DE3631477A1 - Netzwerk zur daten- und energie-uebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzwerk zur Übertragung von Daten und Energie über getrennte oder dieselben Leitun­ gen, wobei insbesondere die Daten von Geräten der Meß-, Steuer- und Regeltechnik übertragen werden und ihre Energie-Versorgung sichergestellt wird.

Bei derartigen Netzwerken werden die Daten und die Energie von entfernten Sensoren, Aktoren, Geräten und Rechnern über das Netzwerk ausgetauscht und gespeist.

Es ist bekannt, Daten der Meß-, Steuer- und Regeltechnik von Sensoren, Aktoren, Geräten und Rechnern über 4 bis 20 mA-Schnittstellen analog zu übertragen. Es ist ferner bekannt, diese Daten über die seriellen Schnittstellen RS 232, V 24 digital zu übertragen. Dabei wird des öfteren Energie zu den entfernten Geräten in beiden Fällen mit zusätzlichen Leitungen übertragen.

Es ist außerdem bekannt, die Daten und die Energie von Sensoren in explosionsgeschützten Räumen nach NAMUR über dieselben Leitungen zu übertragen. In allen Fällen werden die Daten zur zwischen zwei Punkten übertragen. Bei den bekannt gewordenen Netzwerken für die Meß-, Steuer- und Regeltechnik (vgl. DE-OS 34 27 350, DE-OS 33 33 847, DE-OS 33 13 240 speisen die Netzwerk-Treiber beim Senden Energie in das Netzwerk. Sie sind deshalb für die Übertra­ gung von Daten und Energie weniger geeignet, weil sie zum Senden hohe Energie benötigen. Außerdem enthalten sie keine Elemente, welche die Minimierung der Energie im Netzwerk und die Zuteilung verschiedener Energien erlau­ ben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Übertragung von Daten und Energie mit Netzwerken der Steuer-, Meß- und Regeltechnik zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein zentrales Speisegerät die Teilnehmer am Netzwerk und deren Netzwerk-Treiber mit Energie versorgt und alle Teilnehmer am Netzwerk im Rahmen ihrer Zugriffs­ berechtigung nacheinander diese Energie zur Datenübertra­ gung modulieren, ohne selbst Energie in das Netzwerk zu speisen.

Ein merklicher Vorteil besteht darin, daß auch Rechner in explosionsgefährdeten Räumen ohne eigene Spannungs­ versorgung auskommen. In diesen gefährdeten Räumen kann auf Netz- oder Speisegeräte verzichtet werden, da die Versorgung über das Netzwerk der vernetzten Rechner erfolgt.

Um die Energie des Netzwerkes zu minimieren, müssen die Teilnehmer zur Reduktion der von ihnen aufgenommenen Energie mindestens drei Zustände unterscheiden, nämlich Betrieb, betriebsbereit und außer Betrieb mit Speicherung der Betriebsdaten. Die aufgenommene Energie von den Teilnehmern wird für eine Datenübertragung moduliert und an alle Teilnehmer verteilt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit einem einzigen BUS-, Ring- oder Baum-Netzwerk eine Vielzahl von Teilnehmern verbun­ den werden kann und dabei nicht nur die Datenübertragung zwischen ihnen ermöglicht wird, sondern auch die Versor­ gung der Energie der Geräte (über dieses Netzwerk) erfolgen kann. Vorteilhaft erfolgt die Einspeisung der Energie in der Netzwerkmitte.

Die Möglichkeit der Datenübertragung im Netzwerk wird weiter dadurch verbessert, daß der Netzwerk-Treiber einen Sende-Kollissions-Detektor enthält.

Die Flexibilität der Datenübertragung über das Netzwerk wird dadurch erhöht, daß der Netzwerk-Treiber eine Einrichtung enthält, welche eine automatische Umschaltung des Zugriffs in Abhängigkeit von der Netzwerkbelastung vornimmt.

Bevorzugt besitzen die Teilnehmer Schnittstellenschaltun­ gen, die in der Technik als UART bzw. USART bekannt sind. Diese Schnittstellenschaltungen sind dann über den Netzwerk-Treiber mit dem Netzwerk gekoppelt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Netzwerks können die Teilnehmer CMOS-Einchip-Rech­ ner, bevorzugt der Bauart INTEL 8051 mit serieller Schnittstelle UART sein.

Bei einem derartigen Netzwerk kann zur Daten- und Energie-Übertragung oder nur zur Datenübertragung ein und dasselbe Protokoll verwendet werden, wobei nur die Ebenen 1 des ISO-Modells derart angepaßt werden, daß für die Übertragung von Daten und Energie ein anderer Netzwerk- Treiber verwendet wird.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Netz­ werks sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt einen Teilnehmer 24 mit Rechner 20 mit Anschluß an ein Netzwerk 10. Die Figur zeigt die folgenden Elemente des Teilnehmers 24; einen Übertrager 12, einen Netzwerk-Treiber 14, einen Adreßschalter 16, einen Energiespeicher 18, den Rechner 20 und einen Sensor 22.

Die Übertragung von Daten und Energie erfolgt über das Netzwerk 10 und die Übertrager 12; dabei wird das Netzwerk 10 zentral von mindestens einer Wechselspan­ nungsquelle gespeist. Beim Senden eines Teilnehmers 24 moduliert dieser z.B. die Amplitude der Wechselspannung im NRZ-Kode.

Der Netzwerk-Treiber 14 speist den Teilnehmer 24 mit mindestens einer stabilisierten Gleichspannung 31, 36. Dabei dient ein Kondensator 18 und/oder ein Akkumulator als Energie-Speicher für diese Gleichspannung. Der maximale Strom zu jedem Teilnehmer 18 wird im Netzwerk- Treiber 14 begrenzt, damit bei einem Kurzschluß eines oder mehrerer Teilnehmer 24 die Übertragung der Daten und der Energie zu den anderen Teilnehmern 24 nicht gestört wird.

Der Netzwerk-Treiber 14 gibt nur die Daten an seinen Teilnehmer 24 weiter, welche für diesen bestimmt sind. Hierzu enthält der Netzwerk-Treiber 14 den Adreßschalter 16. Stimmt die Zieladresse einer Nachricht mit der Adresse eines Teilnehmers 24 überein, so wird dieser Teilnehmer 24 von dem Zustand "betriebsbereit" in den Zustand "Betrieb" überführt. Dies geschieht durch den Adreß-Interrupt-Befehl z.B. über Leitung 32. Der Rechner 20 führt durch die Auslösung des Adreß-Interrupt die geforderte Operation aus und schaltet sich danach selbsttätig in den betriebsbereiten Zustand, mit verrin­ gerter Energieaufnahme, zurück. Die Steuerung des Sensors 22 erfolgt durch den Rechner 20, parallel oder seriell. Der Sensor 22 kann eine beliebige Größe überwachen, die als Signal an den Rechner angelegt wird.

Fällt das Netzwerk 10 aus, so werden die Betriebs- Parameter des Rechners 20 durch die gespeicherte Energie im Energiespeicher, nämlich dem Akkumulator 18 beibehal­ ten. Damit diese Energie für eine lange Zeit ausreicht, wird der Rechner 20 vom Netzwerk-Treiber 14 mit dem Befehl "Power down" etwa auf Leitung 33 so lange in den Zustand "außer Betrieb" geschaltet, bis eine neue Adresse übertragen wird. In dem Zustand "außer Betrieb" nimmt der Rechner 20 die geringstmögliche Energie auf.

Die Daten-Übertragung zwischen dem Netzwerk-Treiber 14 und dem Rechner 20 kann seriell oder parallel erfolgen. Im einfachsten Fall werden die Daten in der Figur seriell als Sendedaten z.B. über Leitung 35 und als Empfangsdaten z.B. über Leitung 34, übertragen.

Bei einem Teilnehmer 24 ohne Rechner 20 ist der Sensor 22 direkt mit dem Netzwerk-Treiber 14 verbunden. Der Netzwerk-Treiber 14 muß dabei die Steuerung des Sensor 22 mit übernehmen.

Claims (15)

1. Netzwerk für die Steuer-, Meß- und Regel-Technik zur Daten- und Energie-Übertragung über getrennte oder dieselbe Zu- und Rückleitung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zentrales Speisegerät die Teilneh­ mer (24) am Netzwerk und deren Netzwerk-Treiber (14) mit Energie versorgt und alle Teilnehmer (24) am Netzwerk (10) im Rahmen ihrer Zugriffsberechtigung nacheinander diese Energie zur Datenübertragung modu­ lieren, ohne selbst Energie in das Netzwerk (10) zu speisen.

2. Netzwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Teilnehmer (24) mit Wechselstrom erfolgt.

3. Netzwerk nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer mit Transformatoren (12) galvanisch vom Netzwerk getrennt sind.

4. Netzwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbwellen-Takt der Wechselspannung zur Speisung der Teilnehmer (24) und auch zur Synchroni­ sierung der Daten und deren Takt dient.

5. Netzwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Wechselspannung mindestens eine geregelte Gleichspannung erzeugt wird, deren maximaler Strom so begrenzt ist, daß der Kurzschluß eines oder mehrerer Teilnehmer (24) am Netzwerk (10) die Datenübertragung der übrigen Teilnehmer (24) am Netzwerk (10) die Datenübertragung der übrigen Teilnehmer (24) nicht gefährdet.

6. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer (24) zur Reduktion ihrer aufgenom­ menen Energie mindestens drei Zustände unterscheiden, nämlich Betrieb, betriebsbereit und außer Betrieb bei Speicherung der Betriebsdaten, und die von einem Teilnehmer aufgenommene Energie durch die Datenüber­ tragung gesteuert und die Energie an alle Teilnehmer (24) verteilt wird.

7. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Netzwerk-Treiber (14) zur Reduktion der Energie seines Teilnehmers (24) stellvertretend für seinen Teilnehmer prüft, ob die Zieladresse einer Nachricht seinem Teilnehmer (24) gilt und nur dann seinen Teilnehmer (24) vom betriebsbereiten Zustand in den Betriebszustand überführt, wenn die Zieladres­ se mit der Adresse des Teilnehmers (24) überein­ stimmt, wobei der Teilnehmer (24) die Nachricht übernimmt, die geforderte Operation ausführt und nach ihrer Erledigung selbsttätig in den betriebsbereiten Zustand mit geringerem Energiever­ brauch zurückkehrt.

8. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall des zentralen Speisegerätes jeder Teilnehmer (24) von seinem Netzwerk-Treiber (14) in den Zustand außer Betrieb mit geringster Energie­ aufnahme überführt wird, wobei die Betriebsdaten aufgrund seines Akkumulators (18) erhalten bleiben, bis der Netzwerk-Treiber (14) den Teilnehmer (24) nach Empfang einer Zieladresse wieder in den betriebsbereiten Zustand überführt.

9. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung der Energie in der Netzwerkmitte erfolgt.

10. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Netzwerk-Treiber (14) einen Sende-Kollisions- Detektor enthält, welcher den Zugriff zum Netzwerk steuert.

11. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Netzwerk-Treiber (14) eine Einrichtung enthält, welche eine automatische Umschaltung des Zugriffs in Abhängigkeit von der Netzwerk-Bela­ stung vornimmt.

12. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer (24) mit ihren UART, USART über den Netzwerk-Treiber (14) mit dem Netzwerk (10) gekoppelt sind.

13. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer einen CMOS-Einchip-Rechner mit seriellen UART enthalten, z. B. den INTEL 8051.

14. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Netzwerk zur Daten- und Energie-Übertra­ gung oder nur zur Datenübertragung ein und dasselbe Protokoll verwendet wird, wobei nur die Ebenen 1 des ISO-Modells angepaßt werden, indem für die Übertragung von Daten und Energie ein anderer Netzwerk-Treiber (14) verwendet wird.

15. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Netzwerk-Treiber 14 nicht nur die Adress-Er­ kennung vornimmt und die Daten zu seinem Teilnehmer (24) weiterleitet, sondern selbsttätig ohne Zwischen­ schalten des Rechners (20) auf eine Anfrage Daten zu senden, mit eingegangenen Daten antwortet und diese an das anfragende Telegramm anhängt.