CN105373176B - 用于给现场设备自身可靠地、冗余地供电的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于给现场设备(3)自身可靠地、冗余地供电的一种方法和一种系统，其具有在现场设备(3)的网络中的一个共同的限流电阻(21)，其中，现场设备(3)通过连接导线(4)连接于包括至少两个供电单元(11、12)的供电系统的现场设备连接端子(22)。在此，根据现场设备连接端子(22)上的电压(23)降低每个供电单元(11、12)的输出电压和/或输出电流。
Description
技术区域
本发明涉及一种在自动化技术中在防爆区域内给现场设备自身可靠地、冗余地供电的系统。
背景技术
所述类型的系统具有至少两个用于提供电流供应/电压供应的供电电路和一个用于自身可靠地功率限制由该供电电路给在防爆区域内的用电器输送电流的保护装置，其中，所述供电电路作为保护装置的部分分别具有用于调节电流和/或限制电流的装置。
这种系统是已知的并且在这样的设施中使用，在所述设施中，运行器件的部分在防爆区域内运行。供电设备可以集成到输入/输出模块中并且视为可编程存储的控制装置的外部计算单元和在防爆区域内的传感器和/或致动器之间的连接件。
在声明为防爆区域的设施部分中的运行器件必须满足欧洲标准EN 500 20中记载的确定的要求。在EN 500 20中列举的在有爆炸危险的区域内运行的运行器件的可行性是所谓的“自身可靠性”。在这里，输送的能量这样被限制，使得不能产生能点燃的火花。为了限制能量，不仅电流、而且电压必须被限制。能详细实现这点的可行性同样通过EN 500 20规定。
关于有爆炸危险的区域，在欧洲通常存在所谓的区域方面的区别。在这里，划分为区域0、区域1和区域2，其中，对于区域0得出最严苛的要求，因为在这里基于持续能爆炸的气氛。在这个区域内，只允许纯电阻性地限制电流。因此，仅认可电阻，但不认可用于限制电流的电子限制装置。也就是，在区域0中的防爆区域内应引导电流的输入/输出模块中，这个电流必须通过一个或多个电阻来限制，其中，所述一个或多个电阻同样必须满足确定的前提条件。
如果给所述输入/输出模块冗余地供电的话，输入/输出模块的功能性或可用性也能够在防爆区域内显著地扩大。也就是，也称为现场电路的、在防爆区域(区域0、1和2)内的电路连接于相同功能的至少两个供电电路，其中，一个供电电路是激活的并且第二供电电路处于预备中。如果在激活的设备中出现错误，则可以自动地切换到第二设备上，而不会发生对过程的重大故障。
不言而喻，即使在防爆区域内对输入/输出模块这样冗余地供电的情况下也必须满足相应的安全性要求、例如“自身可靠性”的安全级别。所述自身可靠性例如可以通过以下方式保持，即，在所述两个供电电路之间实施转换，从而相应仅一个供电电路与防爆区域连接。因此，不发生所述两个供电电路的有错误的并联，在该并联时，由于所述两个模块的电流累加而不再能得到“自身可靠性”，在实现该“自身可靠性”的情况下存在对所使用的转换装置的安全性要求。
因此，需要附加的部件，而这与结构方面的耗费和成本的增长相关联。用于冗余地供应电流-电压的系统本身可以这样设计，使得该系统至少允许在区域1和区域2中使用。
由德国实用新型DE 94 21 001 U1已知一种用于将冗余的组件与外部的通信接口电气耦合的连接单元，所述接口包括并联的可插入的单元，所述单元构造用于接纳限制电流的开关器件。
此外，由DE 101 35 980 C1已知一种用于将分散地并且靠近作业(prozessnah)地设置的现场设备连接于远程的中央装置的组件，该组件具有配置确定的插入单元，该插入单元适用于冗余地连接输入/输出组件并且在并联的情况下可以具有限流电阻。
两个已知的装置的共同之处在于，在冗余地连接输入/输出组件的情况下，虽然所述共同的限流电阻将现场电路中的电流限制到允许值，但在冗余的组件失灵时不再为所有应用情况提供对于运行所连接的现场设备所必需的供电电流强度。
此外，由DE 198 14 097 C1已知一种用于给双线测量变换器冗余地供应电压的组件，其中，冗余的测量变换器供电单元通过二极管相互脱耦并且相应地仅一个测量变换器供电单元给双线测量变换器供电，而相应另外的测量变换器供电单元在功能监测模式中运行。不利的是，在供电的测量变换器供电单元失灵时需要切换到冗余的变送器供电单元上的切换程序。
最后，在经由一个共同的单个限流电阻给所连接的现场设备冗余地供电时可考虑，供电电路中的回路电流即使在冗余地供电时也能被限制到允许值，并且在现场设备侧的导体回路中的允许的短路情况下，在冗余的供电装置中单个限流电阻上的损耗功率导致在供电装置中的纯电阻性电流限制装置的不允许的过载。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提出一种用于给现场设备冗余地供电的保护电路系统，该保护电路系统保护自身防止过载。
根据本发明，该任务在方法方面利用权利要求1所述的措施得以解决。此外，该任务在系统方面利用权利要求3所述的措施得以解决。本发明的有利构造方案在从属权利要求中提出。
本发明涉及一种用于给现场设备自身可靠地、冗余地供电的系统，该系统具有在现场设备的网络中的一个共同的限流电阻，其中，现场设备通过连接导线连接于供电系统的现场设备连接端子。
此外，本发明由以下事实出发，即，对于按照规定地运行现场设备来说需要一个最低电压。
根据本发明规定，测量现场设备连接端子上的电压、将其与参考值进行比较，并且如果现场设备连接端子上的电压下降到参考值之下的话，每个供电单元的输出电压和/或输出电流根据现场设备连接端子上的电压降低。
在系统方面，每个供电单元具有功率限制器件，所述功率限制器件借助于测量放大器根据现场设备连接端子上的电压与参考值的差进行调节。功率限制器件通过可调节的电压源和/或电流调节器/有效的限流装置构成。
原则上，供电系统的三个运行状态能够区分：
在第一运行状态中，没有现场设备连接于现场设备连接端子；供电系统处于空载中。现场设备连接端子上的电压大约等于供电单元的供电电压。没有回路电路流过，现场设备连接端上的功率是零。
在第二运行状态中，连接现场设备并且处于按照规定的运行中。现场设备连接端子上的电压大约是供电电压与限流电阻上的电压降的差。无论如何，现场设备连接端子上的测量电压大于必需的最低电压。
在第三运行状态中，存在可能由于分路(Nebenschluss)、短路、现场设备故障或类似情况引起的错误。在这个运行状态中，现场设备连接端子上的电压下降到对于按照规定地运行现场设备所必需的最低电压之下。无论如何，在低于这个最低电压时存在错误。这个最低电压的低于通过与参考值进行比较来识别。
在本发明的第一模型中，供电单元的输出电流按照所述低于最低电压而降低。在本发明的第二模型中，供电单元的供电电压降低，并且在第三模型中，不仅供电单元的供电电压降低，而且供电单元的输出电流降低。
在每个模型中，在现场设备连接端子上提供的功率减小。此外，限流电阻上的功率降低。以这种方式，也保护限流电阻防止过载。
在供电电压减小时，也保护供电单元的降低电流的开关元件防止热过载。
在此，损耗功率分布到限流电阻、可调节的电压源和在两个冗余的供电单元中的、用于调节电流或有效地限制电流的装置上。与此相应，对于限流电阻来说允许如下的结构型式，该结构型式可以设置在小型化的壳体中。
附图说明
下面根据一个实施例详细说明本发明。在唯一一个附图中示出用于给现场设备3自身可靠地、冗余地供电的系统，该系统包括至少两个相同类型的供电单元11和12以及一个连接电路2。
具体实施方式
每个供电单元11和12具有可调节的电压源111和121以及电流调节器/有效的限流装置112和122。供电单元11和12在输出侧与连接电路2连接并且电气地并联。
连接电路2具有限流电阻21以及用于通过连接导线4来连接现场设备3的现场设备连接端子22。在连接电路2的现场设备连接端子22上，代表现场设备3的运行电压的电压23下降。
每个供电单元11和12都具有一个测量放大器114、124，在所述测量放大器中，电压23的测量值与参考值113、123进行比较。只要电压23低于参考值113、123，就利用电流调节器/有效的限流装置112和122使相应的供电单元11和12的输出电流降低并且因此使回路电流降低。
此外，可调节的电压源111和121的电压减小。由于可调节的电压源111和121的电压减小，在电流调节器/有效的限流装置112和122和限流电阻21上的电压降下降。与此相应地，在相同电流的情况下，这些开关元件上的损耗功率降低。
在本发明的有利的构造方案中，在错误情况下，将可调节的电压源111和121的电压调节到用于按照规定地运行现场设备的最低电压之上的一个值上。由此，在现场电路3、4中存在暂时故障的情况下，确保现场设备3的自动重启。
在本发明的其他构造方案中，在错误情况下，可调节的电压源111和121的电压跳跃形地降低并且在消除错误之后斜坡形地提高。
在本发明的另一种构造方案中规定，每个供电单元11、12根据现场设备连接端子22上的电压23降低到测试电流，所述测试电流小于现场设备3的供电电流。特别是在以下现场设备3中，该现场设备构造为双线测量变换器并且通过4至20毫安电流回路供电并且与在上级的装置通信，4毫安设置用于给测量变换器供电并且16毫安设置用于测量值传递的时间段(Spanne)。提出的测试电流大于对于给测量变换器供电所必需的电流，例如＞4毫安，但小于允许的回路电流，例如＜20毫安。以有利的方式，测试电流大约为允许的回路电流的五分之一。因此，分摊(entfallen)到限流电阻21上的损耗功率与在限制于允许的回路电流时的损耗功率相比降低到大约4％。分摊到电流调节器/有效的限流装置112和122上的损耗功率成比例地下降。
在本发明的有利的构造方案中，连接电路2构造为根据DE 101 35 980 C1的配置确定的插入单元，该插入单元允许给同一现场设备3不仅单独地、而且冗余地供电。
特别有利地，所提出的用于自身可靠地、冗余地供电的系统与现场设备相组合，如它们在DE 10 2005 047 894 B4中描述的那样。在此规定，回路直流电流与测量值无关地由最小值出发向最大值方向增大并且在此输入电压通过测量变换器的内电阻来测量。如果在回路电流已经达到其最大值之前，输入电压低于可预定的阈值，该阈值大于对于保持运行能力所需的最低输入电压，则将这个状态视为错误。在识别到错误的情况下，回路直流电流这样程度地降低，使得输入电压至少达到可预定的阈值，并且由此将错误用信号表示。
附图标记列表
11、12 供电单元
111、121 电压源
112、122 电流调节器/有效的限流装置
113、123 参考值
114、124 测量放大器
2 连接电路
21 限流电阻
22 现场设备连接端子
23 电压
3 现场设备
4 连接导线
Claims (4)
1.用于给现场设备(3)自身可靠地、冗余地供电的方法，该方法具有在现场设备(3)的网络中的一个共同的限流电阻(21)，其中，现场设备(3)通过连接导线(4)连接于包括至少两个供电单元(11、12)的供电系统的现场设备连接端子(22)，
其特征在于，
-测量现场设备连接端子(22)上的电压(23)，
-将现场设备连接端子(22)上的电压(23)与参考值(113、123)进行比较，并且
-如果现场设备连接端子(22)上的电压(23)下降到参考值(113、123)之下的话，每个供电单元(11、12)的输出电压和/或输出电流根据现场设备连接端子(22)上的电压(23)降低。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个供电单元(11、12)的输出电流根据现场设备连接端子(22)上的电压(23)降低到测试电流，所述测试电流小于现场设备(3)的供电电流。
3.用于给现场设备(3)自身可靠地、冗余地供电的系统，该系统具有在现场设备(3)的网络中的一个共同的限流电阻(21)，其中，现场设备(3)通过连接导线(4)连接于包括至少两个供电单元(11、12)的供电系统的现场设备连接端子(22)，
其特征在于，
-每个供电单元(11、12)都具有功率限制器件(111、112、121、122)，所述功率限制器件借助于测量放大器(114、124)根据现场设备连接端子(22)上的电压(23)与参考值(113、123)的差进行调节。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述功率限制器件通过可调节的电压源(111、121)和/或电流调节器/有效的限流装置(112、122)构成。
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