-bit data signal memorize.
  • the central unit has the DC power source in the form of two independent DC power sources - first and second DC power source - and that one of the DC power sources, eg. B. the second DC power source, which is ⁇ controlled activatable DC power source .
  • Activation of the activatable DC power source can, for. B. consist in that the activatable DC power source briefly short ⁇ closed. The two-wire line impressed by the DC power source bus voltage results in this
  • the second DC power source can also be called and understood as a communication source against this background.
  • the communication source is z. Short-circuited, in particular sondere to be transmitted by activation of a dedicated switching element when a technique called SPACE UART characters (ent ⁇ speaks logic "0"), ie, if the communication block a corresponding output signal, in particular transmit signal (TX) emits.
  • a terminating resistor comprises a terminating resistor and means for the controlled activation of the terminating resistor.
  • a terminator is z. B. on end-to-end commu- nication links switched.
  • a processing unit comes to the type of a microcontroller or a micro controller into account.
  • the processing unit may comprise the communication module.
  • the second DC sink as activatable
  • a field device of the two ⁇ wire line in addition to the current drawn from the first DC power source for power supply of the field device targeted additional power draw.
  • This additional current drain affects the two-wire line embossed bus voltage and thus is one of the two-wire line embossed in ⁇ formation, that is, a information in the form of a 1-bit data signal.
  • the additional current draw by controllably activating the second DC current sink especially comes into consideration, if by the field device is to be transmitted the UART character designated SPACE (see above), ie if the communication module of the respective field device outputs a corresponding output signal, in particular a transmission signal (TX).
  • To activate the second DC sink is a control of a designated switching element into consideration, in a parallel circuit of first and second DC sink so z.
  • the central unit and / or the or each field device comprises or have a signal conditioning unit and a decision unit, wherein the decision unit is upstream of the respective communication module and from a supplied signal based on a decision logic implemented in the decision logic and a predetermined or predeterminable decision threshold converts the supplied signal into a binary ⁇ signal and wherein the signal conditioning unit of the decision unit is preceded and causes a processing of the decision unit supplied signal, a splitting of the current transmitted via the two-wire line into a part for supplying power to the or each field device and one transmitted data possible part.
  • a decision unit feed ⁇ cash size of the decision threshold you can specify when a respective signal value is evaluated as a logical "0" or logic "1".
  • the decision unit thus makes a 0/1 decision for the generation of the binary signal for the respectively received signal.
  • the term 0/1 decision will also be used below.
  • the combination of signal conditioning unit and decision-making ⁇ unit will be referred to as a receiver.
  • the receiver is connected upstream in a central unit or a field device to the local communication module.
  • the recipient effects an analysis of the two-wire line via the respective received signal and its treatment, so that an output signal of the receiver by the respective Ltdu ⁇ nikationsbaustein is immediately processable.
  • signal conditioning unit comes z.
  • the output of the communi ⁇ cation block one of the two-wire line impressed by the DC bus voltage source directly, without spe- is encoded, the signal comprises an information-dependent DC component.
  • the information-dependent DC component is determined by the respective data pattern, there is a normalized and idle-mode average signal of a UART character with a start character, eight data characters, one parity character and one stop character, in total eleven characters, depending on Data content and parity mode between 9% ("one of eleven") and 91% ("ten of eleven"). Therefore, as an alternative to high-pass filtering or any other type of filtering, the following approach may be considered: In the data transmission over the two-wire line, a group of e.g. B. summarized eight bits of data and the combined data bits, ie z. As a data byte, are transferred to ⁇ next in its original form and then inverted (or vice versa) to the communication block.
  • This approach results in a fixed or largely fixed signal average. This is an averaging not at bit level, but based on the combined data bits, so z. B. at the byte level. This averaging works without additional hardware components or the like.
  • the decision unit can be defined in ⁇ for the 0/1-decision with the decision ⁇ threshold.
  • a compensation voltage is determined, which is impressed on the two-wire line in addition to the bus voltage generated by the DC power source, and / or on the part of the field device based on the field device via the two-wire line due to impressed bus voltage, a compensation current for additional When the first DC sink is triggered, the terminating resistor fault that is unavoidable with unipolar signals can be compensated.
  • a DC power source either in the form of two independent DC power sources - first and second DC source - or in the form of a controlled DC power source, and a communications module - first communication module ( UART) -, wherein the central unit comprises the ge ⁇ controlled DC power source at a DC power source having two independent DC power supplies one of the DC sources as activatable direct current source or a controlled DC power source as a controlled activatable DC ⁇ current source and means for controllably activating the acti ⁇ -activatable DC power source.
  • UART UART
  • the field device, the second DC sink as an activatable current sink and means for the controlled activation of second DC sink includes.
  • a proces ⁇ processing unit of a microcontroller for the controlled activation of the activatable DC power source and the second direct-current sink is a proces ⁇ processing unit of a microcontroller in the manner contemplated.
  • the drawings show a transmission system according to the prior art with a four-wire line as the communication medium and for the power supply of connected field devices, a transmission system according to the prior art with a two-wire line as the communication medium and for the power supply of connected field devices.
  • an embodiment of a transmission system according to the invention with a two-wire line as a communication medium and power supply connected field devices a graph comparing a superposition of data transmitted in the transmission system in the context of data transmission and a provided for power supply field devices DC voltage, a high and low pass filter as an example Means for separating a signal with transmitted data provided by the power supply for connected field devices DC voltage, and
  • FIG. 12 and FIG. 12 a signal waveform for received data in a high-pass filtering of a signal with direct current component
  • FIG. 12 and FIG. 12 a schematically simplified block diagram of a provided in a central unit and / or a field device of the transmission system according to FIG 3 receiver, a comparison of several data patterns to illustrate an information-dependent DC component, a dependency detected pulse lengths of a decision threshold in a decision unit of the receiver, a representation for clarification of the aspect of the unlike in the prior art not on bit level, but executed at the byte level mean ⁇ compensation, FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG. 12 and FIG.
  • FIG 15 two circuits showing an embodiment of a current sink with a Häticianstabili ⁇ tion by means of compensation.
  • FIG. 1 shows a transmission system 10 with a central unit 12 and a field device 14.
  • the transmission system 10 comprises a four-wire connection line as the line 16 for energy and data transmission, which connects the central unit 12 and the field device 14.
  • the illustrated transmission system 10 is a system as known under designations such as PROFIBUS DP or DeviceNet. Such transmission systems 10 are characterized by a scalability in terms of data rate and line length, since no speed-dependent blocks are necessary. Between a communication component UART which can be parameterized in its baud rate and the line 16, there is only one speed limit within limits
  • FIG 2 shows in so far a transmission system 10 with a central processing unit 12 and a field device 14.
  • the transmission system 10 comprises as line 16 for energy and data transmission a two-wire ⁇ line.
  • the CODEC (coder / decoder) and MAU (Medium Attachment Unit) modules shown in FIG. 2 considerably increase the cost of an interface.
  • all two-wire solutions have in common the property that on the transmitting side the data present as an NRZ signal with an information-dependent DC component is coded in such a way that a DC-free signal is produced, which is superimposed on a DC voltage serving for the energy supply. On the reception ⁇ side of this AC signal is split off and decoded by a high pass. Only then is there again an NRZ signal, which z. B. can be processed by a UART. Scalability over long distances and / or high data rates is achieved by using a line termination resistor 18. In the case of a two-wire solution with
  • the transmission system 10 comprises a central processing unit 12 and at least one field device 14 assigned to an automation system or automation device, not shown. Four field devices 14 are shown here.
  • the central unit 12 and the field devices 14 are connected via a two-wire line as line 16 for power and data transmission.
  • the structure of the transmission system 10 is similar to the transmission system 10 shown in FIG. 2.
  • the terms "line” will be used 16 and two-wire line 16 used synonymously.
  • the field devices 14 are supplied from the CPU 12 with Ener ⁇ energy and can communicate therewith.
  • This communication takes place, as in the known four-wire systems (cf., FIG. 1), via a communications module.
  • a communications module In the illustrated embodiment, is of a nearly in each microcontroller ( ⁇ ) integrated UART so-called assumed as a communication module ⁇ (Universal Asynchronous Receiver Transmitter).
  • ⁇ microcontroller
  • ⁇ Universal Asynchronous Receiver Transmitter
  • a constant supply voltage UK is applied to the line 16 via the central unit 12.
  • Each field device 14 draws a constant current IK for its power supply and generates a voltage UV for supplying the electronics and the connected sensor S or actuator. When sending the field devices 14 take an additional power IT.
  • the central unit has at least one port PI, P2 ... PN.
  • Each port PI, P2, PN may be or may be connected to one or more field devices 14.
  • the number of ports PI, P2, PN and the number of connected or connectable field devices 14 depends on the respective boundary conditions, such. B. Energy requirements, required data rate, cable length, etc.
  • the central unit 12 comprises two voltage sources, namely a first voltage source UK and a second voltage source UT.
  • the first voltage source UK supplies the supply voltage for the power supply of connected field devices 14 and a value of the supply voltage UK can either be controlled or fixed via the microcontroller ( ⁇ ).
  • the second clamping ⁇ voltage source UT can also be regarded as a communication source and referred to, and is short-circuited by the microcontroller when a UART character "SPACE" (corresponding lo- gisch "0") is to be transmitted. Then the voltage applied to the field devices 14 voltage UB decreases accordingly.
  • the first and the second voltage source UK, UT can be combined as an alternative to a correspondingly controlled voltage source (not shown).
  • a measuring resistor RM and for each port PI, P2, PN each have a limiting resistor R are provided.
  • Each limiting resistor R assumes a plurality of functions, namely first a one-sided termination of the line 16, then a limit current in use in a hazardous area, and finally ensuring suitability of the over- tragungssystems 10 and / or the central unit 12 to the fulfillment ⁇ development of the conditions referred to the so-called Fieldbus Intrinsically Safe Concept (FISCO) and / or for the preservation of explosion protection Ex-i.
  • FISCO Fieldbus Intrinsically Safe Concept
  • the field devices 14 must communicate with each other, as shown in the illustration in FIG 3 for the connected to the port PN two field devices 14.
  • the limiting resistance R can ent ⁇ fall.
  • a measuring unit MI By means of a measuring unit MI can be measured via the measuring resistor RM, both the static supply current IK, which is taken from the connected field devices 14, as well as the transmission current IT, which is additionally taken from a currently transmitting field device 14.
  • the separation of the dynamic part of the transferred via the line 16 stream from the static part takes place in a recipient ger E. There, the digital Emp ⁇ catch signal (AC signal; RX) is obtained from the dynamic part is extracted, which is supplied to the communica ⁇ tion module UART becomes.
  • the central unit 12 may also contain a combination of DC / DC voltage source UK, limiting resistor R and a transmitting / receiving unit / current sink, as described below as part of a field device 14.
  • a separate measuring resistor RM is omitted.
  • the current sink IT replaces the second clamping voltage source ⁇ UT.
  • the field devices 14 contain constant current sinks, which each remove the current IK from the line 16.
  • a current-voltage converter I / U;., For example, a zener diode
  • Ver ⁇ supply voltage UV for the field device 14.
  • a second current source draws an additional current IT if a UART character "SPACE" (corresponds to logical "0") is to be transmitted.
  • the necessary connection lines are a receiving line RX and a transmission line TX.
  • the illustrated further lines are optional and can be used for automatic parameterization of the interface by the microcontroller ( ⁇ ).
  • BT Bus Terminator, for connecting a terminating resistor (eg optionally switchable for end-to-end routes)
  • IK Constant current, for setting the size of the constant current (eg changeable, if the field device 14 temporarily has an increased power requirement)
  • UB bus voltage, to determine the voltage applied to the field device 14 (eg for diagnostics or parameterization).
  • FIG. 4 shows, for clarification in the upper part designated by a), a superimposition of a DC voltage provided for the purpose of energy supply with a DC-free data signal, as results in a transmission system 10 according to FIG.
  • a direct superposition of a provided for the power supply DC voltage below is shown with a UART output signal for discriminating in a designated b) part and an overlay ⁇ tion as shown in FIG arises in a transmission system 10.
  • Resistor R, a capacitor C and a comparator K are shown in FIG. 5 (left the low-pass filter, right the high-pass filter).
  • the high or low pass filter acts as a kind of "conventional" signal or 0/1 decision maker.
  • the transmission system 10 with a more ⁇ ter superposition of the energy supply is provided for
  • DC voltage with the UART output signal contains the transmitted data - ie according to the above terminology the signal - an information-dependent DC component.
  • the signal is filtered with a high-pass filter (FIG. 5, right), an exponential transient process initially occurs at the input of the comparator K.
  • the signal fluctuates greatly because of the low-frequency components by a fixed value.
  • This is (9-bit pattern) shown in FIG 6 the example ei ⁇ nes quasi-random signal.
  • the effects of such high-pass filtering can be presented even more clearly with a fixed, repeating bit pattern. In the pattern "1000 0000" shown in FIG.
  • the signal 20 after the high-pass filtering is shifted significantly upwards relative to the mean value 22, but clearly downwards in the case of the inverse pattern 24.
  • the receiver E (FIG. 3) of a central unit 12 and / or of a field device 14 comprises a signal conditioning unit AB and a decision unit EE, as shown in FIG.
  • the communication module UART is connected upstream, wherein by means of the decision unit EE an input and supplied in operation AC signal S is ⁇ based on a decision implemented in the decision unit EE decision logic and based on a predetermined or specifiable decision threshold UV in a binary signal BS ⁇ wherein the signal conditioning unit AB of the decision unit EE is connected upstream and a Aufberei ⁇ tion of the decision unit EE signal supplied be ⁇ acts.
  • the UART output signal consists of a start character ST, eight data characters DO... D7, one parity character P and one stop character SP, thus a total of eleven characters.
  • the data content and parity mode is an in an idle state (Idle state) of the Sprinttra ⁇ supply system 10 related, normalized signal averaging, so an information-dependent DC component, between 9% (1/11) and 91% (10/11).
  • FIG. 10 shows a dependence of detected pulse lengths on a decision threshold in the decision unit EE for different signal mean values MW. Therefore EE for the decision unit is provided that there implemen ⁇ oriented decision logic a predetermined or predeterminable threshold decision UV is fed.
  • the decision threshold UV can be suitably adjusted depending on different data and boundary conditions.
  • a particular embodiment is characterized in that it can be assumed that a fixed decision threshold UV. For this, a mean value compensation is initially provided and 9 showed the dependency of a signal ⁇ average MW from the respective data contents. However, it was recognized that an averaging can be achieved in a simple manner, when in the transmission of data over the two-wire line 16, a group of z. B. Eight data bits combined into one byte of data and the data ⁇ byte first in its original form and then inver ⁇ tiert (or vice versa) to the communication module (UART) is passed. FIG 11 shows as an example the then resulting conditions.
  • the mean value still fluctuates between the above-mentioned values 5/11 and 6/11, depending on the distribution of the EVEN and ODD bytes.
  • the decision threshold UV When setting the decision threshold UV to 0.5 the remaining systematic error is limited to a maximum of ⁇ 4.5%, whereby the resulting pulse length distortion and the loss of signal-to-noise ratio can be negligible.
  • the high-pass frequency is selected too high, the signal distortions due to pulse flattening ("sloping roof”) will worsen the result again if there is no signal change.
  • a low cutoff frequency causes a long transient process (see FIG. 6), so that the use of an adaptive decision threshold UV is expedient.
  • Such a mean value compensation avoids, unlike, for example, FIG. As a so-called Man ⁇ chester encoding, otherwise necessary, additional hardware components.
  • Manchester coding a fixed average is generated by inversely repeating the data content of one bit within a bit period. This link is made in a so-called Manchester encoder.
  • process coding and decoding with a corresponding computer program in the microcontroller, this would then have to be able to perform this task in parallel to the actual application, which usually requires a higher-performance microcontroller and a higher power requirement per se draws.
  • FIG 3 shows the output current limit for each strand by a respective limiting resistor R.
  • the current limitation by means of the limiting resistor R is especially required for operation in potentially explosive areas.
  • Each limiting resistor R also serves as a line terminating resistor.
  • the operating parameters are limited to UDCBUS ⁇ 17.5V and IDCBUS ⁇ 200mA.
  • the maximum transmission bandwidth should be 2 MBit to 6 MBit and the own energy demand of the communication electronics in a field device 14 should be so small that previous field devices 14 with analogous 4 to 2 OmA interface can only Job adaptation can continue to be used with 4mA operating current in this new digital communications system 10. This results in the following requirement profile for the communication hardware in a field device 14:
  • An increase of the controlling input voltage UE leads to increasing collector current of the small signal transistor TRK and the power transistor TRL.
  • the voltage at the current measuring resistor Rmess gets more negative regarding GND.
  • the transistors TRL, TRK and the Zener diode may also be components of other types, e.g. B. FETs or reference diodes or Vierpolscigenen.
  • the base-emitter voltage U BE is to be understood as any desired operating-point voltage.
  • the operating point voltage of transistors and FETs depends on the one hand on an ambient temperature and on the other hand on the respective copy strongly. Therefore, as a supplement to the circuit in FIG. 12, a stabilizing amplifier may also be considered, as shown in FIG.
  • the embodiment of a current sink with stabilizing amplifier shown in FIG. 13 is also known.
  • the ideal transfer function the current sink shown in FIG 13 shows the strong dependence of the penetrating current i of the temperature-dependent working ⁇ point voltage UBE.
  • the transfer function is and shows how the influence of the working point voltage ÜBE can be eliminated: with the dimensioning the transfer function becomes independent of the operating point voltage UBE and thus independent of temperature and copy:
  • the bias voltage UBE is a DC voltage
  • the compensation voltage can Ukomp as shown in the overall ⁇ circuit in Fig 14 by means of a "micropower" operational amplifier smaller bandwidth, are generated.
  • This circuit is functional, but does not fully meet the requirements profile set up at the beginning.
  • the fairly high base current of the power transistor TRL flows via TRK and the sensor electronics are lost.
  • the TRK input impedance is low and would require a very low-current current-drooping sizing of RR, RE and RE2.
  • the circuit has a high input resistance and the own power demand not provided by the sensor electronics is approx. 120 ⁇ at 3MHz bandwidth.
  • the compensation method described above is effective for each operating point to be stabilized, irrespective of the nature of the components used or four poles instead of the active building parts ⁇ .
  • the circuit in the illustrations in Figures 14 and 15 is an example of a current sink with a working ⁇ stabilizer compensation.
  • the approach presented here combines the advantages of previous two and four-wire solutions, which are not combinable without further ado.
  • the approach enables the transparent communication between UARTs and the power supply of field devices 14 via a two-wire connection 16 with only a small amount of hardware.
  • the number of a central unit 12 as a master to ⁇ closable subscriber (field devices 14) for applications in the hazardous area increases per strand (see FIG 3) by a factor of three.
  • the number of strands is unlimited, technically still easy to control are three strands per master.
  • the much higher transmission bandwidth can, for. This can be used, for example, for software services that are not possible with any of the current two-wire solutions due to a lack of bandwidth.

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Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Übertragungssystem (10) mit zumindest einer Zentraleinheit (12) und zumindest einem Feldgerät (14), wobei eine Verbindung zur Energie-Versorgung des Feldgerätes (14) und eine kommunikative Verbindung vom und zum Feldgerät (14) gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung (16) besteht, wobei sich das Übertragungssystem (10) auszeichnet durch eine Zentraleinheit (12) zumindest mit einer Gleichstromquelle (UK, UT), entweder in Form zweier unabhängiger Gleichstromquellen - erste und zweite Gleichstromquelle (UK, UT) - oder in Form einer gesteuerten Gleichstromquelle, und einem Kommunikationsbaustein - erster Kommunikationsbaustein (UART) -, zumindest ein Feldgerät (14) zumindest mit einer ersten und einer zweiten Gleichstromsenke (IK, IT) und einem Kommunikationsbaustein - zweiter Kommunikationsbaustein (UART) -, eine direkte Überlagerung eines Ausgangssignals (TX) des Kommunikationsbausteins (UART) und einer der Zweidrahtleitung (16) durch die Gleichstromquelle eingeprägten Busspannung, wobei die Zweidrahtleitung (16) an die Gleichstromquelle (UK, UT) der Zentraleinheit (12) und an die erste und zweite Gleichstromsenke (IK, IT) des Feldgerätes (14) angeschlossen ist.

Description

Beschreibung
Übertragungssystem, Zentraleinheit oder Feldgerät in einem solchen Übertragungssystem und Verfahren zum Betrieb des Systems
Die Erfindung betrifft ein Übertragungssystem, eine Zentraleinheit und/oder ein Feldgerät in einem solchen Übertragungs¬ system oder für ein solches Übertragungssystem und ein Ver- fahren zum Betrieb des Systems und/oder der davon umfassten oder in einem solchen System verwendbaren Einheiten, also insbesondere Zentraleinheit und Feldgerät. Für das Übertra¬ gungssystem ist dabei vorgesehen, dass eine von der Zentraleinheit ausgehende Verbindung zur Energieversorgung des oder jedes Feldgerätes und eine kommunikative Verbindung vom und zum Feldgerät gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung be¬ steht .
Bei der Automatisierung technischer Prozesse (Automatisie- rungstechnik) sind einzelne Geräte, z. B. Sensoren, Aktoren und dergleichen, oft dezentral verteilt und werden entspre¬ chend als Feldgeräte bezeichnet. Sie müssen in der Regel mit Energie versorgt werden. Außerdem müssen sie mit dem jeweili¬ gen Automatisierungssystem, also zumindest einem Automatisie- rungsgerät oder einer Mehrzahl vernetzter Automatisierungs¬ geräte, kommunizieren. Für die Feldgeräte fungiert damit zumindest ein Automatisierungsgerät als Zentraleinheit.
Werden beide Aufgaben, nämlich Energieversorgung und Daten- Übertragung, unabhängig voneinander gelöst, ergibt sich die Notwendigkeit, die Feldgeräte über vier Anschlussleitungen mit ihrer Umgebung zu verbinden. Der damit verbundene Aufwand, z. B. für Kabel, Verbindungstechnik, Planung, Installation, und die inhärenten Fehlermöglichkeiten sind bei vie- len Anwendungen nicht erwünscht. Vor allem in der Prozesstechnik kommt der Explosionsschutz noch als weitere Anforderung hinzu. Aus diesen Gründen wird eine Lösung, die Energie- und Datenübertragung über nur ein Adernpaar erlaubt, stark bevorzugt. Allerdings kann davon ausgegangen werden, dass es für eine Akzeptanz einer Lösung mit nur einem Adernpaar, einer Zweidrahtleitung, erforderlich ist, dass die zur Lösung des Problems notwendigen Kosten nicht höher sind als die bei der Handhabung erreichbaren Einsparungen.
Übertragungssysteme auf Basis einer Zweidrahtleitung mit einer Zentraleinheit und mindestens einem Feldgerät sind an sich bekannt. Exemplarisch kann in soweit auf Übertragungs- Systeme nach dem unter den Bezeichnungen PROFIBUS PA oder PROFIBUS FF bekannten Standard verwiesen werden.
Bekannten Zweidraht-Lösungen gemeinsam ist die Eigenschaft, dass auf der Senderseite die als NRZ-Signal mit informations- abhängigem Gleichstromanteil vorliegenden Daten so kodiert werden, dass ein gleichstromfreies Signal entsteht, welches einer der Energieversorgung der Feldgeräte dienenden Gleichspannung überlagert wird. Auf Empfängerseite wird dieses Signal, auch als AC-Signal bezeichnet, durch einen Hochpass- filter abgespalten und dekodiert. Erst danach liegt wieder ein NRZ-Signal vor, welches z. B. von einem UART als Kommu¬ nikationsbaustein verarbeitet werden kann. Solche bekannten und auch vergleichsweise schnellen zweidrahttauglichen Übertragungssysteme kommen allerdings durchweg nicht ohne spe- zielle Zusatzbausteine, z. B. Encoder/Decoder und/oder eine spezielle, so genannte Medium Attachment Unit (MAU), aus. Dies ist zur Illustration in FIG 2 dargestellt. Solche Bau¬ steine sind darüber hinaus teuer und bestimmen damit in erheblichem Umfang die Gesamtkosten einer Schnittstelle in den o.g. bekannten und weiteren ähnlichen Übertragungssystemen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht entsprechend darin, ein Übertragungssystem anzugeben, das für vielfältige Einsatzzwecke geeignet und gleichzeitig kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An¬ spruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Übertragungssystem mit zumindest einer Zentraleinheit und zumindest einem Feldgerät, häufig einer Mehrzahl von Feldgeräten, wobei eine Verbindung zur Energieversorgung des oder jedes Feldgerätes und eine kommunikative Verbindung vom und zum Feldgerät gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung besteht, Folgendes vorgesehen:
Die Zentraleinheit umfasst zumindest eine Gleichstrom¬ quelle und einen Kommunikationsbaustein. Als Kommunikationsbaustein kommt ein so genannter UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) in Betracht.
Das Feldgerät umfasst zumindest eine erste und eine zweite Gleichstromsenke und ebenfalls einen Kommunikations¬ baustein. Auch hier kommt als Kommunikationsbaustein ein so genannter UART in Betracht.
Ein Ausgangssignal des Kommunikationsbausteins, insbe¬ sondere ein Sendesignal als Ausgangssignal, wird direkt einer der Zweidrahtleitung durch die Gleichstromquelle eingeprägten Busspannung überlagert. Die direkte Überlagerung erfolgt da¬ bei beispielsweise ohne jede weitere Kodierung, wie sie bis¬ her ansonsten bei Übertragungen über Zweidrahtleitungen zur Vermeidung eines informationsabhängigen Gleichstromanteils vorgesehen ist. Die direkte Überlagerung erfolgt des Weiteren beispielsweise als unipolares, so genanntes NRZ-Signal.
Die Zweidrahtleitung ist zur Daten- und Energieübertragung in dem Übertragungssystem an die Gleichstromquelle der Zentraleinheit und an die erste und zweite Gleichstromsenke des oder jedes Feldgerätes angeschlossen.
Weil sowohl die Zentraleinheit als auch das oder jedes Feldgerät jeweils einen Kommunikationsbaustein aufweisen, werden im Folgenden der Kommunikationsbaustein der Zentraleinheit als erster Kommunikationsbaustein und der Kommunika- tionsbaustein eines Feldgerätes als zweiter Kommunikations¬ baustein bezeichnet.
Die Zentraleinheit weist die Gleichstromquelle entweder in Form zweier unabhängiger Gleichstromquellen - erste und zweite Gleichstromquelle - oder in Form einer gesteuerten Gleichstromquelle auf. Bei zwei unabhängigen Gleichstrom¬ quellen ist eine der Gleichstromquellen steuerbar. Bei nur einer gesteuerten Gleichstromquelle handelt es sich im Grunde um eine Zusammenfassung einer unabhängigen ersten und zweiten Gleichstromquelle, von denen eine steuerbar ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass über eine Zwei- drahtleitung, also zwei Kabeladern, eine Übertragung von
Energie und Daten gelingt und zwar zusätzlich unter folgenden Randbedingungen :
Die Übertragung ist transparent für die jeweilige Proto¬ kollschicht und damit grundsätzlich für alle gängigen Bus- Protokolle geeignet.
Die Daten- und Energieübertragung ist skalierbar hinsichtlich Datenrate, Leitungslänge und Energiebedarf.
Die Übertragung ist unabhängig von einer speziellen Topologie und damit für Stern-, Baum- und Busstrukturen sowie Ende-zu-Ende-Strecken geeignet.
Die Kosten für die Geräteschnittstelle sind nicht höher als bei einer heute üblichen RS485-Schnittstelle .
Die unter den Bezeichnungen PROFIBUS DP und DeviceNet bekann- ten Übertragungssysteme erlauben im Gegensatz zu den o.g. zweidrahttauglichen Übertragungssystemen eine Skalierbarkeit bezüglich Datenrate und Leitungslänge, da keine geschwindig¬ keitsabhängigen Bausteine notwendig sind. Zwischen dem in seiner Baudrate parametrierbaren UART und der Leitung ist nur ein in gewissen Grenzen geschwindigkeitstransparenter RS485- Transceiver angeordnet. Daraus ergibt sich die in FIG 1 dar¬ gestellte Systemstruktur. Sie zeichnet sich vor allem durch die Protokoll- und Geschwindigkeitstransparenz und durch die kostengünstige Implementierung aus, was auf die Nutzung eines in den meisten MikroControllern enthaltenen UARTs und eines RS485-Transceivers, der ein preiswertes Standardbauteil ist, zurückzuführen ist.
Ein Vorteil der Erfindung besteht damit auch darin, dass ein Übertragungssystem ähnlich dem in FIG 2 dargestellten möglich wird, bestehend aus einer dem Automatisierungssystem zugeordneten Zentraleinheit, einem oder mehreren Feldgeräten und den erforderlichen Verbindungskabeln. Die Feldgeräte werden von der Zentraleinheit mit Energie versorgt und können mit dieser kommunizieren. Diese Kommunikation erfolgt insbesondere, wie bei den bekannten Vierdrahtsystemen (z. B. FIG 1), über den in fast jedem MikroController integrierten und unter der Be- Zeichnung UART bekannten Kommunikationsbaustein. Durch geeignete Gestaltung von Sender und Empfänger, also Zentraleinheit und Feldgerät, wird bei dem vorgeschlagenen Übertragungs¬ system aber nur eine Zweidrahtleitung benötigt. Wie bei den bekannten Zweidrahtsystemen wird über die Zentraleinheit eine konstante Speisespannung UK an das Über¬ tragungskabel angelegt, die Feldgeräte entnehmen für ihre Energieversorgung einen Konstantstrom IK und erzeugen daraus eine Spannung UV zur Versorgung der Elektronik und des an- geschlossenen Sensors oder Aktors. Beim Senden entnehmen die Feldgeräte einen zusätzlichen Strom IT.
Die Zentraleinheit verfügt über mindestens einen Port, häufig über eine Mehrzahl von Ports, an welche jeweils ein oder meh- rere Feldgeräte angeschlossen werden können. Die Anzahl der Ports und die Anzahl der an jedem Port anschließbaren Feldgeräte hängen von den jeweiligen Randbedingungen ab, wie z. B. Energiebedarf, notwendige Datenrate, Kabellänge etc. So ist z. B. für höhere Datenraten ein Feldgerät pro Port an- schließbar, wenn bestimmte Leitungslängen überschritten werden .
Das vorgeschlagene Übertragungssystem vereint die Kosten¬ vorteile eines Systems mit je zwei Leitungen zur Energie- und Datenübertragung (Vierdrahtsystem) mit bekannten Zweidrahtsystemen, weil das Ausgangssignal des Kommunikationsbausteins direkt, also ohne weitere Kodierung oder dergleichen, einer der Zweidrahtleitung durch die Gleichstromquelle eingeprägten Busspannung überlagert wird. Dadurch werden Kosten gespart (Entfall des Encoders/Decoders) und die volle Transparenz des Physical Layers bleibt gewährleistet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspru¬ ches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Der Vorteil einzelner oder mehrerer nachfolgend beschriebener Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, dass neben der Energie- und Datenübertragung über eine Zweidrahtleitung und neben den bereits weiter oben erwähnten Randbedingungen auch die Erfüllung einzelner oder mehrerer der folgenden Randbedingungen möglich ist:
Das Übertragungssystem und die zur Verwendung in einem solchen Übertragungssystem vorgesehenen und ausgestalteten Feldgeräte erlauben die Erfüllung aller für die jeweiligen Feldgeräte einschlägigen EMV-Normen.
Das Übertragungssystem kommt grundsätzlich für eine Zertifizierung nach EN 62061 (Funktionale Sicherheit; Safety Integrity Level, SIL) in Betracht.
Das Übertragungssystem und die davon umfassten Geräte oder Einheiten, also zumindest die Zentraleinheit und zu¬ mindest ein Feldgerät, sind zur Erfüllung der Voraussetzungen für den Erhalt der Explosionsschutzart Ex-i geeignet, so dass auch eine diesbezügliche Zertifizierung in Betracht kommt.
Das Übertragungssystem erlaubt den einfachen Anschluss (plug&play) weiterer Feldgeräte als Kommunikationsteilnehmer, indem es, speziell bei besonderen Ausführungsformen, falsche Leitungsabschlüsse und/oder Polaritätsfehler vermeidet.
Der kleinstmögliche Energiebedarf der Feldgeräte ist nicht höher als bei der heute üblichen, analogen 4 bis 20mA- Standardkommunikationstechnologie . Das Übertragungssystem ist mit Standard-Prozessoren, insbesondere UART (siehe oben) , ohne proprietäre Zusatzbau¬ steine, wie z. B. spezielle Encoder/Decoder, realisierbar. Indem die Zentraleinheit bei einer Gleichstromquelle mit zwei unabhängigen Gleichstromquellen eine der Gleichstromquellen als aktivierbare Gleichstromquelle oder bei einer gesteuerten Gleichstromquelle die gesteuerte Gleichstromquelle als ge¬ steuert aktivierbare Gleichstromquelle sowie Mittel zum ge- steuerten Aktivieren der aktivierbaren Gleichstromquelle um- fasst, lässt sich mit jeder Aktivierung der aktivierbaren Gleichstromquelle der Zweidrahtleitung eine Information, also eine Information in Form eines 1-Bit Datensignals, einprägen. Für einfachere Verhältnisse wird - ohne Verzicht auf die weitergehende Allgemeingültigkeit - im Folgenden davon aus¬ gegangen, dass die Zentraleinheit die Gleichstromquelle in Form zweier unabhängiger Gleichstromquellen - erste und zweite Gleichstromquelle - aufweist und dass eine der Gleich- Stromquellen, z. B. die zweite Gleichstromquelle, die ge¬ steuert aktivierbare Gleichstromquelle ist. Eine Aktivierung der aktivierbaren Gleichstromquelle kann z. B. darin bestehen, dass die aktivierbare Gleichstromquelle kurzzeitig kurz¬ geschlossen wird. Die der Zweidrahtleitung durch die Gleich- Stromquelle eingeprägte Busspannung ergibt sich in dieser
Situation nur noch aufgrund der ersten, von der Aktivierung nicht beeinflussten Gleichstromquelle. Die Änderung der eingeprägten Busspannung oder die sich aufgrund der Änderung einstellende, eingeprägte Busspannung repräsentiert die im Kommunikationssystem übermittelte Information. Sobald die Aktivierung, also z. B. der Kurzschluss, wieder aufgehoben wird, ergibt sich die der Zweidrahtleitung durch die Gleichstromquelle eingeprägte Busspannung wieder aufgrund der ers¬ ten und der zweiten Gleichstromquelle.
Die zweite Gleichstromquelle kann vor diesem Hintergrund auch als Kommunikationsquelle bezeichnet und aufgefasst werden. Die Kommunikationsquelle wird z. B. kurzgeschlossen, insbe- sondere durch Aktivierung eines dafür vorgesehenen Schaltelements, wenn ein als SPACE bezeichnetes UART-Zeichen (ent¬ spricht logisch "0") übertragen werden soll, wenn also der Kommunikationsbaustein ein entsprechendes Ausgangssignal, insbesondere Sendesignal (TX) , abgibt.
In einer Ausführungsform des Feldgerätes kann vorgesehen sein, dass dieses einen Abschlusswiderstand und Mittel zum gesteuerten Aktivieren des Abschlusswiderstands umfasst. Ein solcher Abschlusswiderstand ist z. B. bei Ende-zu-Ende-Kommu- nikationsstrecken zuschaltbar. Als Mittel zum gesteuerten Aktivieren des Abschlusswiderstands kommt eine Verarbeitungs¬ einheit nach Art eines MikroControllers oder ein Mikro- controller in Betracht. Die Verarbeitungseinheit kann den Kommunikationsbaustein umfassen.
Indem das Feldgerät mit seiner ersten und zweiten Gleichstromsenke die zweite Gleichstromsenke als aktivierbare
Stromsenke und Mittel zum gesteuerten Aktivieren der zweiten Gleichstromsenke umfasst, kann ein Feldgerät von der Zwei¬ drahtleitung neben dem von der ersten Gleichstromquelle zur Energieversorgung des Feldgerätes entnommenen Strom gezielt zusätzlich Strom entnehmen. Diese zusätzliche Stromentnahme beeinflusst die der Zweidrahtleitung eingeprägte Busspannung und stellt somit eine der Zweidrahtleitung eingeprägte In¬ formation, also eine Information in Form eines 1-Bit Datensignals, dar. Die zusätzliche Stromentnahme durch gesteuertes Aktivieren der zweiten Gleichstromsenke kommt speziell dann in Betracht, wenn durch das Feldgerät das als SPACE bezeich- nete UART-Zeichen (siehe oben) übertragen werden soll, wenn also der Kommunikationsbaustein des jeweiligen Feldgerätes ein entsprechendes Ausgangssignal, insbesondere Sendesignal (TX) , abgibt. Zur Aktivierung der zweiten Gleichstromsenke kommt eine Ansteuerung eines dafür vorgesehenen Schalt- elements in Betracht, bei einer Parallelschaltung von erster und zweiter Gleichstromsenke also z. B. ein in Serie mit der zweiten Gleichstromsenke geschaltetes Schaltelement, das den Parallelzweig mit der zweiten Gleichstromsenke entweder akti¬ viert oder deaktiviert.
Wenn in dem Übertragungssystem die Zentraleinheit und/oder das oder jedes Feldgerät eine Signalaufbereitungseinheit und eine Entscheidungseinheit aufweist bzw. aufweisen, wobei die Entscheidungseinheit dem jeweiligen Kommunikationsbaustein vorgeschaltet ist und aus einem zugeführten Signal anhand einer in der Entscheidungseinheit implementierten Entschei- dungslogik und anhand einer vorgegebenen oder vorgebbaren Entscheidungsschwelle das zugeführte Signal in ein Binär¬ signal umwandelt und wobei die Signalaufbereitungseinheit der Entscheidungseinheit vorgeschaltet ist und eine Aufbereitung des der Entscheidungseinheit zugeführten Signals bewirkt, ist eine Aufspaltung des über die Zweidrahtleitung übertragenen Stroms in einen Teil zur Energieversorgung des oder jedes Feldgerätes und einen die übermittelten Daten umfassenden Teil möglich. Anhand einer der Entscheidungseinheit zuführ¬ baren Größe der Entscheidungsschwelle lässt sich festlegen, wann ein jeweiliger Signalwert als logisch "0" oder logisch "1" ausgewertet wird. Die Entscheidungseinheit trifft also für das jeweils empfangene Signal eine 0/1-Entscheidung zur Erzeugung des Binärsignals. Der Begriff 0/1-Entscheidung wird auch im Folgenden verwendet.
Die Kombination aus Signalaufbereitungseinheit und Entschei¬ dungseinheit wird im Folgenden als Empfänger bezeichnet. Der Empfänger ist in einer Zentraleinheit oder einem Feldgerät dem dortigen Kommunikationsbaustein vorgeschaltet. Der Emp- fänger bewirkt eine Analyse des über die Zweidrahtleitung jeweils empfangenen Signals und dessen Aufbereitung, so dass ein Ausgangssignal des Empfängers durch den jeweiligen Kommu¬ nikationsbaustein unmittelbar verarbeitbar ist. Als Signalaufbereitungseinheit kommt z. B. ein Hochpassfilter in Betracht. Weil allerdings das Ausgangssignal des Kommuni¬ kationsbausteins einer der Zweidrahtleitung durch die Gleichstromquelle eingeprägten Busspannung direkt, also ohne spe- zielle Kodierung, überlagert wird, umfasst das Signal einen informationsabhängigen Gleichstromanteil. Wird ein solches Signal mit einem Hochpass in an sich bekannter Art gefiltert, entsteht am Eingang eines von dem Hochpassfilter umfassten Komparators zunächst ein exponentiell verlaufender Ein¬ schwingvorgang. Wegen der niederfrequenten Anteile schwankt das Signal außerdem stark um einen festen Wert.
Weil der informationsabhängige Gleichstromanteil durch das jeweilige Datenmuster bestimmt ist, liegt ein normierter und auf einen Idle-Modus bezogener Signalmittelwert eines UART- Zeichens mit einem Startzeichen, acht Datenzeichen, einem Parity-Zeichen und einem Stopp-Zeichen, insgesamt also elf Zeichen, je nach Dateninhalt und Parity-Modus zwischen 9% ("eins von elf") und 91% ("zehn von elf") . Deshalb kommt alternativ zu der Hochpassfilterung oder jeder anderen Art von Filterung folgender Ansatz in Betracht: Bei der Datenübertragung über die Zweidrahtleitung wird eine Gruppe von z. B. acht Datenbits zusammengefasst und die zusammen- gefassten Datenbits, also z. B. ein Datenbyte, werden zu¬ nächst in ihrer Originalform und anschließend invertiert (oder umgekehrt) an den Kommunikationsbaustein übergeben. Dieser Ansatz führt zu einem festen oder weitgehend festen Signalmittelwert. Dies ist ein Mittelwertausgleich nicht auf Bitebene, sondern auf Basis der zusammengefassten Datenbits, also z. B. auf Byteebene. Dieser Mittelwertausgleich kommt ohne zusätzliche Hardware-Komponenten oder dergleichen aus. Für die Entscheidungseinheit lässt sich die Entscheidungs¬ schwelle für die 0/1-Entscheidung damit auf ^ festlegen.
Wenn beim Betrieb des Übertragungssystems auf Seiten der Zentraleinheit anhand des jeweiligen Ausgangssignals des Kommunikationsbausteins eine Kompensationsspannung ermittelt wird, die der Zweidrahtleitung zusätzlich zu der durch die Gleichstromquelle erzeugten Busspannung aufgeprägt wird, und/oder auf Seiten des Feldgerätes anhand des dem Feldgerät über die Zweidrahtleitung aufgrund der eingeprägten Busspannung zugeführten Stroms ein Kompensationsstrom zur zusätz- liehen Ansteuerung der ersten Gleichstromsenke ermittelt wird, ist die bei unipolaren Signalen unvermeidliche Ab- schlusswiderstandsstörung kompensierbar . Die eingangs genannte Aufgabe wird für eine einzelne in einem Übertragungssystem wie hier und nachfolgend beschrieben verwendbare Zentraleinheit durch eine Zentraleinheit mit Mitteln gelöst, die diese zur Verwendung in dem Übertragungssystem oder in einem Übertragungssystem nach einzelnen oder mehreren der hier beschriebenen weiteren Ausführungsformen verwendbar machen. Als Mittel, die eine Zentraleinheit in einem hier be¬ schriebenen Übertragungssystem verwendbar machen, sind insbesondere zu nennen: Eine Gleichstromquelle, entweder in Form zweier unabhängiger Gleichstromquellen - erste und zweite Gleichstromquelle - oder in Form einer gesteuerten Gleichstromquelle, und ein Kommunikationsbaustein - erster Kommunikationsbaustein (UART) -, wobei die Zentraleinheit bei einer Gleichstromquelle mit zwei unabhängigen Gleichstromquellen eine der Gleichstromquellen als aktivierbare Gleichstrom- quelle oder bei einer gesteuerten Gleichstromquelle die ge¬ steuerte Gleichstromquelle als gesteuert aktivierbare Gleich¬ stromquelle sowie Mittel zum gesteuerten Aktivieren der akti¬ vierbaren Gleichstromquelle umfasst. Gleiches gilt entsprechend für ein in einem Übertragungs¬ system der hier beschriebenen Art verwendbares Feldgerät. Als Mittel eines solchen Feldgerätes, die dieses in einem solchen Übertragungssystem verwendbar machen, sind insbesondere zu nennen: Zumindest eine erste und eine zweite Gleichstromsenke und ein Kommunikationsbaustein - zweiter Kommunikationsbaustein -, wobei das Feldgerät die zweite Gleichstromsenke als aktivierbare Stromsenke und Mittel zum gesteuerten Aktivieren der zweiten Gleichstromsenke umfasst. Zum gesteuerten Aktivieren der aktivierbaren Gleichstromquelle bzw. der zweiten Gleichstromsenke kommt eine Verarbei¬ tungseinheit nach Art eines MikroControllers in Betracht. Die Mittel, die eine Zentraleinheit oder ein Feldgerät in einem hier beschriebenen Übertragungssystem verwendbar machen, kommen damit auch für eine Realisierung als Software oder Firmware in Betracht, so dass die Erfindung in soweit auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm sowie schließlich auch eine Zentraleinheit oder ein Feldgerät, auf der bzw. auf dem ein solches Computerprogramm geladen ist oder in deren bzw. dessen Speicher ein solches Computerprogramm ladbar ist, betrifft .
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschrän¬ kung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombi¬ nationen, die z. B. durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrens¬ schritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.
Es zeigen ein Übertragungssystem nach dem Stand der Technik mit einer Vierdrahtleitung als Kommunikationsmedium und zur Energieversorgung angeschlossener Feldgeräte, ein Übertragungssystem nach dem Stand der Technik mit einer Zweidrahtleitung als Kommunikationsmedium und zur Energieversorgung angeschlossener Feldgeräte, eine Ausführungsform eines Übertragungssystems gemäß der Erfindung mit einer Zweidrahtleitung als Kommunikationsmedium und zur Energieversorgung angeschlossener Feldgeräte, eine Graphik zur Gegenüberstellung einer Überlagerung von im Rahmen einer Datenübertragung im Übertragungssystem übermittelten Daten und einer zur Energieversorgung angeschlossener Feldgeräte vorgesehenen Gleichspannung, einen Hoch- und Tiefpassfilter als Beispiel für Mittel zum Abtrennen eines Signals mit übermittelten Daten von der zur Energieversorgung angeschlossener Feldgeräte vorgesehenen Gleichspannung, und
einen Signalverlauf für empfangene Daten bei einer Hochpassfilterung eines Signals mit Gleichstrom- anteil, ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild eines in einer Zentraleinheit und/oder einem Feldgerät des Übertragungssystems gemäß FIG 3 vorgesehenen Empfän- gers, eine Gegenüberstellung mehrerer Datenmuster zur Veranschaulichung eines informationsabhängigen Gleichstromanteils, eine Abhängigkeit detektierter Impulslängen von einer Entscheidungsschwelle in einer Entscheidungseinheit des Empfängers, eine Darstellung zur Verdeutlichung des Aspekts des anders als im Stand der Technik nicht auf Bitebene, sondern auf Byteebene ausgeführten Mittelwert¬ ausgleichs , FIG 12 und
FIG 13 zwei Schaltungen zur Realisierung einer Stromsenke und
FIG 14 und
FIG 15 zwei Schaltungen zur Darstellung einer Ausführungsform einer Stromsenke mit einer Arbeitspunktstabili¬ sierung mittels Kompensation.
FIG 1 zeigt ein Übertragungssystem 10 mit einer Zentraleinheit 12 und einem Feldgerät 14. Das Übertragungssystem 10 umfasst als Leitung 16 zur Energie- und Datenübertragung eine Vierdraht-Verbindungsleitung, welche die Zentraleinheit 12 und das Feldgerät 14 verbindet.
Bei dem dargestellten Übertragungssystem 10 handelt es sich um ein System, wie es unter Bezeichnungen wie PROFIBUS DP oder DeviceNet bekannt ist. Solche Übertragungssysteme 10 zeichnen sich durch eine Skalierbarkeit bezüglich Datenrate und Leitungslänge aus, da keine geschwindigkeitsabhängigen Bausteine notwendig sind. Zwischen einem in seiner Baudrate parametrierbaren Kommunikationsbaustein UART und der Leitung 16 ist nur ein in Grenzen geschwindigkeitstransparenter
RS485-Transceiver angeordnet. Daraus ergibt sich die in FIG 1 gezeigte Systemstruktur. Sie zeichnet sich vor allem durch eine Protokoll- und Geschwindigkeitstransparenz und durch die kostengünstige Implementierung aus, was auf die Nutzung eines in den meisten MikroControllern (μθ) enthaltenen UARTs und eines RS485-Transceivers zurückzuführen ist.
Im Gegensatz dazu werden bei allen anderen physikalischen Ausführungen zusätzliche Komponenten benötigt. FIG 2 zeigt in soweit ein Übertragungssystem 10 mit einer Zentraleinheit 12 und einem Feldgerät 14. Das Übertragungssystem 10 umfasst als Leitung 16 zur Energie- und Datenübertragung eine Zweidraht¬ leitung . Die in FIG 2 dargestellten CODEC- (Kodierer/Dekodierer) und MAU-Bausteine (Medium Attachment Unit) verteuern eine Schnittstelle erheblich. Zudem ist allen Zweidraht-Lösungen die Eigenschaft gemeinsam, dass auf der Sendeseite die als NRZ-Signal mit informationsabhängigem Gleichstromanteil vorliegenden Daten so kodiert werden, dass ein gleichstromfreies Signal entsteht, welches einer der Energieversorgung dienenden Gleichspannung überlagert wird. Auf der Empfangs¬ seite wird dieses AC-Signal durch einen Hochpass abgespalten und dekodiert. Erst danach liegt wieder ein NRZ-Signal vor, welches z. B. von einem UART verarbeitet werden kann. Die Skalierbarkeit auf große Entfernungen und/oder hohe Daten¬ raten wird durch Verwendung eines Leitungsabschlusswiderstandes 18 erreicht. Im Fall einer Zweidraht-Lösung mit
Energieübertragung ist an Stelle des Leitungsabschlusswiderstandes 18 allerdings eine RC-Serienschaltung notwendig, so dass die Gleichstromversorgungsenergie nicht vom Leitungs¬ abschlusswiderstand 18 verbraucht wird und andererseits für die Datenwechselspannungen die Leitung 16 mit ihrem Wellen- widerstand abgeschlossen wird.
FIG 3 zeigt eine Ausführungsform eines Übertragungssystems 10 gemäß der Erfindung. Das Übertragungssystem 10 umfasst eine einem nicht dargestellten Automatisierungssystem oder Auto- matisierungsgerät zugeordnete Zentraleinheit 12 und zumindest ein Feldgerät 14. Dargestellt sind hier vier Feldgeräte 14. Die Zentraleinheit 12 und die Feldgeräte 14 sind zur Energie- und Datenübertragung über eine Zweidrahtleitung als Leitung 16 verbunden. Insoweit ist der Aufbau des Übertragungssystems 10 ähnlich dem in FIG 2 dargestellten Übertragungssystem 10. Für ein Übertragungssystem 10 nach Art der in FIG 3 dargestellten Ausführungsform, also für Übertragungssysteme 10 mit einer Zweidrahtleitung als Kommunikationsmedium und zur Energieversorgung der angeschlossenen Feldgeräte 14, werden die Begriffe Leitung 16 und Zweidrahtleitung 16 synonym verwendet . Die Feldgeräte 14 werden von der Zentraleinheit 12 mit Ener¬ gie versorgt und können mit dieser kommunizieren. Diese Kommunikation erfolgt, wie bei den bekannten Vierdrahtsystemen (vgl. FIG 1), über einen Kommunikationsbaustein. Bei der dargestellten Ausführungsform wird von einem in fast jedem Mikrocontroller (μθ) integrierten so genannten UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) als Kommunikations¬ baustein ausgegangen. Durch geeignete Gestaltung von Sender und Empfänger, also Zentraleinheit 12 und Feldgerät 14, wird bei dem Übertragungssystem 10 in FIG 3 aber als Leitung 16 nur ein zweiadriges Kabel benötigt.
Bei dem in FIG 3 dargestellten Übertragungssystem 10 wird über die Zentraleinheit 12 eine konstante Speisespannung UK an die Leitung 16 angelegt. Jedes Feldgerät 14 entnimmt für seine Energieversorgung einen Konstantstrom IK und erzeugt daraus eine Spannung UV zur Versorgung der Elektronik und des angeschlossenen Sensors S oder Aktors. Beim Senden entnehmen die Feldgeräte 14 einen zusätzlichen Strom IT.
Die Zentraleinheit verfügt über zumindest einen Port PI, P2 ... PN. An jeden Port PI, P2, PN können ein oder mehrere Feldgeräte 14 angeschlossen sein oder werden. Die Anzahl der Ports PI, P2, PN und die Anzahl der angeschlossenen oder an- schließbaren Feldgeräte 14 hängt von den jeweiligen Randbedingungen ab, wie z. B. Energiebedarf, notwendige Datenrate, Kabellänge, etc.
Zur Energieversorgung der Feldgeräte 14 umfasst die Zentral- einheit 12 zwei Spannungsquellen, nämlich eine erste Spannungsquelle UK und eine zweite Spannungsquelle UT . Die erste Spannungsquelle UK liefert die Versorgungsspannung zur Energieversorgung angeschlossener Feldgeräte 14 und ein Wert der Versorgungsspannung UK kann entweder über den Mikrocontroller (μθ) gesteuert oder fest eingestellt werden. Die zweite Span¬ nungsquelle UT kann auch als Kommunikationsquelle aufgefasst und bezeichnet werden und wird vom Mikrocontroller kurzgeschlossen, wenn ein UART-Zeichen "SPACE" (entspricht lo- gisch "0") übertragen werden soll. Dann sinkt die an den Feldgeräten 14 anliegende Spannung UB entsprechend ab. Die erste und die zweite Spannungsquelle UK, UT können alternativ zu einer entsprechend gesteuerten Spannungsquelle (nicht dar- gestellt) zusammengefasst sein.
Zwischen der ersten und zweiten Spannungsquelle UK, UT einerseits und den Ports PI, P2, PN andererseits sind ein Mess¬ widerstand RM und für jeden Port PI, P2, PN je ein Begren- zungswiderstand R vorgesehen. Jeder Begrenzungswiderstand R übernimmt mehrere Funktionen, nämlich zunächst einen einseitigen Abschluss der Leitung 16, sodann eine Begrenzung des Stroms bei Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich und gewährleistet schließlich eine grundsätzliche Eignung des Über- tragungssystems 10 und/oder der Zentraleinheit 12 zur Erfül¬ lung der Voraussetzungen gemäß dem so genannten Fieldbus Intrinsically Safe Concept (FISCO) und/oder für den Erhalt der Explosionsschutzart Ex-i. Des Weiteren bewirkt der Be¬ grenzungswiderstand R auch eine Erzeugung eines Spannungs- signals aus dem Stromsignal für den Fall, dass in einem
Übertragungssystem 10 die Feldgeräte 14 miteinander kommunizieren müssen, wie dies in der Darstellung in FIG 3 für die an den Port PN angeschlossenen beiden Feldgeräte 14 gezeigt ist. In Einzelfällen, bei denen die dargestellten Aspekte keine Rolle spielen, kann der Begrenzungswiderstand R ent¬ fallen .
Mittels einer Messeinheit MI kann über den Messwiderstand RM sowohl der statische Versorgungsstrom IK gemessen werden, welcher von den angeschlossenen Feldgeräten 14 entnommen wird, als auch der Sendestrom IT, der von einem momentan sendenden Feldgerät 14 zusätzlich entnommen wird. Die Abtrennung des dynamischen Teils des über die Leitung 16 übertragenen Stroms vom statischen Teil erfolgt in einem Empfän- ger E. Dort wird aus dem dynamischen Teil das digitale Emp¬ fangssignal (AC-Signal; RX) extrahiert, das dem Kommunika¬ tionsbaustein UART zugeführt wird. Alternativ kann die Zentraleinheit 12 auch eine Kombination aus Gleichstrom-/Gleichspannungsquelle UK, Begrenzungs¬ widerstand R und einer Sende-/Empfangseinheit/Stromsenke enthalten, wie sie im Folgenden als Bestandteil eines Feld- geräts 14 beschrieben ist. Ein separater Messwiderstand RM entfällt dabei. Die Stromsenke IT ersetzt die zweite Span¬ nungsquelle UT .
Die Feldgeräte 14 enthalten Konstantstromsenken, die von der Leitung 16 jeweils den Strom IK entnehmen. Durch einen Strom- Spannungswandler (I/U; z. B. eine Zenerdiode) wird eine Ver¬ sorgungsspannung UV für das Feldgerät 14 erzeugt. Eine zweite Stromquelle entnimmt einen zusätzlichen Strom IT, wenn ein UART-Zeichen "SPACE" (entspricht logisch "0") übertragen wer- den soll. Die hierfür notwendigen Verbindungsleitungen sind eine Empfangsleitung RX und eine Sendeleitung TX. Die dargestellten weiteren Leitungen sind optional und können zur automatischen Parametrierung der Schnittstelle durch den MikroController (μθ) benutzt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bedeuten:
BT: Bus Terminator, zum Zuschalten eines Abschlusswiderstands (z. B. wahlweise zuschaltbar für Ende-zu-Ende- Strecken)
IK: Konstantstrom, zur Einstellung der Größe des Konstantstroms (z. B. änderbar, wenn das Feldgerät 14 temporär einen erhöhten Strombedarf hat)
UB : Busspannung, zur Ermittlung der am Feldgerät 14 anliegenden Spannung (z. B. für Diagnose oder Parametrie- rung) .
Weitere Hilfssignale sind möglich.
Im Gegensatz zu einem Übertragungssystem 10 wie in FIG 2 gezeigt, bei welchem der für die Energieversorgung angelegten Gleichspannung ein kodiertes, gleichstromfreies Signal über¬ lagert wird, wird bei dem in FIG 3 dargestellten Übertra¬ gungssystem 10 der zur Energieversorgung vorgesehenen Gleichspannung ein dem jeweiligen Ausgangssignal des Kommunika- tionsbausteins (UART-Ausgangssignal; TX) direkt entsprechen¬ des Signal ohne weitere Kodierung überlagert. Das bei Vier¬ drahtsystemen (FIG 1) mögliche, kostengünstige Übertragungs¬ prinzip von NRZ-Signalen wird also auf ein Übertragungssystem 10 mit einer Leitung 16 mit nur einem Adernpaar zur Energie- und Datenübermittlung übertragen. Durch die direkte Überlagerung werden Kosten gespart, weil z. B. Bauteile wie ein Encoder/Decoder, die in einem Übertragungssystem gemäß FIG 2 erforderlich waren, entfallen.
Die Darstellung in FIG 4 zeigt zur Verdeutlichung im oberen, mit a) bezeichneten Teil eine Überlagerung einer zur Energieversorgung vorgesehenen Gleichspannung mit einem gleichstromfreien Datensignal, wie sie sich bei einem Übertragungssystem 10 gemäß FIG 2 ergibt. Zur Unterscheidung ist darunter in einem mit b) bezeichneten Teil eine direkte Überlagerung einer zur Energieversorgung vorgesehenen Gleichspannung mit einem UART-Ausgangssignal gezeigt und damit eine Überlage¬ rung, wie sie sich bei einem Übertragungssystem 10 gemäß FIG 3 ergibt.
Bei einem überlagerten Signal wie im oberen Teil a) der Darstellung in FIG 4 gezeigt, kann eine Abtrennung der übertragenen Daten - im Folgenden als Signal bezeichnet (AC-Sig- nal) - von der Versorgungsspannung einerseits und die Signal- detektion andererseits mit einem an sich bekannten Hochpassfilter oder einem ebenfalls an sich bekannten Tiefpassfilter erfolgen. Schaltungsbeispiele für eine einfache Ausführungs¬ form eines Hoch- und Tiefpassfilters , jeweils mit einem
Widerstand R, einem Kondensator C und einem Komparator K, sind in FIG 5 gezeigt (links der Tiefpassfilter, rechts der Hochpassfilter) . Der Hoch- oder Tiefpassfilter fungiert quasi als "konventioneller" Signal- oder 0 /1-Entscheider . Bei der Ausführungsform des Übertragungssystems 10 mit direk¬ ter Überlagerung der zur Energieversorgung vorgesehenen
Gleichspannung mit dem UART-Ausgangssignal enthalten allerdings die übertragenen Daten - also gemäß der oben eingeführ- ten Terminologie das Signal - einen informationsabhängigen Gleichstromanteil. Wird ein solches Signal mit einem Hochpass (FIG 5, rechts) gefiltert, entsteht am Eingang des Kompara- tors K zunächst ein exponentiell verlaufender Einschwing- Vorgang. Zudem schwankt das Signal wegen der niederfrequenten Anteile stark um einen festen Wert. Dies ist am Beispiel ei¬ nes Quasi-Zufallssignals ( 9-Bit-Muster) in FIG 6 dargestellt. Die Auswirkungen einer solchen Hochpass-Filterung lassen sich mit einem festen, sich wiederholenden Bitmuster noch anschau- licher darstellen. Bei dem in FIG 7 dargestellten Muster "1000 0000" ist das Signal 20 nach der Hochpass-Filterung gegenüber dem Mittelwert 22 deutlich nach oben verschoben, bei dem inversen Muster 24 hingegen deutlich nach unten. Für das Übertragungssystem 10 ist daher bei einer besonderen Ausführungsform vorgesehen, dass der Empfänger E (FIG 3) einer Zentraleinheit 12 und/oder eines Feldgerätes 14 eine Signalaufbereitungseinheit AB und eine Entscheidungseinheit EE umfasst, wie dies in FIG 8 gezeigt ist, wobei die Ent- scheidungseinheit EE dem Kommunikationsbaustein UART vorgeschaltet ist, wobei mittels der Entscheidungseinheit EE ein zuführbares und im Betrieb zugeführtes AC-Signal S anhand einer in der Entscheidungseinheit EE implementierten Entscheidungslogik und anhand einer vorgegebenen oder vorgeb- baren Entscheidungsschwelle UV in ein Binärsignal BS um¬ wandelbar ist und wobei die Signalaufbereitungseinheit AB der Entscheidungseinheit EE vorgeschaltet ist und eine Aufberei¬ tung des der Entscheidungseinheit EE zugeführten Signals be¬ wirkt .
Für einige Datenmuster und die Parity-Modi "EVEN" und "ODD" sind die Verhältnisse in FIG 9 gezeigt. In den Beispielen wird davon ausgegangen, dass das UART-Ausgangssignal aus einem Startzeichen ST, acht Datenzeichen DO ... D7, einem Parity-Zeichen P und einem Stopp-Zeichen SP, also insgesamt elf Zeichen besteht. Je nach Dateninhalt und Parity-Modus liegt ein auf einen Ruhezustand ( Idle-Zustand) des Übertra¬ gungssystems 10 bezogener, normierter Signalmittelwert, also ein informationsabhängiger Gleichspannungsanteil, zwischen 9% (1/11) und 91% (10/11) .
FIG 10 zeigt eine Abhängigkeit detektierter Impulslängen von einer Entscheidungsschwelle in der Entscheidungseinheit EE für unterschiedliche Signalmittelwerte MW. Daher ist für die Entscheidungseinheit EE vorgesehen, dass der dort implemen¬ tierten Entscheidungslogik eine vorgegebene oder vorgebbare Entscheidungsschwelle UV zuführbar ist. Die Entscheidungs- schwelle UV kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Daten und Randbedingungen geeignet eingestellt werden.
Eine besondere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass von einer festen Entscheidungsschwelle UV ausgegangen werden kann. Dafür ist zunächst ein Mittelwertausgleich vorgesehen und FIG 9 hatte die Abhängigkeit eines Signal¬ mittelwertes MW vom jeweiligen Dateninhalt gezeigt. Es wurde aber erkannt, dass ein Mittelwertausgleich auf einfache Art und Weise erreicht werden kann, wenn bei der Übertragung von Daten über die Zweidrahtleitung 16 eine Gruppe von z. B. acht Datenbits zu einem Datenbyte zusammengefasst und das Daten¬ byte zunächst in seiner Originalform und anschließend inver¬ tiert (oder umgekehrt) an den Kommunikationsbaustein (UART) übergeben wird. FIG 11 zeigt insoweit exemplarisch die sich dann ergebenden Verhältnisse. Unabhängig vom Informations¬ inhalt des jeweiligen Datenbytes (Byte 1, Byte 2) ergibt sich zusammen mit dem invertierten Datenbyte stets ein Signalmittelwert im Bereich von "0,5". Die sich für die konkret dargestellten Situationen ergebenden Signalmittelwerte MW lauten "12/22" (= "6/11") und "10/22" (= "5/11") . Der Mittel¬ wertausgleich wird also nicht auf Bitebene, sondern auf Byte¬ ebene ausgeführt. Da das Parity-Bit im UART in Abhängigkeit von der Parität des Datenbytes (oder evtl. auch Datenworts) erzeugt wird und die Parität sich bei einer geraden Anzahl zusammengefasster Bits durch Invertierung nicht ändert, schwankt der Mittelwert noch zwischen den o.g. Werten 5/11 und 6/11, abhängig von der Verteilung der EVEN- und ODD- Bytes. Bei Einstellung der Entscheidungsschwelle UV auf 0,5 ist der verbleibende systematische Fehler auf maximal ±4,5% begrenzt, wodurch die resultierende Impulslängenverzerrung und der Verlust an Signal-Stör-Abstand vernachlässigbar werden können. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass bei zu hoch gewählter Hochpass-Frequenz die Signalverzerrungen durch Impulsabflachung ("Dachschräge") bei ausbleibendem Signalwechsel das Ergebnis wieder verschlechtern. Eine niedrige Grenzfrequenz bedingt aber einen langen Einschwingvorgang (siehe FIG 6) , sodass die Verwendung einer adaptiven Entscheidungsschwelle UV zweckmäßig ist.
Ein solcher Mittelwertausgleich, wie exemplarisch in FIG 11 gezeigt, vermeidet, anders als z. B. eine so genannte Man¬ chester-Kodierung, ansonsten notwendige, zusätzliche Hard- ware-Komponenten . Bei der Manchester-Kodierung wird ein fester Mittelwert erzeugt, indem der Dateninhalt eines Bits innerhalb einer Bitperiode invers wiederholt wird. Diese Verknüpfung erfolgt in einem so genannten Manchester-Encoder. Es ist zwar auch denkbar, Kodierung und Dekodierung mit einem entsprechenden Computerprogramm im MikroController abzuarbeiten, dieser müsste dann aber in der Lage sein, diese Aufgabe parallel zu der eigentlichen Applikation zu erledigen, was in der Regel einen höherperformanten MikroController voraussetzt und einen höheren Leistungsbedarf nach sich zieht.
FIG 3 zeigt die Ausgangsstrombegrenzung für jeden Strang durch je einen Begrenzungswiderstand R. Die Strombegrenzung mittels des Begrenzungswiderstands R ist speziell für einen Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen erforderlich.
Jeder Begrenzungswiderstand R dient gleichzeitig auch als Leitungsabschlusswiderstand. Bei einer Auslegung des Kom¬ munikationssystems 10 für eine Eignung für explosions¬ gefährdete Bereiche sind die Betriebsparameter beschränkt auf UDCBUS < 17,5V und IDCBUS < 200mA. Die maximale Über- tragungsbandbreite soll 2MBit bis 6MBit betragen und der Eigenenergiebedarf der Kommunikationselektronik in einem Feldgerät 14 soll so klein sein, dass bisherige Feldgeräte 14 mit analoger 4 bis 2 OmA-Schnittstelle nur durch Schnitt- Stellenanpassung weiterhin mit 4mA Betriebsstrom in diesem neuen digitalen Kommunikationssystem 10 verwendet werden können . Daraus ergibt sich für die Kommunikationshardware in einem Feldgerät 14 das folgende Anforderungsprofil:
Maximale Betriebsspannung 17,5V
Maximaler Strom 200mA
Figure imgf000025_0001
"Output Swing @ 3MHz" lVpp
Eigenstrom Verbrauch 550μΑ*
* 4mA - 3,55mA = 550μΑ für alle Funktionen der Kommunika- tionsschnittstelle, nicht nur zur Erzeugung des Kommunika¬ tionsstromes
Eine Suche im Verstärkerangebot der großen Anbieter von
Halbleiterbausteinen zeigt schnell, dass der Markt Bauteile mit dem geforderten Profil nicht bietet. Selbst bei Verwen¬ dung eines zusätzlichen Leistungsbauteiles, Transistor oder FET, scheitert das Marktangebot immer am Strombedarf für eine "Slew Rate" von 12ν/μ3 und einen "Output Swing" von lVpp bei 3MHz . Die beste Annäherung bieten einige wenige Operations- Verstärker. Eine diskrete Schaltung aus einzelnen Standard- Kleinsignaltransistoren und einem Leistungstransistor könnte diese Anforderungen erfüllen. Deren -3dB Bandbreite beträgt ca. l,5Mhz und sie sind geeignet bis 60V, 1A. FIG 12 zeigt die einfachste denkbare gesteuerte Stromsenke zur Verwendung als Stromsenke IK und zweite Stromsenke IT in einem Feldgerät 14 (FIG 3) nach diesem Konstruktionsprinzip. Die in FIG 12 gezeigte Ausführungsform einer Stromsenke ist bekannt .
Eine Erhöhung der steuernden Eingangsspannung UE führt zu steigendem Kollektorstrom des Kleinsignaltransistors TRK und des Leistungstransistors TRL . Die Spannung am Strommesswider- stand Rmess wird bezüglich GND negativer. Die negativere Spannung an dem Rückkoppelungswiderstand RR wirkt der Ein¬ gangsspannung UE entgegen, so dass die Basis-Emitter-Spannung ÜBE konstant bleibt und der Durchgangsstrom IK+iT+ikomp pro- portional zur Eingangsspannung UE gemäß dem Verstärkungs¬ faktor IK+iT+ikomp = RR/RE/Rmess*UE steigt. Mittels der
Zenerdiode wird die Betriebsspannung UV erzeugt.
Die Transistoren TRL, TRK und die Zenerdiode können auch Bauteile anderen Typs sein, z. B. FETs oder Referenzdioden oder auch Vierpolschaltungen. Unter der Basis-Emitter- Spannung ÜBE ist im allgemeinen Fall irgendeine beliebige Arbeitspunktspannung zu verstehen. Die Arbeitspunktspannung von Transistoren und FETs ist allerdings einerseits von einer Umgebungstemperatur und andererseits vom jeweiligen Exemplar stark abhängig. Deshalb kommt als Ergänzung der Schaltung in FIG 12 noch ein stabilisierender Verstärker in Betracht, wie dies in FIG 13 gezeigt ist. Auch die in FIG 13 gezeigte Ausführungsform einer Stromsenke mit stabilisierendem Verstärker ist bekannt.
Der Strombedarf eines solchen, zu Stabilisierungszwecken vor gesehenen Verstärkers hoher Bandbreite verhindert allerdings die Erfüllung des Anforderungsprofils.
Die ideale Übertragungsfunktion
Figure imgf000026_0001
der Stromsenke gemäß FIG 13 zeigt die starke Abhängigkeit des Durchgangsstromes i von der temperaturabhängigen Arbeits¬ punktspannung ÜBE.
Wird die Schaltung um einen zusätzlichen Widerstand RE2 am Summationspunkt erweitert, lautet die Übertragungsfunktion
Figure imgf000027_0001
und lässt erkennen, wie der Einfluss der Arbeitspunktspannung ÜBE beseitigt werden kann: Mit der Dimensionierung
Figure imgf000027_0002
wird die Übertragungsfunktion unabhängig von der Arbeitspunktspannung ÜBE und damit temperatur- und exemplarunabhängig :
1 R R
U
R R
mess E
Da die Arbeitspunktspannung ÜBE eine Gleichspannung ist, kann die Kompensationsspannung Ukomp mittels eines "Micro Power" Operationsverstärkers kleiner Bandbreite, wie in der Gesamt¬ schaltung in FIG 14 gezeigt, erzeugt werden.
Die Beziehung, auf deren Grundlage eine Dimensionierung der Widerstände erfolgen kann, ist
Figure imgf000027_0003
Diese Schaltung ist funktionsfähig, erfüllt aber noch nicht in vollem Umfang das eingangs aufgestellte Anforderungs- profil. Der recht hohe Basisstrom des Leistungstransistors TRL fließt über TRK ab und geht der Sensorelektronik verloren. Die TRK Eingangsimpedanz ist niedrig und würde eine sehr niederohmige stromfressende Dimensionierung von RR, RE und RE2 erfordern. Die Erweiterung der Schaltung aus FIG 14 um zwei Emitterfolger TR2K, TR3K, Rl, R2 und R3 beseitigt auch diese Probleme und die resultierende Schaltung ist in FIG 15 gezeigt.
Die Schaltung hat einen hohen Eingangswiderstand und der nicht der Sensorelektronik zur Verfügung gestellte Eigenstrombedarf ist ca. 120μΑ bei 3MHz Bandbreite. Durch
geeignete Dimensionierung von Rl, R2, R3 sind bei steigendem Strombedarf noch höhere Bandbreiten möglich. Die Reduktion der Bandbreite senkt den Strombedarf. Die Materialkosten einer Stromsenke ohne Zenerdiode, wie in FIG 15 gezeigt, sind verschwindend gering und betragen bei derzeitigen Bauteil¬ kosten nur ca. EUR 0,16. Die in FIG 15 gezeigte Stromsenke ist damit hervorragend als gesteuerte Stromsenke IK zur
Verwendung in einem Feldgerät 14 geeignet.
Die Reihenschaltung aus der spannungsgesteuerten Spannungsquelle (Operationsverstärker mit Ukomp = V * UArbeitspunkt ) und am Summationspunkt angeschlossenem RE2 kann ersetzt werden durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle
Ikomp = VI * UArbeitspunkt,
deren Ausgangsstrom direkt in den Summationspunkt eingespeist wird .
Die beschriebene Kompensationsmethode ist wirksam für jeden zu stabilisierenden Arbeitspunkt, unabhängig von der Art der verwendeten Bauteile oder Vierpole anstelle der aktiven Bau¬ teile.
Die Schaltung in den Darstellungen in FIG 14 und FIG 15 ist ein Beispiel für eine Stromsenke mit einer Arbeitspunkt¬ stabilisierung mittels Kompensation.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereich¬ ten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammen- fassen: Wie sich anhand der in den Ansprüchen definierten
Erfindung und einer Ausführungsform gemäß FIG 3 eines Übertragungssystems 10 ergibt, vereint der hier vorgestellte Ansatz die Vorteile bisheriger Zwei- und Vierdrahtlösungen, die allerdings nicht ohne weiteres kombinierbar sind. Der Ansatz ermöglicht die transparente Kommunikation zwischen UARTs und die Energieversorgung von Feldgeräten 14 über eine Zweidrahtverbindung 16 mit nur geringem Hardwareaufwand.
Dadurch können die Kosten einer Zweidraht-Kommunikations¬ schnittstelle gegenüber beispielsweise einer PROFIBUS PA- Schnittstelle um Größenordnungen reduziert werden und liegen unter dem Niveau einer RS485-Schnittstelle . Diesem Einsparpotential steht gleichzeitig die Fähigkeit zu stark erhöhten Übertragungsraten von PROFIBUS PA mit 31,25 kBaud auf min¬ destens 6 MBaud gegenüber. Zusätzlich sinkt trotz größenordnungsmäßiger Verbesserung dieser beiden wesentlichen Parameter der Eigenenergiebedarf der Kommunikationselektronik und macht Feldgeräte 14 mit einem Betriebsstrom von 4mA anstelle von mindestens 10mA (praktisch 12mA) bei PROFIBUS PA möglich. Die Anzahl der an eine Zentraleinheit 12 als Master an¬ schließbaren Teilnehmer (Feldgeräte 14) auch für Anwendungen im explosionsgefährdeten Bereich steigt pro Strang (siehe FIG 3) um den Faktor drei. Theoretisch ist die Stranganzahl unbegrenzt, technisch noch gut beherrschbar sind drei Stränge pro Master.
Die wesentlich höhere Übertragungsbandbreite kann z. B. für Softwaredienste genutzt werden, die mit keiner der derzeiti- gen Zweidrahtlösungen mangels Bandbreite möglich sind.
Die beschriebenen Lösungen können sowohl auf Prozessfeldgeräte, als auch auf Sensoren und Aktoren in der Fertigungs¬ automatisierung angewendet werden. Durch Verwendung eines entsprechenden 2-Draht/4-Draht-Adapters können 2-Draht-Geräte in ein herkömmliches Netzwerk mit RS485-Schnittstelle (PROFI¬ BUS PA, DeviceNet, IO-Link, etc.) integriert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Übertragungssystem mit zumindest einer Zentraleinheit (12) und zumindest einem Feldgerät (14),
wobei eine Verbindung zur Energieversorgung des Feldgerätes (14) und eine kommunikative Verbindung vom und zum Feldgerät (14) gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung (16) besteht,
gekennzeichnet durch
eine Zentraleinheit (12) zumindest mit:
einer Gleichstromquelle (UK, UT) , entweder in Form zweier unabhängiger Gleichstromquellen - erste und zweite Gleichstromquelle (UK, UT) - oder in Form einer gesteuerten Gleichstromquelle, und einem Kommunikationsbaustein - erster Kommunikationsbaustein (UART) -;
zumindest ein Feldgerät (14) zumindest mit:
einer ersten und einer zweiten Gleichstromsenke (IK, IT) und einem Kommunikationsbaustein - zweiter Kommunikationsbaustein (UART) -;
eine direkte Überlagerung eines Ausgangssignals (TX) des
Kommunikationsbausteins (UART) und einer der Zweidrahtleitung (16) durch die Gleichstromquelle eingeprägten Busspannung, wobei die Zweidrahtleitung (16) an die Gleichstromquelle (UK, UT) der Zentraleinheit (12) und an die erste und zweite Gleichstromsenke (IK, IT) des Feldgerätes (14) angeschlossen ist .
2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, wobei die Zentraleinheit (12) bei einer Gleichstromquelle (UK, UT) mit zwei unabhängigen Gleichstromquellen (UK, UT) eine der Gleichstromquellen (UT) als aktivierbare Gleichstromquelle oder bei einer gesteuerten Gleichstromquelle die gesteuerte Gleich¬ stromquelle als gesteuert aktivierbare Gleichstromquelle sowie Mittel zum gesteuerten Aktivieren der aktivierbaren Gleichstromquelle umfasst.
3. Übertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zentraleinheit (12) eine Mehrzahl von Ports (PI, P2 ... PN) umfasst und wobei die Zentraleinheit (12) für jeden Port (PI, P2, PN) einen Begrenzungswiderstand (R) umfasst.
4. Übertragungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Zentraleinheit (12) eine Messeinheit (MI) und einen Mess¬ widerstand (RM) umfasst, wobei mittels der Messeinheit (MI) über dem Messwiderstand (RM) ein durch die erste und/oder zweite Gleichstromsenke (IK, IT) von der Leitung (16) ent¬ nommener Strom messbar ist.
5. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei das Feldgerät (14) einen Abschlusswiderstand und Mittel zum gesteuerten Aktivieren des Abschlusswiderstands umfasst .
6. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei das Feldgerät (14) die zweite Gleichstromsenke (IT) als aktivierbare Stromsenke und Mittel zum gesteuerten Aktivieren der zweiten Gleichstromsenke (IT) umfasst.
7. Übertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Signalaufbereitungseinheit (AB) und einer Entscheidungseinheit (EE) ,
wobei die Entscheidungseinheit (EE) dem Kommunikations- baustein (UART) vorgeschaltet ist,
wobei mittels der Entscheidungseinheit (EE) ein zuführ¬ bares und im Betrieb zugeführtes Signal anhand einer in der Entscheidungseinheit (EE) implementierten Entscheidungslogik und anhand einer vorgegebenen oder vorgebbaren Entscheidungs- schwelle (UV) in ein Binärsignal umwandelbar ist und
wobei die Signalaufbereitungseinheit (AB) der Entschei¬ dungseinheit (EE) vorgeschaltet ist und eine Aufbereitung des der Entscheidungseinheit (EE) zugeführten Signals bewirkt.
8. Übertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Stromsenke mit einer Arbeitspunktstabili¬ sierung mittels Kompensation.
9. Zentraleinheit zur Verwendung in einem Übertragungs¬ system (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer
Gleichstromquelle (UK, UT) , entweder in Form zweier unabhängiger Gleichstromquellen - erste und zweite Gleichstrom- quelle (UK, UT) - oder in Form einer gesteuerten Gleichstromquelle, und einem Kommunikationsbaustein - erster
Kommunikationsbaustein (UART) -, wobei die Zentraleinheit (12) bei einer Gleichstromquelle (UK, UT) mit zwei unab¬ hängigen Gleichstromquellen (UK, UT) eine der Gleichstrom- quellen (UT) als aktivierbare Gleichstromquelle oder bei einer gesteuerten Gleichstromquelle die gesteuerte Gleich¬ stromquelle als gesteuert aktivierbare Gleichstromquelle sowie Mittel zum gesteuerten Aktivieren der aktivierbaren Gleichstromquelle umfasst.
10. Feldgerät zur Verwendung in einem Übertragungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit zumindest einer ersten und einer zweiten Gleichstromsenke (IK, IT) und einem Kommunikationsbaustein - zweiter Kommunikationsbaustein
(UART) -, wobei das Feldgerät (14) die zweite Gleichstrom¬ senke (IT) als aktivierbare Stromsenke und Mittel zum ge¬ steuerten Aktivieren der zweiten Gleichstromsenke (IT) umfasst .
11. Verfahren zum Betrieb eines Übertragungssystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder Verfahren zum Betrieb einer Zentraleinheit (12) nach Anspruch 9 in einem solchen Übertragungssystem (10), wobei ein Ausgangssignal eines
Kommunikationsbausteins (UART) der Zentraleinheit (12) einer der Zweidrahtleitung (16) aufgeprägten Gleichspannung direkt überlagert wird, indem in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Kommunikationsbausteins (UART) die aktivierbare Gleichstrom¬ quelle aktiviert wird, insbesondere kurzgeschlossen wird.
12. Verfahren zum Betrieb eines Übertragungssystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder Verfahren zum Betrieb eines Feldgerätes (14) nach Anspruch 10 in einem solchen Übertragungssystem (10), wobei ein Ausgangssignal eines Kommunikationsbausteins (UART) des Feldgerätes (14) einer der Zweidrahtleitung (16) aufgeprägten Gleichspannung direkt überlagert wird, indem in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Kommunikationsbausteins (UART) die zweite Gleichstromsenke (IT) aktiviert wird.
13. Verfahren zum Betrieb eines Übertragungssystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei bei der Übertragung von Daten über die Zweidrahtleitung (16) eine Gruppe von acht Datenbits zu einem Datenbyte zusammengefasst und das Datenbyte zunächst in seiner Originalform und anschließend invertiert an den Kommu¬ nikationsbaustein (UART) übergeben wird.
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