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Steuerungs- und Ubertragungssystem
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Die Erfindung betrifft ein leitungsgebundenes Steuerungs-und Übertragungssystem
für dezentrale Automatisierungssysteme, bestehend aus mindestens einer Leitstation
und Unter stationen.
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Statt der aufwendigen sternförmigen Verkabelung peripherer Geräte
mit einer Leitstation werden zunehmend elektronische Bussysteme eingesetzt. Ein
solches datenverarbeitendes elektronisches System ist beispielsweise in der deutschen
Auslegeschrift 1 206 183 beschrieben.
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Alle zu dem System gehörenden Einheiten sind einem einzigen gemeinsamen
Hauptkanal parallel geschaltet.
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Eine Zuweiseschaltung ruft, solange der Hauptkanal frei ist, fortwährend
nacheinander alle an den Hauptkanal angeschlossenen Einheiten des Systems durch
Aussenden ihrer Anrufzeichen an und die entsprechende Unterstation gibt nach Empfang
des Anrufzeichens ein Besetztpotential an eine im Hauptkanal befindliche Besetztleitung
und sendet ein Signal, das ein Anrufzeichen für die Einheit oder die -Einheiten
darstellt,
für welche die zu übertragende Information bestimmt ist
und das zudem gegebenenfalls die Operationsårt angibt und veranlaßt, daß eine solche
angerufene Einheit sich für den Empfang der Information bereitstellt und, falls
nötig, die Programmierung der von dem Signal definierten Art der mit der Information
auszuführenden Operationsart anpaßt. Der Hauptkanal hat bei diesem Ubertragungssystem
10 Adern. Die Anwahl der Unterstation erfolgt über 5 Leitungen parallel. Es müssen
Synchronisationsimpulse übertragen werden, die von einem Trommelspeicher abgeleitet
werden. Eine Leitung wird für die Buchstaben/ Zeichen-Umschaltung benötigt.
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Um ein solches Ubertragungssystem für industrielle Steuerungen einzusetzen,
wo mit großen Störpegeln und relativ hohen Bitraten gerechnet werden muß, ist in
(1) unter Berücksichtigung damals verfügbarer Bauelemente vorgeschlagen worden,
die Adressenanwahl durch parallele Übertragung der Signale mit Hilfe mehrerer Leitungen
vorzunehmen. Es sind etwa 20 adrige Kabel erforderlich. Taktgesteuerte D-Flip-Flops
werden eingesetzt; die Übertragung der Signale ist unsymmetrisch.
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Im Laborbereich, d.h. bei relativ geringen Störpegeln und Entfernungen
bis 20 m, ist das Übertragungssystem (IEC-Bus) weit entwickelt; es liegen dazu nationale
und internationale Normentwürfe vor.
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In (2) und (3) ist angeregt worden, dieses Übertragungssystem für
größere Entfernungen zu erproben. Das Verbindungskabel soll danach mindestens 17
Adernpaare haben. Es wird eine flankengetriggerte Steuerung für die Koppler vorgeschlagen,
und die symmetrischen Strom-
Schnittstellen sollen mit ca. 10 mA
bei 5 V Speisespannung betrieben werden.
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Es besteht aber weiter der Wunsch, bei den leitungsgebundenen Steuerungs-
und Übertragungssystemen für dezentrale Automatisierungssysteme die Störsicherheit
zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Steuerungs-und Übertragungssystem
einzusetzen, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist.
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Die Leitstation kann mit hundert oder mehr Unterstationen, die alle
auf dasselbe Steuerkabel parallel angeschlossen sind in beiden Richtungen kommunizieren;
das Steuerkabel zu den Unter stationen kann mehrere 100 m lang sein, wobei auch
kurze Abzweigungen zu den Unterstationen zugelassen sind; die Unterstationen werden
durch das Steuerkabel mit Strom versorgt; das Steuerkabel besteht aus 7 Adern.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße leitungsgebundene Steuerungs-und Übertragungssystem
ist sehr flexibel; die Zahl der peripheren Vorrichtungen ist veränderbar und sie
sind in beliebigem Abstand von der Leitstation an das Steuerkabel anschließbar.
Kurze Abzweigungen (in der
Größenordnung von 10 % der Kabellänge).zu
den Unterstationen sind möglich. Eine Kommunikation mit mehreren Unterstationen
ist bei Verwendung mehrerer Steuerkabel auch gleichzeitig möglich. Die Erdung der
Unterstationen erfolgt über das Steuerkabel an einem zentralen Erdungspunkt in der
Zentrale. Eine Alternative ist die galvanische Trennung der Unter stationen von
Steuerkabel mit einer eigenen Stromversorgung an der Peripherie. Zur Entkopplung
sind parametrische Transformatoren besonders geeignet. Die wichtigen Signale sollen
bei einem Signalpegel von mindestens + 12 V und symmetrisch übertragen werden. Die
lückenlose Kontrolle der Datenübertragung ist gewährleistet.
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Wegen der erhöhten Störsicherheit ist das Steuerungs-und Übertragungssystem
besonders für den Einsatz bei industriellen Steuerungen geeignet.
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Als Steuerkabel ist ein mineralisoliertes Kabel (Mi-Kabel) besonders
gevorzugt. Dadurch wird eine Feuerausbreitung längs der Kabel weitgehend verhindert.
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Für die Installation einer Steuerung sind keine Drahtlisten erforderlich.
Deshalb kann mit der Installation der Kabel schon während der Planung einer Steuerung
begonnen werden. Dadurch ergeben sich kürzere Ausführungszeiten für eine Steuerung.
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Beispielsweise sind die 7 Adern des Steuerkabels folgendermaßen belegt;
1,2
+12 V bzw. -12 V für die Eingangsstufen; 3,4 zur Adressenübertragung (symmetrische
Signale zur Anwahl der Unterstationen); 5 für die Rückmeldung; 6 +12 V für die Speisung
der Unterstationen; 7 Massepotential.
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Der Schirm darf nur in der Zentrale geerdet werden.
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Alle Teile des Übertragungssystems können in Serie gefertigt und auf
Lager gehalten werden. Die Unterstationen unterscheiden sich lediglich durch die
eingestellten Adressnummern.
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Nach vorheriger Analog/Digital-Wandlung können auch Analogsignale
mit dem Übertragungssystem übertragen werden Für die serielle Datenübertragung sind
integrierte Schaltkreise, die sogenannten UARTs (Universal Asynchronous Receiver
Transmitter) bekannt. Bekannte UARTs können mit einer Bitrate von beispielsweise
25 kBaud betrieben werden. Das entspricht einer Bitdauer von 40s.
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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Welle im Mi-Kabel
bedingt eine Laufzeit von ca. 3As/300m so daß bei der Bitrate von 25 kBaud die Reflexionen
an der Leitung auch bei einer nicht idealen Anpassung soweit abgeklungen sind, daß
sich zum Zeitpunkt der Abtastung ein mit ausreichender Sicherheit definierter Pegel
eingestellt hat. Eine hohe Ge-
schwindigkeit des Übertragungssystems
und eine hohe Störsicherheit sind an sich zwei widersprechende Anforderungen, eine
Bitrate von 25 kBaud dürfte als optimaler Kompromiß in diesem Fall anzusehen sein.
Bei den heute auf dem Markt befindlichen UARTs besteht ein Wort aus 12 Bits, einem
Startbit, 8-Datenbits, einem Paritybit und 2 Stopbits. Daran muß natürlich das Übertragungssystem
angepaßt sein, d.h. die acht Datenbits werden so aufgeteilt, daß sieben Bits für
die Adressierung und ein Bit für die Übertragung der Information verwendet wird.
Es können also 127 Stellen adressiert werden. Der besondere Vorteil einer solchen
Aufteilung der Datenbits besteht darin, daß man die richtige und unverfälschte Datenübertragung
lückenlos kontrollieren kann. Beim Senden der 8 Bits aus der Zentrale an die Unterstationen
fügt der UART automatisch das richtige Paritätsbit zu. Beim Empfang des Wortes an
der Peripherie wird automatisch geprüft, ob die Parität stimmt. Stimmt die Parität
nicht, so erfolgt keine Rückmeldung und nach einer bestimmten Zeit wird die Sendung
von der Zentrale wiederholt.
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Bei positiver Paritätsprüfung sendet die Unterstation eine Rückmeldung
in die Zentrale. Die Rückmeldung beinhaltet die aus 7 Bits bestehende Adresse und
die Information als 8. Bit. In der Zentrale wird die empfangene Rückmeldung ebenfalls
einer Paritätsprüfung unterzogen und die empfangene Adresse mit der gesendeten Adresse
(Bit per Bit) verglichen. Wenn beide Prüfungen positiv verlaufen, ist das Bit der
Information nicht verfälscht. Auf diese Art wird die Übertragung der Informationen
vom Ort mit einer lückenlosen Kontrolle durchgeführt.
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Erfolgt die Rückmeldung nicht, wiederholt die Zentrale die Sendung
automatisch, beispielsweise noch zweimal; wenn dann keine Rückmeldung erfolgt, wird
eine Störung angezeigt.
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Bei der Übertragung besonders wichtiger Informationen in die Verteilung
(z.B. eines Befehls zum Einschalten eines Schützes) wird nach der Rückmeldung und
Kontrolle bei einwandfreier Übertragung von der Zentrale ein kurzes Freigabesignal
ausgesendet, mit dem die Übernahme des Befehls freigegeben wird. Da in der Verteilung
die Speisung der Elektronik mit einem Netzteil keine Probleme bereitet, kann für
die Übertragung des Freigabesignals die Ader Nr. 6 verwendet werden, die sonst bei
der Übertragung zur Speisung der Unterstationen vorgesehen ist.
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Die Unter stationen befinden sich breit verstreut an der Peripherie.
Es ist daher-sinnvoll, die für die Abfrage benötigte Elektronik der Signalgeber
über das Steuerkabel zu speisen. Im Gegensatz zu der Obertragung in die Verteilung,
bei der Befehle übertragen werden, werden an der Peripherie lediglich Abfragen durchgeführt.
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Das erfindungsgemäße Übertragungssystem ist in der Zeichnung dargestellt
und im folgenden weiter beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 Prinzipschaltbild eines Steuerungssystems; Fig. 2 Blockschaltbild des Steuerungcsyst.ems
mit zentraler Anordnung der Leistungsschaltgeräte.
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Fig. 3 Blockschaltbild des Steuerungssystems mit dezentraler Anordnung
der Leistungsschaltgeräte.
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In Figur 1 ist auf der linken Seite die Schützensteuerung mit Sender-Empfänger
1 und Hauptstromleitungen eines elektrischen Antriebes dargestellt, die in einer
Schrankverteilung 2, in einem Schaltraum 3 untergebracht ist.
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Darunter befindet sich der vor Ort 4 installierte Verbraucher, hier
ein Motor 5 mit Reparatur-Trennschalter 6, Unterstation 7 und einer Drehzahlüberwachung
8, die an der Arbeitsmaschine angebracht ist.
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Auf der rechten Seite ist die vom Schaltraum 3 räumlich getrennte
Meßwarte 9, mit Zentraleinheit 10, Elektronik teil 11 und den in einem Fließbild
12 befindlichen Tastern 13 und 14, den Signallampen oder Leuchtdioden 15 und 16
und Amperemeter 17 dargestellt.
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Die Sender-Empfänger 1 in der Schrankverteilung 2 und in der Unterstation
7 sind über ein 7adriges Steuerkabel 18, 19, 20, das bevorzugt als mineralisoliertes
Kabel ausgelegt ist (Mi-Kabel), mit der Zentraleinheit 10 verbunden. Da die Unterstationen
7 vor Ort alle parallel an das Steuerkabel 19 angeschlossen sind, kann man sich
das Kabel 19 von der Unterstation 7 weiterlaufend denken.
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Über ein weiteres Mi-Kabel- 20 können z.B. räumlich entgegengesetzte
Unterstationen an die Zentraleinheit 10 angebunden werden.
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Wird der Antrieb mit den Tastern 13 und 14 im Fließbild in der Meßwarte
angesteuert, sind alle Verriegelungen wirksam und der Schaltzustand wird mit der
Leuchtdiode 15 angezeigt. Bei Ansteuerung vor Ort 4, mit den Tastern 21 und 22 in
der Unterstation 7 sind alle Verriegelungen unwirksam und dieser Schaltzustand (entriegelt)
wird mit der Leuchtdiode 16 angezeigt.
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Bei ungestörtem Betriebsablauf wird die Stellung des Tasters 21 und
22 vor Ort, des Tasters 13 und 14 im Fließbild, des Drehzalwählers 8 zyklisch abgefragt,
logisch in der Zentraleinheit 10 mit evtl. Verriegelung per Programm mit Hilfe z.B.
einer speicherprogammierbaren Steuerung 23 verknüpft und das Ergebnis - ein Befehl
zum Ein- oder Ausschalten des Schützes 24 und Ansteuerung der Leuchtdiode 15 oder
16, durchgeführt. Die Rückmeldung an die speicherprogrammierbare Steuerung 23 in
der Zentraleinheit 10, ob der Antrieb ein- oder ausgeschaltet worden ist, wird nach
einem Befehl durch eine zeitlich versetzte Abfrage des Hilfskontaktes 26 am Hauptschütz
24 ermittelt.
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Ist das Übertragungssystem ausgefallen, bleibt der vorhandene Schaltzustand
in der Schützensteuerung erhalten. Bei einer Oberlastung des Motors wird der Thermoschalter
27 den Antrieb über Schütz 24 abschalten.
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Im Notbetrieb kann der Antrieb über die Taster 28 und 29 in der Schrankverteilung
2, per Hand ein- oder ausgeschaltet werden. Dabei ist eine Übersicht über den
Betriebszustand
der Produktion weiterhin durch ein Amperemeter 17 in der Meßwarte 9, das mit dem
Stromwandler 30 in der Verteilung 2, wie bisher konventionell verdrahtet wird, gewährleistet.
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Ein Blockschaltbild des Steuersystems ist für eine Zentraleinheit
10 und für zahlreiche auf der Peripherie verteilte Unterstationen 7 in Fig. 2 dargestellt.
Die Zentraleinheit 10 ist in der Meßwarte aufgebaut. Daher ist von dem Elektronikteil
34 der Zentraleinheit 10 noch ein Kabel 31 zu einem Fließbild 12 gezeichnet, wo
Lampen oder Leuchtdioden 15, 16, Schalter 13, 14, Hupen 32 oder ähnliche Instrumente
untergebracht sind.
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In der Meßwarte sind auch noch Meßinstrumente 17 untergebracht, die
in konventioneller Verdrahtung 33 mit der Verteilung 2 verbunden sind. Diese Verkabelung
ist konventionell; sie könnte auch von dem erfindungsgemäßen Übertragungssystem
übernommen werden. Aus Sicherheitsgründen kann jedoch auf eine unabhängige Anzeige
verschiedener Meßwerte in der Meßwarte nicht verzichtet werden. Steuerbefehle an
die Anlage werden von den Schaltern 13, 14 oder 21, 22 aus eingegeben.
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Alle wichtige Steuerfunktionen 13, 14, die von der Meßwarte aus gegeben
werden können, müssen auch vor Ort 4 eingestellt werden können. Das ist an einer
beispielhaft herausgegriffenen Einheit 35 schematisch angedeutet. Auch die bekannten
Sende-Empfänger 7 sind dort nur skizziert. Die Schütze in der Verteilung 2
werden
in diesem Beispiel über das Steuerkabel 18 mit Hilfe des Übertragungssystems angesteuert.
Zur Steuerung des Übertragungssystems dient ein Mikrorechner 25.
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Eine speicherprogrammierbare Steuerung 23 ist für die Ausführung der
Verknüpfungen der Steuerung zuständig.
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11 und 34 ist im Prinzip eine Anpass- und Ansteuerelektronik.
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In Fig. 3 ist das Steuerungssystem mit dezentral angeordneten Leistungsschaltgeräten
dargestellt. Die Leistungsschaltgeräte 40 vor Ort 4 sind an eine Starkstorm-Ringleitung
41 angeschlossen. Die Unterstationen 7 sind an eine Steuerleitung 19, die ebenfalls
in Form einer Ringleitung ausgeführt ist, angeschlossen. Über die Steuerleitungen
19 und 20 werden die Schaltzustände der Signalgeber 21, 22 zyklisch abgefragt und
in der Zentrale 10 z.B. mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung 23 logisch
verknüpft. Bei der Übertragung eines Befehls für das Ein- oder Ausschalten eines
der Leistungsschalter 24 wird zuerst die Rückmeldung der angewählten Unter station
7 abgewartet, ihre Richtigkeit überprüft und nur bei einem positiven Ergebnis durch
ein kurzes Freigabesignal auf den entsprechenden Adern des Steuerkabels die Durchführung
des bereits übertragenen Schaltbefehls freigegeben. Aus diesen Gründen würde man
in dem Anwendungsfall wie es Fig.
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3 darstellt die Anzahl der Adern im Steuerkabel um 2 erhöhen. Die
Arbeitsweise ist die gleiche wie in Beispielen Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.
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1. Kalocay R.: Beitrag zur störungsfreien Ubertragung von Steuersignalen
an der Peripherie industrieller Steuerungen, Dissertation, TU Hannover, 1972; 2.
Haupt W., Otternberg W.: Der IEC-Bus für größere Entfernungen, Elektronik, 1979,
7, 74/76; 3. Haupt W., Otternberg W.: Zur Verlängerung des IEC-Bus: Bidirektionaler
Koppler für Datenleitungen, Elektronik, 1980, 17, 56/60.