CN1004677B - 二线式通信系统 - Google Patents

Abstract

一种二线式通信装置，包括具有恒流特性并根据传感元件来的信号控制输出电流的发信装置，接收控制信号并控制传感元件的收信装置，经双线与发信装置串连的电阻和电源，与该电阻并联、向过程侧传送来自发信装置的输出电流并同时根据过程侧来的情报控制送到双线上的由电源产生的电流的通信装置。因而，能用通信装置对发信器的功能作远程设定调整，且能用控制电子计算机控制，并能容易地适应系统的数字化。

Description

二线式通信系统

本发明为二线式的通信系统，特别是有关在工厂等处的以前的模拟控制系统和现在的及将来的数字控制系统中以末端的过程变量发信器为首的信息组机器和系统的控制电子计算机的数据传送系统以及与其相类似的通信系统中适用的通信系统。

众所周知，作为过程变量发信器等的工业仪器的二线式数据传送或通信的系统，除了已有的发信器的通过4～20毫安的电流控制进行模拟数据传送的系统以外，还有以前，在日本专利申请特开昭58-85469号中记载有数字数据和模拟数据交替进行通信的系统。后者的数字数据的通信的系统是由从通信装置送到发信器的有关信器功能的设定、调整等的命令和从发信器送到通信装置的应答所组成，由于导入从模拟数据传送状态过渡到数字数据传送状态后预先设定的延时而恢复到模拟数据传送状态。此种系统对于在模拟数据传送的通信系统中由用户进行发信器功能的调整、设定时较有效。但是此系统的基础状态是模拟数据的传送状态，而有关以过程变量信号为数字数据从发信器传送到收信器或上位电子计算机内的系统则没有述及。而且在上述系统中，通信装置并联连接到电源和电阻及发信器上，很容易受到干扰和电源的电压变动的影响。而且收信器与电阻并联连接，和通信装置的连接位置不同，从将来与上位系统的接口等考虑也缺乏统一性。

在特开昭60-148234中公开了一种模拟·数字通信装置，它包括二线式传输线路1，串联接入传输线路1的电源B，发信器2，收信器3，在传输线路1上串联接入的恒压元件ZD，及与该恒压元件并联的通信器4。通信器4中的开关元件（晶体管Q1）与恒压元件ZD并联，该开关元件响应数字信号而动作，根据因恒压元件的插入及短路而产生的传输线路1的线间电压的变化，通过发信器来接收数字信号。但这种通信是单向的，其通信装置仅有发信部分而没有收信部分，因而不能实现发信装置与通信装置之间的双向数字通信。

为了克服以上缺点本发明的目的在于提供一种通信系统，它使以前的模拟控制系统中的过程（Process）变量发信器的更换或往新的模拟控制系统中进行过程变量发信器的设置和在上述系统中利用通信装置作发信器功能的远程设定、调整成为可能，同时能由控制电子计算机控制到末端，并能容易地适应系统的数字化。

以将来的过程变量发信器的通信系统不论系统内外均将由模拟数据传送系统过渡到能有更高精度、更高可靠性和多路的数字数据传输系统的设想为基础，并考虑到能适应以前的模拟控制系统的模拟数据传送状态、能适应数字控制系统的数字数据传送状态、以及能从两种传送状态进行改变的，并通过通信装置或接口能由上位电子计算机进行远程设定调整的数字通信状态的设定，而发明本系统。

以下用附图对本发明的实施例作详细说明，其中：

图1为表示本发明的实施例的方块图;

图2为模拟数据传送状态的收发信波形图;

图3为数字数据块的构成图;

图4为构成图3的数据块的字符的位构成图;

图5为数字数据传送状态的收发信波形和发信器通信功能的状态;

图6为数字通信状态的收发信波形图;

图7为表示改变模拟数据的传送状态的方式的收发信波形图;

图8为表示I_T和V_T的关系的曲线图;

图9为将数字数据传送状态和数字通信状态组合起来的状态的发信波形图;

图10为表示将图9所示的状态改变为模拟数据传送状态的方式的发信波形图;

图11为表示本发明的一实施例的过程变量发信器的功能方块图;

图12为表示本发明的一实施例的通信装置的功能方块图;

图13为表示作为利用本发明的发展形式的过程变量发信器和上位系统的连接的方块图;

图14为表示作为利用本发明的数字数据传送状态的发展形式的二线式数据传送的多路化的方块图。

首先参照图1，图1表示本发明的通信系统的一实施例的方块图。过程变量发信器1通过电阻R_L4由外部电源5供电，电流I_T成为输出信号。收信器2或通信装置3与电阻4并联连接。在此状态下利用传输线6从电源向过程变量发信器供电，同时在过程变量发信器和通信装置之间进行数据通信及从过程变量发信器向收信器传送输数据。在图1中，V_T、I_T为过程变量发信器1的端电压及输出电流，V_R为电阻R_L4的端电压，I为通信装置3的输出电流。试说明各方块的基本功能，首先，过程变量发信器有恒电流特性，依靠通过传输线得到4mA的电流进行动作。并且有模拟数据传送功能和数字数据收发信功能，例如用包含在过程变量发信器1中的微处理机对压力和温度等的过程变量进行补正处理，变换为适当形状的信号，通过传输线传送数据。而且，接收从通信装置传送出的数字数据，由上述微处理机进行处理，以数字数据进行应答。收信器为模拟数据收信器或数字数据收信器，接收数据并加以显示。这些可由用户加以选择而设置。通信装置具有模拟数据接收，数字数据发送、接收功能，数据设定功能，数据显示功能及改变过程变量送信器的通信状态的功能。在图1所示的系统中整个系统的控制完全由通信装置的操纵员用指令进行。在以后代替通信装置而和上位电子计算机直接连接的场合则由上位电子计算机进行控制。

按通信功能的区别来看，有下列三种通信状态。

（1）从过程变量发信器发到收信器的4-20mA的直流模拟传送状态;

（2）用从过程变量发信器发到收信器的序列脉冲的数字传送状态;

（3）用过程变量发信器和通信装置之间的序列脉冲的数字通信状态。

关于这三种通信状态，参照图1到图6进行说明。首先，（1）为了说明模拟数据的传送状态而参照图2。在此状态下，上述过程变量发信器根据过程变量大小在4～20mA的范围内控制输出电流I_T从而传送模拟数据。此输出电流I_T通过传输线传送，用电阻R_L作电流/电压（I/V）变换，再由收信器检出。用图2表示I_T和V_R的时间变化。在此处V_Rmax，V_Rmin分别为V_Rmax＝I_Tmax[A]×R_L[Ω]＝20·R_L[V]，V_Rmin＝I_Tmin[A]×R_L[Ω]＝4·R_L[V]。此状态是已有的模拟数据传送方式，故略去详细说明。

其次，在说明（2）数字数据传送状态、（3）数字通信状态之前，有关在（3）及（2）的状态下所使用的数字数据的数据构成，参照图3、图4进行说明。表示一个过程变量的数据或命令、应答数据作为具有STX、CMD数据、ETX的一连串的字符列的1个数据块（正文）进行处理。STX为表示正文开始的传送控制字符、CMD为表示数据种类的字符，D₁～D_n为传送数据字符，ETX表示正文结束的传送控制字符。各字符的位的构成在图4中表示。这里所表示的数据形式是根据日本工业标准委员会的JISC6220标准的标准形式，故省略详细说明，其次参照图4及图1说明数字数据的发送方法。数字数据的发送是在过程变量发信器1、通信装置3中通过控制输出电流I_T及I_C来实行的。例如在图4中由于使数字数据的“1”与电流的最小值Imin相对应，数字数据的“0”与电流的最大值Imax相对应，并使电流成脉冲状态变化，而发送数字数据。这样的电流变化通过电阻R_L4经I/V变换产生的电压变化由收信器2或通信装置3检出。即在图1中输出电流I_T及I_C的电流变化通过与传输线串联连接的1个电阻R_L4被变换成电压变化，I_T的变化作为V_R的变化由收信器2或通信装置3、I_C的变化则作为V_T的变化由过程变量发信器1分别接收，因而得到脉冲状的序列数据。

利用以上基本的数字数据的构成和收发信方式可实行数字数据传送和数字数据通信。参照图5对数字数据的传送状态作详细说明。在此状态下过程变量发信器将过程变量作为数字数据周期性地进行传输。首先如图5（a）所示，过程变量发信器通过在预先设定的电流范围例如在4～20mA之间使数字数据的“1”对应于4mA，数字数据的“0”对应处20mA。通过控制输出电流I_T来传送数字数据。在此处，因为过程变量发信器的动作电流最大为4mA的必要的，故数字电流信号的最小电流为4mA。1个过程变量作为1个数据块进行传送，各数据块以预定的传送周期T例如0.1秒的周期顺次传送输新的数据。如图5（b）所示各数据块作为电阻4的端电压V_R的变化用收信器2或通信装置3连行接收，从而得到脉冲状的系列数据。过程变量发信器的数字数据发送接收功能如图5（a）所示在数据块和下一个数据块之间处于接收状态，而在传送数据块时处于发送状态。通过利用此接收状态就有可能和下述的通信状态进行组合。再者，在接收状态中输出电流I被固定在预先设定的值例如4mA。

参照图6及图1对数字通信状态进行说明。在数字通信状态下实现利用从通信装置3发到过程变量发信器1的一个数字块的过程变量发信器1的功能设定和调整命令和利用从过程变量发信器1发到通信装置3的流程（flow）数据块的对上述命令的应答。通信装置3在预先设定的电流范围O-I_c1内通过使数字数据的“1”对应于OmA并使数字数据的“0”对应于I_c2，对输出电流进行控制，而发送数字数据。图6所示的命令数据块如同图6（b）所示的那样，作为过程变量发信器的端电压V的变化由过程变量发信器1接收而得到脉冲状的序列数据。过程变量发信器1由过程变量发信器1中的微处理机根据命令数据进行处理并以和上述数字数据传送状态的发送方法相同的方法作为1个数据块向通信装置3发送应答数据块。再者，在此通信状态中过程变量发信器1的通信功能处于接收状态，正在等待来自通信装置的命令，此时I_T固定在预先设定的电流值例如4mA。

以上说明上述三个通信状态，以下表示有关由上述三通信状态内的数字数据传送和数字通信状态组合起来的状态及由模拟数据传送输状态所组成的通信方式及两通信状态间的改变方法的一实施例。首先模拟数据传送状态与参照图2的上述说明相同，有关使该模拟数据传送状态改变的方式参照图7及图8和图1进行说明。在图7中在时刻t₁之前过程变量发信器1处于通常的模拟数据传送状态，V_T在V_Tmin和V_Tmax的电压范围内。在此处，通过通信状置3从时刻t₁起仅用一定时t_c，使电流I_c1流到电阻4上，从而使V_T维持在电压范围V_TO和V_Tmin之间。参照图8对在此状态下的I_T和V_T的关系和t₁以前的I_T和V_T的关系加以说明。当t＜t₁时由表示I <math><msup><mi></mi><msub><mi>=</mi></msup><mi>C</mi></msub></math> OmA的直线（a）表示I_T和V_T的关系，当t₁＜t＜t₂时由表示I_c＝I_c1的直线（b）表示I_T和V_T的关系。即对于相等的I_T，V_T产生△V＝I_c1·RL的电压差。过程变量发信器预先将作为初期状态所得到I_T和V_T的关系和实际的V进行比较，一旦得知在某一定期间△V超过阈值△V_Th时就中止模拟数据传送状态，而过渡到数字数据传送和数字通信组合起来的状态。

下面参照图9对有关数字数据传送和数字通信组合起来的状态进行说明。过程变量发信器1如图9（a）、（b）所示，用定时器设定其传送周期，并与定时器的输出同步地发送过程变量数据块。此处，在通信装置3发送命令的场合，作为通信装置3接收从过程变量发信器来的数据块，并使其与终止同步来发送命令数据块，从而使命令数据块在不与过程变量数据块混在一起的情况下到达过程变量发信器所采用同步的方式有各种方式而在本系统中通信装置与过程变量发信器发送的数据块的终止同步地发送命令数据块。因而，在用本系统的场合，过程变量发信器1发送数据的间隔必须比通信装置3发送的数据的长度长得多。此时的命令数据的发送方式与参照图6所说明的上述方式相同。而且，在由通信装置3发送命令数据块时，如参照图5所进行的说明那样，发信器的通信功能处于接收状态，并接收通信装置所发出的命令数据块。装在过程变量发信器1中的微处理机根据命令进行处理，并与数字数据的传送周期同步，变为过程变量数据块而传送应答数据块。此时的发送系统与参照图6所说明的上述方式相同。其后，在没有来自通信装置3的命令的场合，过程变量发信器再次以周期T发送过程变量数据块。

参照图10，说明有关改变数字数据传送和数字通信组合成的状态的方式。在图9的命令数据块中发送状态变更命令数据块的场合为图10，数据的发送和接收的方式与参照图9所说明的上式方式相同。过程变量发信器1向通信装置应答后使通信状态过渡到模拟数据传送输状态。

把能够满足以上的上述三个通信状态及实施例的功能的过程变量发信器1及通信装置3的基本构成的方块图在图11及图12中表示。首先参照图11对有关过程变量发信器1的构成和功能并与实施例相对应加以说明。

由检测压力、差压、温度等多个过程变量的复合传感元件7产生的模拟输入利用输入输出选择器10的指示进行选择，以输入输出选择器10所指示的增益，在可编过程放大器中进行放大。其次用模拟/数字（A/D）变换器作A/D变换后的数据由以运算和通信处理为中心的处理整个过程变量发信器动作的微处理机MPU24进行补偿运算处理。经此运算处理所得的数据经过含D/A变换器的模拟输出回路13或经从微处理机MPU24的串行接口输出的数字输出回路16到达多路转换器MPX2（17）。多路转换器MPX2（17）选择根据输入输出选择器的指示所输出的数据，输出到电流控制器18。由电压电流变换回路所构成的电流控制器18根据输入大小来控制输出电流。而且，数字输入回路19接收从通信装置3送来的数字数据输出到微处理机MPU24的串行接口。再者，输入输出选择器10具有闩锁和输出来自微处理机MPU的指令的功能，在可擦的可编过程只读存贮器25中记忆有补偿运算的特性数据和过程。定时器26给与某一定的动作周期。

在此处在模拟数据传送状态中，微处理机MPU24将数据输出到模拟输出回路中，通过输入输出选择器选择多路转换器2（17）的输入中的D₂。而且，在图7、图8中所示的过程变量发信器的端电压变化部分△V通过周期性地选择多路转换器MPX1（8）的A4输入并通过对V_T作模拟-数字（A/D）变换而进行测定。其次在数字数据传送输状态中微处理机24由串行接口输出数据，并通过输入输出选择器选择多路转换器MPX2（17）的输入中的D₁。

参照图12对有关通信装置的构成和功能并与实施例相对应进行说明。操纵员的指示通过键盘38被输入，微处理机MPU34进行与指示相对应的数据构成，从串行接口经数字输出回路32到达电流控制器27。由电压电流变换回路构成的电流控制器根据输入大小控制输出电流。数字输入回路30接收从过程变量发信器所送来的数字数据，输出到微处理机MPU34的串行接口。模拟/数字（A/D）变换器37输入从过程变量送信器送来的模拟数据所产生的电阻4的端电压，并变换为数字数据，再输出到微处理机MPU34内。再者，只读存贮器36记忆有过程，定时器35给与某一定的动作周期。显示器39输出和显示由操纵员输入的数据及从过程变量发信器1送来的数据等。在此处，过程变量发信器1在模拟数据传送状态时微处理机MPU通过A/D变换器37接收数据，此时定时器给予接收周期。过程变量发信器1在数字数据传送状态时，微处理机MPU34通过数字输入回路30接收数据。过程变量发信器1在数字通信状态时通过数字输出回路32输出数据，通过数字输入回路30接收应答数据。Tx启动（enable）通常保持低（Low）电平，而在图7中表示。改变模拟数据传送状态时的I_c＝I_c1的t_c期间的维持是依靠把由Tx启动在t期间内保持为高（Hi）电平来提供的。再者t_c由定时器提供。

参照图13，图14及图1，说明利用上述三种通信状态的通信系统的发展形式。首先在图13中通过具有通信装置3的水平的收发信功能的接口，将上位系统和过程变量发信器1连接，因而使系统中的上位电子计算机和过程变量发信器间的数字通信成为可能。在图14中表示在二线式的传输线上并联连接有多个过程变量发信器的系统。此系统通过在数字数据传送状态时对图5所示的传送周期进行分时，同时将各发信器的地址附加给过程变量数据块，从而有可能谋求多路传输。

根据本实施例，使用本二线式通信方式的过程变量发信器使更换以前的模拟控制系统及适应将来的数字控制系统都很容易，且在以前的模拟控制系统中也由于通信状态的变更使过程变量发信器的远程设定和调整成为可能。由于使通信装置与电阻并联连接，在通信装置接收数据时不易受到电源电压变动和干扰的影响，且有可能接收模拟数据和数字数据。而且，从模拟数据传送状态变更为其他状态时的信号，在脉冲信号的场合虽然存在着因干扰噪声而引起误动作的可能性，而在图7、图8中所示的本系统的场合，误动作的可能性很小。而且，如利用图14所示的二线式的多路传送，则具有可能得到配线时工程的简化和成本下降的效果。

具有本发明的通信系统的过程变量发信器能与以前的模拟控制系统相对应，且由于利用数字通信状态使过程变量发信器的维护能够很容易。又在上位系统的数字化方面通过通信状态的变更和根据需要仅设置简单的接口就能很容易适应，能谋求在系统发展时的成本低的效果。由于利用数字传送状态及数字通信状态，数字控制系统能在中央控制室中有可能对由末端的所有的过程变量发信器等字段机器送来的数据进行收集、监理和操作、在数字控制系统的构筑上有效果。并且对于想在将电源供给传感元件的同时得到输出信号的通信即以传感元件为基础的通信上是有效的。

在附图中1为过程变量发信器，2为收信器，3为通信装置，4为电阻，5为电源，6为传送线，7为复合传感元件，8为多路转换器1，9为可编程序增益放大器，10为输入输出选择器，11为模拟/数字（A/D）变换器，13为模拟输出回路，16为数字输出回路，17为多转换器2，18为电流控制器，19为数字输入回路，23为电源回路，24为微处理机MPU，25为可擦的可编过程只读存贮器，26为定时器，27为电流控制器，30为数字输入回路，31为“或非”（NOR）回路，32为数字输出回路，34为微处理机MPU，35为定时器，36为只读存贮器，37为模拟/数字（A/D）变换器，38为键盘，39为显示器。

Claims (11)

1、一种二线式通信系统，包括：

二线式传输线路（6）;

与上述线路串联并控制其输出电流信号（I_T）在上述线路上流动的发信装置（1）;

与上述线路相连并接收上述输出电流信号的收信装置（2）;

经上述线路与上述发信装置串联的电源（5）;及

通信装置（3）;

其特征在于：

负载电阻（4）与上述电源相串联;

上述发信装置响应传感元件（7）而产生上述输出电流信号，上述输出电流信号为数字信号或模拟信号，且上述发信装置还包括经上述线路将数字信号发送到上述通信装置并经上述线路从上述通信装置接收数字信号的装置（24，10，16，17，18（发送）;19，24（接收））;及

上述通信装置3与上述负载电阻并联且包括经上述线路从上述发信装置接收上述数字信号、并经上述线路将上述数字信号发送到上述发信装置的装置（30，34，35，36，39（接收）;38，39，35，36，34，31，32，27（发送））。

2、如权利要求1所述的二线式通信系统，其特征在于上述发信装置包括将传感元件输出信号变换为相应数字信号的装置（8，9，10，11，16，24，25），将上述传感元件输出信号变换为相应模拟信号的装置（9，11，10，13，24，25），选择上述相应的数字和模拟信号中的任一种信号的装置（24，10，17）及响应选出的信号控制上述输出电流信号的装置（18）。

Images