DE3927973A1 - Data transmission system for process automation control - uses full duplex transmission for data transfer using frequency shift keying modulation - Google Patents

Data transmission system for process automation control - uses full duplex transmission for data transfer using frequency shift keying modulation

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Abstract

The data transmission system uses frequency shift keying modulation for transmission of measured values via a two-wire line. The central control has a central processor (6) supplying the required values for each remote device (2) coupled to the line (3) via a modem (4) and a capacitive coupling (5). The data received from the remote device via a capacitive coupling and the modem, with a corresp. modem (4) within each remote device (2), coupled via a serial interface to a microcontroller (7). Pref. the current for the electronic circuit (8) of each remote device is supplied via the same line, with a line adaption stage for extraction of the AC and DC signals. ADVANTAGE - Error-free transmission of monitored and control values.

Description

1. Einleitung.
Der Feldbus dient zur Verbesserung der Anlagenautomatisierung. Die Bestrebungen zur internationalen Normung zielen darauf ab, daß die bestehenden Feldgeräte wie Aktoren, Sensoren und verfah­ rungstechnische Einrichtungen mit einer Zentrale über eine ein­ zige, zweiadrige Leitung kommunizieren können. Ähnlich wie bei dem ISDM-System, dem digitalisierten Nachrichtennetz, ist der Feldbus in 7 Schichten strukturiert. Die erste Schicht definiert das verwendete Modulationsverfahren und die Art des Übertragungs­ kabels. Obwohl eine endgültige Übereinkunft noch nicht getroffen wurde, werden unmodulierte Impulse verwendet.1 Introduction.
The fieldbus is used to improve plant automation. The efforts towards international standardization aim to ensure that the existing field devices such as actuators, sensors and procedural facilities can communicate with a control center via a single, two-wire line. Similar to the ISDM system, the digitized message network, the fieldbus is structured in 7 layers. The first layer defines the modulation method used and the type of transmission cable. Although a final agreement has not yet been reached, unmodulated pulses are used.

Es ist bekannt, daß unmodulierte Impulse störanfällig sind, d.h. durch Störspannungen können an den Empfangs- und Dekodiereinrich­ tungen Bitfehler auftreten. Man muß zu deren Vermeidung oder Reduzierung mit entsprechend leistungsstarken Impulsen arbeiten und bestimmte Kabelarten verwenden. Letzteres bedeutet, daß in den Anlagen ein völlig neues Kabelnetz installiert werden muß. Das ist zum einen teuer, zum anderen zeitaufwendig. Auch gibt es viele kleine Anlagen, wo nicht die große, vom Feldbus ange­ strebte Vernetzung und Kommunikation notwendig ist. Es wäre in vielen Fällen von Vorteil, wenn man - ohne Kabel- oder Leitungs­ installation - mit den vorhandenen Leitungen eine verbesserte Kommunikation zwischen Zentrale und Feldgeräten realisieren kann. Gedacht ist hier v.a. an einfache Gleichstromleitungen, die überall in den Anlagen vorhanden sind und zur Übertragung analoger Ströme (0-20 mA, 4-20 mA) bzw. Spannungen (0-10 V) verwendet werden.It is known that unmodulated pulses are prone to interference, i.e. due to interference voltages at the receiving and decoding device bit errors occur. One has to avoid them or Reduction work with correspondingly powerful impulses and use certain types of cables. The latter means that in a completely new cable network must be installed in the systems. This is expensive, on the one hand, and time-consuming, on the other. Also there is many small systems, where not the large ones, specified by the fieldbus aspired networking and communication is necessary. It would be in in many cases an advantage if you - without cables or wires installation - with the existing lines an improved Can realize communication between the control center and field devices. The main idea here is to simple DC power lines that exist everywhere in the facilities and for transmission analog currents (0-20 mA, 4-20 mA) or voltages (0-10 V) be used.

Die hier vorgestellte Erfindung wendet sich also an solche Benutzer, die ohne leitungstechnischen und mit nur geringen gerätetechnischen Aufwand eine bessere Anlagenautomatisierung erreichen wollen. The invention presented here therefore applies to such Users without line technology and with only minor device engineering effort a better plant automation want to reach.  

2. Übertragungsverfahren mit FSK-Modulation
Es ist bekannt, daß man mit modulierten Impulsen zur Übertragung nur geringe Leistung benötigt und daß die Störanfälligkeit infolge der höheren Frequenzlage und der Bandbegrenzung gering ist. Außerdem ist von Vorteil, daß man diese modulierten Impulse an beliebiger Stelle einer Leitung (z.B. einer Ringleitung) galvanisch getrennt, z.B. kapazitiv, einspeisen oder auskoppeln kann.2. Transmission method with FSK modulation
It is known that modulated pulses for transmission require only a low power and that the susceptibility to interference is low due to the higher frequency range and the band limitation. It is also advantageous that these modulated pulses can be electrically isolated, for example capacitively, fed in or out at any point on a line (for example a ring line).

Der Bandbreitenbedarf von FSK-Impulsen (FSK = Frequenztastung) ist vom Frequenzhub und von der Datengeschwindigkeit abhängig. Bei einem Hub von ΔF/fM=2 verschwindet die Trägerlinie fo, so daß die gesamte Leistung in den Seitenbändern enthalten ist. Dadurch gewinnt man einen günstigen Signal/Geräusch-Abstand (S/R). Die Übertragungsleistung kann also gering gehalten werden.The bandwidth requirement of FSK pulses (FSK = frequency sampling) depends on the frequency swing and the data speed. With a stroke of ΔF / f M = 2, the carrier line fo disappears, so that the entire power is contained in the sidebands. This gives you a good signal / noise ratio (S / R). The transmission power can therefore be kept low.

Das FSK-Modulationsverfahren wird hier noch aus einem anderen Grunde vorgezogen: Es gibt integrierte Schaltungen, mit denen die FSK-Modulation direkt durchgeführt werden kann. Das bedeutet geringe Kosten, geringer Platzbedarf auf der Platine und geringe Leistungsaufnahme. Letzteres ist v.a. wichtig, wenn man den EX- Schutz bei chemischen Anlagen beachten muß.The FSK modulation method is here another one Basically preferred: There are integrated circuits with which the FSK modulation can be carried out directly. That means low cost, small space requirement on the board and low Power consumption. The latter is above all important if you have the EX Protection in chemical plants must be observed.

Als Anwendungsbeispiel wird im folgenden eine Übertragungsein­ richtung mit FSK-Modulation vorgestellt, mit der über eine einfache Gleichstromleitung eine Kommunikation zwischen einem Feldgerät (hier ein pneumatisches Ventil) und einer Stellwarte realisiert wurde (siehe Blockschaltbilder Abb.1 und 2a). Wie man sieht, werden die Daten in der Stellwarte moduliert und kapazitiv auf die Leitung gekoppelt. Die Trägerfrequenz beträgt dabei ca. 20 kHz. Empfangsseitig wird das FSK-Signal von der Leitung ausgekoppelt, über einen Bandpaß selektiert und in ein recht­ eckiges Datensignal regeneriert. Die Übertragung erfolgt demnach bitseriell und kann durch entsprechende SIO-Baugruppen in ein bitparalleles Signal umgesetzt und digital weiterverarbeitet werden.As an application example, a transmission device with FSK modulation is presented below, with which communication between a field device (here a pneumatic valve) and a control room was implemented via a simple DC line (see block diagrams Fig. 1 and 2a). As you can see, the data is modulated in the control room and capacitively coupled to the line. The carrier frequency is approximately 20 kHz. At the receiving end, the FSK signal is decoupled from the line, selected using a bandpass filter and regenerated into a rectangular data signal. The transmission is bit-serial and can be converted into a bit-parallel signal by appropriate SIO modules and further processed digitally.

Abb. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel eine vollständige Schaltung für einen sendeseitigen MODEM und den entsprechenden MODEM für das Ventil. Fig. 2 shows an exemplary embodiment of a complete circuit for a transmitter-side MODEM and the corresponding MODEM for the valve.

Die Anlage ist erweiterungsfähig. Wie Abb. 3 zeigt, können mehrere Feldgeräte an die Ringleitung angekoppelt werden, die ebenfalls frequenzmodulierte Daten durch ein entsprechendes 20 kHz-Bandpaß­ filter empfangen und demodulieren. Durch entsprechende Protokol­ lierung und Adressierung der von der Zentrale gesendeten Daten kann man die entsprechenden Feldgeräte ansprechen. Es ist v.a. eine Frage des Frequenzhubes, der Modulation , der Bandbreite und der Datengeschwindigkeit, wie viele Feldgeräte angesprochen werden können. (Mit einem 5 Bit - Adresskode können bis zu 32 Geräte angeschlossen werden.)The facility is expandable. As Fig. 3 shows, several field devices can be coupled to the ring line, which also receive and demodulate frequency-modulated data using a corresponding 20 kHz bandpass filter. The corresponding field devices can be addressed by appropriate logging and addressing of the data sent by the control center. How many field devices can be addressed is primarily a question of frequency swing, modulation, bandwidth and data speed. (Up to 32 devices can be connected with a 5 bit address code.)

Der Gegenverkehr von den Feldgeräten zur Stellwarte wird auf einer anderen Trägerfrequenz abgewickelt. In dem vorgestellten Beispiel also bei 60 kHz. Diese von den Feldgeräten gesendeten Meldungen werden vom Empfänger der Stellwarte dekodiert.The oncoming traffic from the field devices to the control room is opened another carrier frequency. In the featured Example at 60 kHz. These are sent by the field devices Messages are decoded by the control room receiver.

Claims (5)

(Es wird auf die Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 4 Bezug genommen.)(Reference is made to the drawings, FIG. 1 to FIG. 4 by reference.) 1. Übertragungseinrichtung mit FSK-Modulation zur störsicheren und leistungsarmen Meßwertübertragung auf zweiadrigen Leitungen zur Steuerung und Überwachung von Feldgeräten im Anlagenbau gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
  • - die von einer Zentrale 1 mit dem Zentralrechner 6 an ein Feldgerät 2 zu übertragenden Sollwerte werden als bitserielle, durch ein MODEM-Gerät 4 FSK-modulierte Daten kapazitiv 5 auf die Leitung 3 gekoppelt,
  • - die von den Feldgeräten zur Zentrale zu übertragenden Daten werden als bitserielle, FSK-modulierte Daten kapazitiv von der Leitung 3 ausgekoppelt, und mit dem MODEM-Gerät demodu­ liert und an den Zentralrechner 6 weitergeleitet,
  • - die gleichen Vorgänge werden am Ort des Feldgerätes 2 mit einem entsprechenden MODEM-Gerät 4 durchgeführt und die regenerierten Daten an die serielle Schnittstelle des Mikro­ controllers 7 weitergegeben,
  • - entsprechend werden Meßwerte, Meldungen u.a. Informationen vom Controller 7 über die serielle Schnittstelle an den MODEM zur Übertragung zur Zentrale übergeben,
  • - die erforderliche Wechselstromleistung ist gering (kleiner als 0.05 W), so daß die Eigensicherheit für den Ex-Schutz nicht gefährdet wird,
  • - der Datenverkehr kann im Vollduplexbetrieb durchgeführt werden, da für die entgegengesetzten Übertragungsrichtungen verschiedene Frequenzen verwendet werden,
  • - zur Versorgung der elektronischen Einrichtungen 8 des Feldge­ rätes 2 wird mit einem Netzgerät 9 ein Gleichstrom in die gleiche Leitung eingespeist,
  • - mit einer Leitungsanpassung 10 werden die Gleich- und Wechselstromsignale entkoppelt und der Leitungswellenwider­ stand an die Wechselstromübertragungseinrichtung angepaßt.
  • - für die Leitung 3 kann eine nicht geschirmte, für die analoge Meßwertübertragung 0 bis 20 mA bzw. 4 bis 20 mA bereits vorhandene Gleichstromleitung verwendet werden.
1.Transmission device with FSK modulation for interference-free and low-power measured value transmission on two-wire lines for the control and monitoring of field devices in plant construction characterized by the combination of the following features:
  • - with the central computer 6 to a field device 2 to be transmitted setpoints are capacitively coupled as a bit serial by a modem device 4 FSK-modulated data 5 on the line 3 from a control center 1,
  • the data to be transmitted from the field devices to the control center are capacitively coupled out from line 3 as bit-serial, FSK-modulated data, and demodulated with the MODEM device and forwarded to the central computer 6 ,
  • the same processes are carried out at the location of the field device 2 with a corresponding MODEM device 4 and the regenerated data are passed on to the serial interface of the microcontroller 7 ,
  • - Measured values, messages and other information are accordingly transferred from controller 7 via the serial interface to the MODEM for transmission to the control center,
  • - the required AC power is low (less than 0.05 W), so that the intrinsic safety for explosion protection is not endangered,
  • the data traffic can be carried out in full-duplex mode, since different frequencies are used for the opposite transmission directions,
  • - To supply the electronic devices 8 of the field device 2 , a direct current is fed into the same line with a power supply unit 9 ,
  • - With a line adapter 10 , the DC and AC signals are decoupled and the line wave resistance was adapted to the AC transmission device.
  • - For line 3 , a non-shielded DC line that is already available for analog measured value transmission 0 to 20 mA or 4 to 20 mA can be used.
2. MODEM-Gerät (Fig. 2) nach Anspruch 1 zur FSK-Modulation gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
  • - die seriellen rechteckförmigen Daten eines Rechners 6 werden über eine Anpaßschaltung 11 in einer Impulsformerstufe 12 abgeflacht,
  • - der Modulationsindex des Modulators 13 ist zwecks Bandbrei­ tenbegrenzung auf 2 eingestellt,
  • - die Bandpässe 14 sind aus mehrpoligen SCN-Filtern (geschalteten Kapazitätsfiltern) aufgebaut,
  • - bei Kabelbruch wird über eine Elektronikschaltung 17 eine Alarmmeldung ausgelöst und dem Zentralrechner übergeben,
  • - die einzelnen Baugruppen sind aus stromsparenden CMOS- Bausteinen aufgebaut, letztendlich ist für den MODEM ein kundenspezifischer ASIC-Baustein in CMOS-Technologie vor­ gesehen, um den Stromverbrauch v.a. bei den Feldgeräten wegen der Eigensicherheit möglichst gering zu halten.
2. MODEM device ( Fig. 2) according to claim 1 for FSK modulation characterized by the combination of the following features:
  • the serial rectangular data of a computer 6 are flattened via a matching circuit 11 in a pulse shaper stage 12 ,
  • the modulation index of the modulator 13 is set to 2 for the purpose of bandwidth limitation,
  • the bandpasses 14 are made up of multi-pole SCN filters (switched capacitance filters),
  • in the event of a cable break, an alarm message is triggered via an electronic circuit 17 and transferred to the central computer,
  • - The individual modules are made up of energy-saving CMOS modules, ultimately a customer-specific ASIC module in CMOS technology is provided for the MODEM, in order to keep the current consumption, especially for the field devices, as low as possible due to the intrinsic safety.
3. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale (Fig. 3):
  • - es werden mehrere Feldgeräte an die zweiadrige Ringleitung angeschlossen, deren Anzahl vom zulässigen Gleichstrom bzw. von der geforderten Ex-Schutz-Art abhängt,
  • - mit einer Stromwandlerschaltung 19 wird die entsprechende Versorgungs-Gleichspannung für die Elektronikbaugruppen gewonnen,
  • - die einzelnen Feldgeräte werden über ein Adreß-Byte vom Zentralrechner angesprochen, gleichzeitig wird damit die Befehlsart übertragen (mit einem zweiten Byte werden die Daten, z.B. der Sollwert, übertragen).
3. Transmission device according to claim 1 characterized by the combination of the following features ( Fig. 3):
  • - several field devices are connected to the two-core ring cable, the number of which depends on the permissible direct current or the required type of explosion protection,
  • the corresponding DC supply voltage for the electronic assemblies is obtained with a current transformer circuit 19 ,
  • - The individual field devices are addressed by the central computer via an address byte, at the same time the type of command is transmitted (the data, eg the setpoint, is transmitted with a second byte).
4. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Datentransfer zwischen dem Zentralrechner 6 und verschiedenen Feldgeräten 2 mit Hilfe einer Multiplexer- Schnittstelle 21 sternförmig über die in der Zentrale 1 zusammenlaufenden Leitungen erfolgt und daß die Gleichstrom­ versorgung 9 und die Leitungsanpassung 10 für jede Leitung getrennt realisiert wird (Fig. 4) .4. Transmission device according to claim 1 and 2, characterized in that the data transfer between the central computer 6 and various field devices 2 using a multiplexer interface 21 is carried out in a star shape over the lines converging in the control center 1 and that the direct current supply 9 and the line adapter 10 is realized separately for each line ( Fig. 4).
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