-
Die
Erfindung betrifft ein eigensicheres Feldbussystem mit einem Feldbus,
einer Leistungsquelle, einem Abschlusswiderstand und mindestens
einem an den Feldbus angeschlossenen Feldbusgerät, wobei die Leistungsquelle
an ein erstes Ende des Feldbusses angeschlossen ist und der Abschlusswiderstand
den Feldbus an dem anderen Ende abschließt, und wobei die Leistungsquelle
ein periodisches Wechselsignal generiert.
-
Ein
Feldbus ist ein serieller Energie- und ggf. Datenbus zur aufwandsarmen
Ankoppelung von Feldgeräten,
wie z. B. Fühlern
und Stellgeräten
ggf. mit peripherer Intelligenz in Prozesssteuerungs- und Überwachungsanlagen
an ein zentrales Prozessleitsystem. Ein Feldbus ist leicht handhabbar
und einzelne Feldkomponenten können
leicht ausgetauscht werden.
-
Leitungssysteme
mit einer ein periodisches Wechselsignal generierenden Leistungsquelle,
einem Abschlusswiderstand und Feldbusgeräten in Form von Zwei toren sind
grundsätzlich
hinreichend bekannt und theoretisch z.B. in Michel, Hans-Jürgen: Zweitor-Analyse
mit Leistungswellen, Teubner Studienbücher Elektronik, Teubner-Verlag
Stuttgart, 1981, Seite 197 beschrieben. In dieser Druckschrift ist
weiterhin eine Messanordnung zur Bestimmung von Reflektionsfaktoren
und Übertragungsfaktoren
beschrieben, um die Eigenschaften eines solchen Systems mit Hilfe
von hochfrequenten Leistungswellen zu messen.
-
In
der DE-OS 38 21 181 A1 ist eine Leistungsregelanordnung für Leistungsendstufenfrequenz
variabler Sender offenbart, bei der der Verstärkungsgrad der Leistungsendstufe
in Abhängigkeit von
den hin- und rücklaufenden
Signalen geregelt wird, um die Leistungsstufe vor Überlastung
zu schützen.
-
Insbesondere
für verfahrenstechnische
Anlagen im explosionsgefährdeten
Bereich sind oftmals eigensichere Feldbusse gefordert. Eine Sicherheit gegen
Explosionsgefahr wird durch entsprechende Ausgestaltung der durch
explosionsgefährdete
Bereiche geführten
Stromkreise gewährleistet.
-
Eine
Möglichkeit
zur Schaffung eines eigensicheren Feldbusses ist es, die in dem
Feldbus vorhandene elektrische Energie so zu begrenzen, dass die
Stromkreise in den explosionsgefährdeten
Bereichen weder im Normalbetrieb noch im Störfall, z. B. bei Leerlauf oder
Kurzschluss, in der Lage sind, explosionsfähige Gemische zu entzünden.
-
Deshalb
kann nur eine relativ geringe Energie zur Versorung der Feldgeräte übertragen
werden, wodurch bei einem eigensicheren Feldbus deutlich weniger
Feldgeräte
als bei einem herkömmlichen Feldbus
im Normalbereich anschließbar
sind.
-
Die
Zahl der heute anschaltbaren Busteilnehmer an eigensichere Feldbusse
ist für
eine breite kostenoptimale Einführung
und Nutzung der Feldbustechnik in verfahrenstechnischen Prozessanlagen
noch zu gering.
-
In
der nachveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
DE
100 49 233.9 ist ein eigensicheres Feldbussystem beansprucht,
die eine Reflexionsfaktorüberwachungsschaltung
an dem Feldbus zur Bestimmung eines Größenmaßes für die zu der Leistungsquelle
zurückreflektierten
Wellen und zur Abregelung der Leistungsquelle in Abhängigkeit
von dem Reflexionsfaktor hat.
-
Bei
der Schaffung dieses verbesserten eigensicheren Feldbussystems hat
sich zunächst
herausgestellt, dass der eigensicher umsetzbare Leistungsumsatz
durch Verwendung eines periodischen Wechselsignals anstelle der üblichen
Gleichstromsignale deutlich vergrößert werden kann. Dann treten aber
leitungstheoretische Probleme auf, die die Eigensicherheit des Feldbusses
stark beeinträchtigen. Aus
der Leitungstheorie ist bekannt, dass durch die bei fehlangepasster
Anschaltung an eine Leitung entstehenden Reflexionen durch die Überlagerung
von reflektierter und von der Leistungsquelle gelieferter Leistung
zur Ausbildung von lokalen Spannungs- und Stromknoten bzw. Spannungs-
und Strombäuche kommen
kann. Diese Überlagerungen
sind in zweierlei Hinsicht problematisch:
-
1. Sicherheitstechnischer
Aspekt:
-
Durch
die Überlagerung
der vom Bus reflektierten Leistungswelle mit der vom Generator kommenden
Leistungswelle kann es durch Addition beider unter bestimmten Bedingungen
zu einer Überschreitung
der Zündgrenzwerte
kommen.
-
2. Funktioneller Aspekt:
-
Bei
der räumlichen
Konzentration von Teilnehmern kommt es durch die konzentrierte Störung des
Wellenwiderstandes zu starken Reflexionen. Diese führen zu
einem starken Absinken der Spannung an der Störstelle. Die Teilnehmer versuchen durch
Erhöhung
ihrer Stromaufnahme ihre Leistung konstant zu halten.
-
Hierdurch
sinkt die Spannung weiter ab. Durch die Rückwirkung kommt es zusätzlich zum
Absinken der Spannung in einem Abstand von der Hälfte der Wellenlänge der
Leistungsquelle (λ/2)
zur Störstelle.
-
Um
nun trotz der erwähnten
Probleme die Vorteile des Wechselsignals bezüglich des Leistungsumsatzes
für ein
eigensicheres Feldbussystem ausnutzen zu können, wurde ein reflexionsarmes System
realisiert, wobei die Einhaltung des Anpassungsgrades durch eine
Sicherheitsüberwachungsschaltung überprüft wird.
Im Gegensatz hierzu erfolgt bei der Leistungsregelungseinheit der
DE-OS 38 21 181 A1 eine Regelung zum Schutz der Endstufe.
-
Hierzu
ist die Reflexionsfaktorüberwachungsschaltung
zur Bestimmung eines Größenmaßes für die zu
der Leistungsquelle zurückreflektierten Wellen
ausgebildet. Die Leistungsquelle wird abgeregelt, wenn der Reflexionsfaktor
eine Sollgröße überschreitet.
Auf diese Weise können
durch Reflexionen entstehende sicherheitstechnisch kritische Zustände durch
Abregeln des Feldbusses vermieden werden.
-
Die
Reflexionsfaktorüberwachungsschaltung
ist zur Bestimmung des Verhältnisses
der auf dem Feldbus hin- und zurücklaufenden
Strom- und Spannungswellen als Maß für den Reflexionsfaktor z. B.
durch Eingangsimpedanzmessung ausgebildet.
-
Weiterhin
wird die von der Leistungsquelle auf den Feldbus übertragenen
Last anhand der an einem Abschlusswiderstand des Feldbussystems
umgesetzten Leistung geregelt. Hierzu ist eine Leistungsüberwachungsschaltung
zur Bestimmung der an dem Abschlusswiderstand umgesetzten Leistung als
Leistungssignal und eine Lastregelungsschaltung zur Regelung der
von der Leistungsquelle auf den Feldbus übertragenen Leistung vorgesehen,
wobei die Lastregelungsschaltung von dem Leistungssignal so gesteuert
wird, dass die an dem Ab schlusswiderstand umgesetzte Leistung einen
Sollwert nicht überschreitet.
Diesem Konzept liegt folgende Überlegung zugrunde:
Die
auf einer reflexionsfreien Leitung verfügbare Leistung nimmt vom Leitungsanfang
bis zum Leitungsabschluss stetig entsprechend der Leitungsdämpfung sowie
durch die Leistungsauskopplung der Feldbusgeräte ab. Die am Abschlusswiderstand umgesetzte
Leistung entspricht somit der Differenz der am Leitungsanfang eingebrachten
Leistung und der von der Leitung entnommenen Leistung. Ein Überschuss
an eingebrachter Leistung wird im Abschlusswiderstand des Feldbusses
umgesetzt. Es wurde daher vorgeschlagen, dass nur eine minimal erforderliche
Leistung in den Feldbus eingebracht wird. Hierzu wird ein unbedingt
notwendiges Minimum an Leistung definiert, das am Abschlusswiderstand
ankommen muss. Aus der am Abschlusswiderstand umgesetzten Leistung
wird eine Leistungsregelgröße generiert,
die mit dem definierten notwendigen Minimum der am Abschlusswiderstand
ankommenden Leistung verglichen wird. Das Differenzsignal wird zur
Regelung der Leistungsquelle verwendet.
-
Die
Feldbusgeräte
können über einen
reflexionsfreien wellenwiderstandsmäßig richtig angepassten Strom-/Spannungskoppler
an den Feldbus angeklemmt werden. Dadurch ist eine An- und Abkopplung
von Feldbusgeräten
reflexionsarm möglich. Bei
dem Strom-/Spannungskoppler wird der Strom nach dem Prinzip eines
Transformators längs
zu den Feldbusleitungen und die Spannung quer zu den Feldbusleitungen
ausgekoppelt. Bei einem Zwei-Draht-Feldbus sind dann an mindestens
einem, vorzugsweise aber an jedem der Drähte im Längszweig z. B. ein induktiver
Stromwandler zur Stromauskopplung vorgesehen. Die Spannungsauskopplung
kann galvanisch oder transformatorisch zwischen den Drähten im
Querzweig erfolgen.
-
Der
Strom-/Spannungskoppler kann einen Gleichrichter beinhalten, dessen
Ausgang an das Feldbusgerät
geklemmt ist.
-
In
der
US 5,589,813 ist
ein Feldbus-Datenkommunikationssystem beschrieben, bei dem Feldbusgeräte über eine
Zweidrahtleitung versorgt werden. Die Feldbusgeräte haben Strompulsgenerator zur
Modulierung eines auf der Zweidrahtleitung fließenden Gleichstroms.
-
In
der WO 96/04735 ist ein Feldbussystem mit an ein Feldbus angeschlossenen
Feldbusgeräten beschrieben,
die mit einer Gleichspannung versorgt werden. Die Informationsübertragung
erfolgt hingegen mit einem Wechselspannungssignal. Die Busteilnehmer
werden als Konstantleistungssenken ausgeführt, dass heißt mit einer
konstanten Leistung betrieben. Hierzu wird der Strom und die Spannung
geregelt. Zudem ist eine Strombegrenzungsschaltung und eine Soft-Starteinrichtung
vorgesehen, um beim Anlegen einer Speisespannung eine langsam steigende
Stromaufnahme sicherzustellen.
-
Die
DE 39 31 539 A1 offenbart
eine Anordnung zum Anschluss von Endgeräten an eine Busleitung insbesondere
in explosionsgefährdeten
Bereichen. Ein eigensicherer Leitungsabschluss wird mit einer Diodenbarriere
erreicht.
-
GERLACH,
Udo; WAGNER, Stefan: Feldbusschaltung mit Wechselstromspeisung für die Zündschutzart
Eigensicherheit, S. 63 bis 67, Aachen 2000, ISBN 3-89653-670-2 offenbart
ein eigensicheres Feldbussystem mit einem Feldbus, einer Leistungsquelle,
einem Abschlusswiderstand und mindestens einem an den Feldbus angeschlossenen Feldbusgerät. Die Leistungsquelle
ist an ein erstes Ende des Feldbusses angeschlossen und der Abschlusswiderstand
in Form einer Impedanz schließen den
Feldbusan dem anderen Ende ab. Das Feldbussystem wird mit einem
Wechselstrom gespeist. Durch schaltungstechnische Maßnahmen
soll sichergestellt werden, dass bei einer Leitungsunterbrechung
in einem der parallelen Stromzweige der Feldbusgeräte die Quelle
keine unzulässig
hohen Spannungen durch den Lastabwurf an das Netzwerk abgeben. Im
Kurzschlussfall muss die Leistungsquelle den Ausgangstrom auf ungefährliche
Werte begrenzen.
-
Aufgabe
der Erfindung war es daher, ein verbessertes eigensicheres Feldbussystem
zu schaffen, das auch im nicht angepassten Betrieb z.B. bei Verwendung
von Spannungskopplern eigensicher ist und eine optimale Leistungsübertragung
gewährleistet.
In einer Ausführungsform
sollte die Leistungsverteilung so steuerbar sein, dass an jedem
Punkt der Feldbusleitung eine höchstmögliche Leistung übertragen
werden kann.
-
Die
Aufgabe wird durch Verwendung einer Reaktanz als Abschlußwiderstand
gelöst,
an der keine Wirkleistung umgesetzt wird. Damit ist die herkömmliche
Leistungsregelungseinheit und das Leistungsregelsignal nicht erforderlich.
Zudem ist eine Steuer- und Regelungseinheit für die Leistungsquelle vorgesehen,
um die Leistungsquelle in Abhängigkeit von
der Eingangsimpedanz des Feldbusses in einem ersten Betriebsbereich
I zu steuern und in einem zweiten Betriebsbereich II zu regeln.
Der Feldbus-Eingangsstrom wird in dem ersten Betriebsbereich I konstant
gehalten, wenn die Eingangsimpedanz kleiner als der Wellenwiderstand
der Feldbusleitung ist. Andernfalls wird in dem zweiten Betriebsbereich
II, wenn die Eingangsimpedanz den Wert des Wellenwiderstandes überschreitet,
die Feldbus-Eingangsspannung
auf eine konstante Maximalspannung eingestellt und der Feldbus-Eingangsstrom
in Abhängigkeit
von der Eingangsimpedanz abgeregelt.
-
Auf
diese Weise wird ein sicherheitstechnischer Maximalstrom am Feldbuseingang
sichergestellt, wobei sich die Feldbus-Eingangsspannung entsprechend
der am Feldbuseingang vorliegenden Eingangsimpedanz bis zu einem
definierten Maximalwert einstellt. Dieser Wert ist erreicht, wenn
die Eingangsimpedanz dem Wert des Wellenwiderstandes der Feldbusleitung
entspricht.
-
Bei Änderung
der Eingangsimpedanz wird die Feldbus-Eingangsspannung auf die sicherheitstechnisch
festgelegte Maximalspannung begrenzt und der Feld-Eingangsstrom abgeregelt,
wobei sich die Regelgröße aus einem
fiktiven linear weiterführenden
Verlauf der Feldbus-Eingangsspannung ohne Begrenzung auf die Maximalspannung
aus der Eingangsimpedanz ergibt. Damit erfolgt automatisch eine
Anpassung des zulässigen
Feldbus-Eingangsstroms an die höhere
Eingangsimpedanz des Feldbusses.
-
Die
Steuer- und Regelungseinheit ist vorzugsweise so ausgebildet, dass
das Abregeln des Feldbus-Eingangsstroms verzögerungsfrei erfolgt, wenn die
Eingangsimpedanz ansteigt und den Wert des Wellenwiderstandes überschreitet.
Bei zunehmender Eingangsimpedanz erfolgt die Regelung des Feldbus-Eingangsstroms somit
zeitlich annähernd
direkt im μs-Bereich.
-
Vorzugsweise
ist die Steuer- und Regelungseinheit weiterhin so ausgebildet, dass
nach einer Abregelung in dem zweiten Betriebsbereich II die Hochregelung
des Feldbus-Eingangsstroms zeitlich träge erfolgt, wenn die Eingangsimpedanz
wieder abfällt. Nach
Abfallen der Eingangsimpedanz verringert sich automatisch aufgrund
des geregelten Feldbus-Eingangsstroms die Feldbus-Eingangsspannung schlagartig.
Der Feldbus-Eingangsstrom wird jedoch zeitlich träge im ms-Bereich
nachgeführt.
Damit wird im Kurzschlussfall verhindert, dass der abgeregelte Feldbus-Eingangsstrom
sofort wieder auf den maximalen Wert Imax ansteigt
und hierdurch eine Funkengefahr entsteht.
-
Vorzugsweise
hat die Leistungsquelle eine regelbare Spannungsquelle und einen
an die regelbare Spannungsquelle angeschlossenen Spannungs-Stromwandler,
um den Feldbus-Eingangsstrom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der
regelbaren Spannungsquelle zu regeln. In dem ersten Betriebsbereich,
bei dem die Feldbus-Eingangsspannung kleiner als eine definierte
Maximalspannung ist, wird die Ausgangsspannung durch die Steuer-
und Regelungseinheit in Abhängigkeit
von der Feldbus-Eingangsspannung so gesteuert, dass ein Feldbus-Eingangsstrom mit
einem definierten konstanten Wert eingestellt ist. In dem zweiten
Betriebsbereich hingegen wird die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von
der Feldbus-Eingangsspannung so geregelt, dass die Feldbus-Eingangsspannung auf
dem Wert der definierten Maximalspannung konstant gehalten wird.
-
Vorteilhafterweise
ist die Steuer- und Regelungseinheit aus einer parallel an den Feldbuseingang
geklemmten Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einem Strommesselement
gebildet, wobei die Zenerdiode die definierte Maximalspannung festlegt
und nur bei Überschreiten
der Maximalspannung einen Strom durch das Strommesselement durchlässt. Der
von dem Strommesselement gemessene Strom dient zur Steuerung und
Regelung der Leistungsquelle.
-
Das
Strommesselement ist vorzugsweise ein Optokoppler, um eine galvanische
Trennung zwischen dem Regelkreis und dem Versorgungskreis des Feldbusses
zu gewährleisten,
wobei ein Integrierer zur Aufsummierung der Impulse des Optokopplers
vorgesehen ist.
-
Der
Spannungs-Stromwandler hat vorzugweise einen Umkehrungsvierpol,
beispielsweise einen Collinsfilter. Umkehrungsvierpole sind auch
als antimetrische Filter bekannt.
-
Die
Feldbusgeräte
werden vorzugsweise mit einem Spannungskoppler an den Feldbus geklemmt, wobei
der Spannungskoppler quer zu den Feldbusleitungen zur Spannungsauskopplung
geschaltet ist. Diese parallele Anschlußtechnik ist leicht durchführbar und
kostengünstig.
Zudem müssen
die Spannungskoppler nicht angepaßt werden.
-
Zur
Einstellung der Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung, insbesondere
zur optimalen Anpassung des Feldbusses an die räumliche Verteilung der Feldbusgeräte auf der
Feldbusleitung, wird vorgeschlagen, dass die Reaktanz veränderbar
ist. Eine Leistungsregelungseinheit dient zur Einstellung der Leistungsverteilung auf
der Feldbusleitung durch Veränderung
der Reaktanz. Als einstellbare Reaktanz kann vorteilhaft eine gesteuerte
Induktivität,
z.B. ein Transduktor, verwendet werden.
-
Diese
Ausführungsform
mit einer Reaktanz und einer parallelen Anschlußtechnik sollte auf kurze Leitungslängen beschränkt sein,
die kleiner als ¼ der Wellenlänge (λ/4) sind.
Durch Zwischenschalten eines oder mehrerer Phasenschieber-Netzwerke ist es möglich, den
Feldbus zu verlängern.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 – ein Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen eigensicheren
Feldbussystems mit einem Wechselsignal, mit paralleler Anschlußtechnik,
einer Leistungsquelle mit Regelungseinheit und einer Reaktanz als
Feldbusabschluß;
-
2 – Kennlinie
zur Regelung des erfindungsgemäßen eigensicheren
Feldbussystems;
-
3 – Diagramm
zur Darstellung des Zeitverhaltens der Regelung des erfindungsgemäßen eigensicheren
Feldbussystems;
-
4 – Blockdiagramm
der Leistungsquelle mit einer Zenerdiode und einem Optokoppler für die Regelungseinheit;
-
5 – Schaltbild
eines Collins-Filters als Umkehrungsvierpol;
-
6 – Diagramm
zur Veranschaulichung der Anpassung der Feldbusleitung durch eine
Leitungsnachbildung;
-
7 – Diagramm
einer symmetrischen Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung mit
einem entsprechenden Abschlusswiderstand;
-
8 – Diagramm
einer unsymmetrischen Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung
mit einer verminderten Leistung am Ende der Feldbusleitung;
-
9 – Diagramm
einer unsymmetrischen Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung
mit einer verminderten Leistung am Anfang der Feldbusleitung;
-
10 – Schaltbild
einer Regelungseinheit zur schnellen Überspannungsbegrenzung;
-
11 – Schaltbild
einer Funkenlöschschaltung
zur Stromverminderung bei einem Fehlerfall im Arbeitsbereich.
-
Die 1 lässt ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen eigensicheren
Feldbussystems 1 erkennen, das in bekannter Weise einen
Feldbus 2 und eine Leistungsquelle 3 zur Energieversorgung
und ggf. zur Datenversorgung von Feldbusgeräten 4 hat, die an
den Feldbus 2 angeschlossen sind. Der Feldbus 2 ist
beispielhaft als Zwei-Draht-Busleitung ausgeführt. An das erste Ende 5 des
Feldbusses 2 ist die Leistungsquelle 3 in einem
nicht explosionsgefährdeten
Bereich 6 angeschlossen. Der Feldbus 2 ist an
dem anderen Ende 7 mit einem Abschlusswiderstand 8 abgeschlossen, der
als Reaktanz ZAbsch ausgebildet ist. Dies
hat zur Folge, dass keine Wirkleistung mehr umgesetzt wird.
-
Die
Feldbusgeräte 4 werden
in dieser Ausführungsform
mit ausschließlich
parallel zum Feldbus 2 angeschlossenen Spannungskopplern 9 an
den Feldbus 2 geklemmt.
-
In
einem explosionsgefährdeten
Bereich 10 sind ein Teil des Feldbusses 2, die
Spannungskoppler 9, die Feldbusgeräte 4 und die Reaktanz
ZAbsch angeordnet. Diese Komponenten gelten
gemäß der in den
Normen EN 50 014, EN 50 020 und EN 50 039 für die Zündschutzart "Eigensicherheit" definierten Anforderungen
an den Explosionsschutz als eigensicher und für die Anordnung im explosionsgefährdeten
Bereich 10 geeignet. Die restlichen Komponenten gelten
im Sinne der Norm EN 50 020 als zugehörige Betriebsmittel und sollten
vorzugsweise in dem nicht explosionsgefährdeten Bereich 6 angeordnet sein.
-
Die
Leistung auf dem Feldbus 2 im explosionsgefährdeten
Bereich 10 wird nunmehr so geregelt, dass an keinem Ort
auf der Leitung des Feldbusses 2 die eigensicheren Zündgrenzwerte überschritten
werden.
-
Hierzu
ist die Leistungsquelle 3 vorzugsweise aus einer regelbaren
Spannungsquelle 11 und einem Spannungs-Stromwandler 12 gebildet,
der einen Feldbus-Eingangsstrom
IBus als Funktion der Ausgangsspannung US der regelbaren Spannungsquelle 11 bereitstellt.
Die regelbare Spannungsquelle 11 wird von einer Steuer-
und Regelungseinheit 13 in einem ersten Betriebsbereich
I so gesteuert und in einem zweiten Betriebsbereich II so geregelt,
dass die Feldbus-Eingangsspannung
UBus immer kleiner oder gleich einer sicherheitstechnisch
vorgegebenen Maximalspannung Umax ist. Sofern
die Feldbus-Eingangsspannung UBus kleiner
als die Maximalspannung Umax ist, wird ein
sicherheitstechnisch zulässiger
Maximalstrom Imax eingestellt. Auf diese
Weise wird gewährleistet,
dass immer eine sicherheitstechnisch maximale Energie übertragen
werden und die Leistung des Feldbusses 2 nicht unnötig begrenzt
ist.
-
Die 2 lässt die
Kennlinie zur Regelung des eigensicheren Feldbussystems 1 erkennen,
anhand welcher das Prinzip zur Regelung des mit einer Reaktanz ZAbsch abgeschlossenen nicht angepassten Feldbusses 2 deutlich
wird.
-
In
dem ersten Betriebsbereich I ist die Eingangsimpedanz ZBus kleiner
als der Wellenwiderstand ZW der Feldbusleitung.
In diesem Falle wird ein sicherheitstechnisch festgelegter Maximalstrom
Imax am Feldbuseingang eingestellt (0 bis
Punkt AI). Die Feldbus-Eingangsspannung
UBus stellt sich entsprechend der am Feldbuseingang
vorliegenden Eingangsimpedanz ZBus bis zu
einem maximalen Wert Umax (Maximalspannung)
ein (0 bis Punkt AU). Die Maximalspannung
Umax wird erreicht, wenn die Eingangsimpedanz
ZBus dem Wert des Wellenwiderstandes ZW enspricht (Punkt AU).
In dem gesamten ersten Betriebsbereich I gilt: IBus = Imax = Umax/ZW = UBus/ZBus = konstant ≠ Funktion (UBus).
-
In
dem zweiten Betriebsbereich übersteigt der
Wert der Eingangsimpedanz ZBus den Wert
des Wellenwiderstandes ZW (ZBus < ZW).
Bei Änderung
der Eingangsimpedanz ZBus in diesem Bereich
(in Richtung Leerlauf) wird die Feldbus-Eingangsspannung UBus auf
die sicherheitstechnisch festgelegte Maximalspannung Umax begrenzt
(Punkt AU bis Punkt B'U). Dabei wird
der Feldbus-Eingangsstrom
IBus am Feldbuseingang entsprechend des
in der 2 dargestellten prinzipiellen Verlaufes heruntergeregelt,
wobei gilt: IBus = IRegel = Umax/ZBus < Imax.
-
Die
Regelgrößen zur
Regelung des Feldbus-Eingangsstroms IBus bildet
der sich aus der Eingangsimpedanz ZBus ergebene
fiktive linear weiterführende
Verlauf der Feldbus-Eingangsspannung UBus ohne
Begrenzung auf die Maximalspannung Umax (Punkt
AU bis Punkt BU).
Somit erfolgt automatisch eine Anpassung des zulässigen Feldbus-Eingangsstromes
IBus an die höhere Eingangsimpedanz ZBus.
-
Sofern
die Eingangsimpedanz ZBus nach einer erfolgten
Abregelung in dem zweiten Betriebsbereich II wieder z.B. schlagartig
abnimmt, gilt für
die Regelung von dem zweiten Betriebsbereich II in Richtung des
ersten Betriebsbereichs II kommend: UBus = IBus·ZBus.
-
Die
Spannung stellt sich hierbei in Abhängigkeit von dem eingeregelten
Feldbus-Eingangsstrom IBus und der Eingangsimpedanz ZBus ein.
-
In
einem Fehlerbereich, insbesondere im Kurzschlussfall, wird der Feldbus-Eingangsstrom IBus abgeregelt, sobald die Feldbus-Eingangsspannung UBus eine definierte Betriebsspannung unterschreitet bzw.
die Eingangsimpedanz ZBus kleiner als eine
Funkenimpedanz ZFunke ist. An diesem Grenzwert
wird, wie in der 2 erkennbar ist, der Feldbus-Eingangsstrom
IBus schlagartig heruntergefahren.
-
Die 3 läßt ein mögliches
Zeitverhalten der Regelung des eigensicheren Feldbussystems 1 erkennen.
Bei zunehmender Eingangsimpedanz ZBus (in
Richtung Leerlauf) sollte die Regelung des Feldbus-Eingangsstromes
IBus zeitlich möglichst direkt im Bereich einiger
Mikrosekunden erfolgen (Punkt AI bis Punkt
BI). Nach dem Erreichen des Strompunktes
BI, an dem die Eingangsimpedanz ZBus wieder kleiner als der Wellenwiderstand
ZW ist (ZBus < ZW)
erfolgt die Nachregelung des Feldbus-Eingangsstroms IBus träge im Bereich
einiger Millisekunden. Für
den stationären
Zustand der Eingangsimpedanz ZBus bleibt
für den
Fall, dass die Eingangsimpedanz ZBus größer als der
Wellenwiderstand ZW (ZBus > ZW)
ist, die Spannung auf dem konstanten Wert der Maximalspannung Umax mit dem Feldbus-Eingangsstrom IBus des Punktes BI.
-
Das
beispielhafte Zeitverhalten wird nunmehr in drei Abschnitte unterteilt.
Zur Zeit t = 0 bis t = 1 entspricht die Leitungsimpedanz ZBus dem Wellenwiderstand ZW.
Im Bereich t1 bis t2 nimmt
die Eingangsimpedanz ZBus auf das Sechsfache
des Wellenwiderstandes ZW zu (ZBus =
6·ZW). Im Bereich t2 bis
t3 nimmt die Eingangsimpedanz ZBus wieder
auf den Wert des Wellenwiderstandes ZW ab.
- t = 0 bis t1: Die Eingangsimpedanz ZBus entspricht dem Wellenwiderstand ZW. Für
diesen Leitungszustand darf der sicherheitstechnische Maximalwert des
Feldbus-Eingangsstrom IBus = Imax in
das Netzwerk fließen.
Die Feldbus-Eingangsspannung UBus regelt
sich in Abhängigkeit
von der Eingangsimpedanz ZBus automatisch
und beträgt: UBus = IBus·ZW = Umax.
- t = t1 bis t2:
Die Eingangsimpedanz ZBus entspricht dem
Sechsfachen des Wellenwiderstandes ZW (ZBus = 6·ZW). Für
diesen Leitungszustand ergibt sich nun der Maximalwert des Feldbus-Eingangstromes IBus zu: IBus =
Imax/6 = Umax/6·ZW. Die mit einer möglichen Vergrößerung der
Eingangsimpedanz ZBus verbundene Änderung
des Feldbus-Eingangsstromes IBus erfolgt
im zeitlichen Bezug direkt der Änderung
der Eingangsimpedanz ZBus, so dass sich
eine konstante Feldbus-Eingangsspannung
UBus ergibt. UBus = Imax/6·6·ZW = Umax.
- t = t2 bis t3:
Bei einer nachfolgenden Verringerung der Eingangsimpedanz ZBus von dem sechsfachen Wert des Wellenwiderstandes
6·ZW auf den Wert des Wellenwiderstandes ZW zur Zeit t2 erfolgt
eine Änderung des
Feldbus-Eingangsstromes IBus auf den für die Eingangsimpedanz
ZBus = ZW zulässigen Wert
Imax mit einer entsprechenden zeitlichen
Verzögerung ⎕t
= t3 – t2 im Millisekunden-Bereich. Die Feldbus-Eigangsspannung
IBus bricht zur Zeit t = t2 schlagartig
auf ein Sechstel der Maximalspannung Umax ein: UBus = Imax/6·ZW = Umax/6.
-
Die 4 lässt eine
Ausführungsform
der Steuer- und Regelungseinheit 13 erkennen, die im wesentlichen
aus einer Zenerdiode 14 und einem Optokoppler als Strommesselement 15 gebildet
ist. Der Optokoppler dient zur galvanischen Trennung des Regelkreises
von dem Versorgungskreis. Die Zenerdiode 14 und der Optokoppler
sind in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung parallel an
die Eingangsklemmen des Feldbusses 2 geklemmt sind. Die
Zenerdiode 14 ist so bemessen, dass erst nach Erreichen
der Maximalspannung Umax am Feldbuseingang 5 ein
Durchbruch erfolgt und ein Strom durch den Optokoppler fließt. Die
den Strom kennzeichnenden Impulse werden mit einem nachfolgenden
Integrierer 16 auf- bzw. abintegriert und zur Regelung
der Spannungsquelle 11 verwendet.
-
Der
Integrierer 16 hat vorzugsweise unterschiedliche Zeitkonstanten
für die
Auf- und die Abintegration.
Entsprechend des zuvor beschriebenen Zeitverhaltens sorgt die Aufintegration
mit einer großen
Zeitkonstante im Millisekunden-Bereich für einen langsamen Anstieg des
zulässigen
Feldbus-Eingangsstromes IBus (Bereich t2 bis t3) für die jeweile Eingangsimpedanz
ZBus. Sobald der sicherheitstechnisch zulässige Maximalwert
des Feldbus-Eingangsstroms Imax erreicht
ist, bleibt der Feldbus-Eingangsstrom IBus auf
diesem Wert konstant. Eine Änderung der
Eingangsimpedanz ZBus, die einen Anstieg
der zulässigen
Feldbus-Eingangsspannung
UBus bedeuten würde, führt zu einer sehr raschen Abnahme
des Feldbus-Eingangsstromes IBus im Mikrosekunden-Bereich
durch eine kleinere Zeitkonstante des Integrierers 16 für die Abintegration
(Bereich t bis t2).
-
Die
steuerbare Spannungsquelle 11 hat einen Wechselspannungsgenerator,
der eine Wechselspannung mit einer konstanten Frequenz liefert,
wobei diese Spannung mittels einer von der Steuer- und Regelungseinheit 13 generierten
Steuerspannung in ihrer Amplitude variiert werden kann. Diese Wechselspannung
bildet die Eingangsspannung für
den nachfolgenden Spannungs-Stromwandler 12. Dieser kann
vorzugsweise durch einen Umkehrungsvierpol, auch als antimetrisches
Filter bekannt, z.B. durch einen in der 5 skizziertes
Collins-Filter 17 ausgeführt sein, das eine reziproke
Impedanzwandlung bewirkt. Für
die reflexionsfreie Übertragung
von Daten mit höheren
Frequenzen wird der Feldbus 2 am Ein- und Ausgang mit einem
wellenwiderstandsrichtig angepassten Hochpaß beschaltet, der in diesem
Frequenzbereich eine Anpassung bewirkt. Der Collins-Filter 17 ist
eine T-Brücke
mit zwei Induktivitäten L1, L2 im Längszweig
und einer Kapazität
C im Querzweig. Es kehrt den Widerstand am Ein- oder Ausgang des
Vierpols in einen reziproken Wert um (Umkehrungsvierpol).
-
Das
Collins-Filter 17 hat einen Brückengleichrichter mit einer
Brückenimpedanz
an seinem Ausgang, um eine kurzzeitige Überstrombegrenzung bei einem Übergang
von einem Leerlaufzustand und einen Belastungszustand zu gewährleisten.
Im Leerlauf ist die Kapazität
C des Collins-Filters 17 geladen, so dass bei dem Übergang
in die Belastung die Ladung abfließt und zu einem Überstrom
führen
kann. Aufgrund der Brückeninduktivität wird der
Strom verzögert
und damit kurzzeitig begrenzt.
-
Die 6 lässt ein
Diagramm der Spannungsverteilung auf einer Feldbusleitung erkennen, wobei
die gestrichelte Linie die Spannungsverteilung einer fiktiven Leitung
bei einer Leitungslänge
von 600 m und einem Kurzschluss am Leitungsende darstellt. Die tatsächliche
Feldbusleitung hat eine Länge
von 400 m. Um eine optimale Leistungsübertragung zu gewährleisten,
wird ein fiktiver Leitungsabschnitt nur noch am Ende der realen
Feldbusleitung mit einer Länge
von 200 m nachgebildet, so dass die auf der realen Feldbusleitung
auftretende Spannung im oberen Bereich der Spannungskurve der fiktiven
Leitung liegt. Die Leitungsnachbildung erfolgt durch eine Abschlussimpedanz
L am Ende der Feldbusleitung bzw. durch eine entsprechende Anpassung
der Leistungsquelle 3.
-
Die 7 zeigt
eine in einer Simulation berechnete symmetrische Leistungsverteilung über die gesamte
Länge der
realen Feldbusleitung. Die am Anfang und Ende der Feldbusleitung
jeweils abgreifbare Leistung ist bei einer Abschlussimpedanz von 200 μH und einem
Lastwiderstand von 100 Ω bei
einer 400 m langen Feldbusleitung etwa gleich hoch (ca. 5 Watt).
In der Mitte der Feldbusleitung bei ca. 200 m ist die verfügbare Leistung
mit etwa 9 Watt am höchsten.
-
Die 8 zeigt
ein Diagramm der Leistungsverteilung über die Feldbuslänge bei
einer Abschlussimpedanz von 140 μH
und einem Lastwiderstand von 100 Ω. Es wird deutlich, dass die
am Anfang der Feldbusleitung verfügbare Leistung von etwa 6,5 Watt
bis ca. 9 Watt im Vergleich zu der Leistungsverteilung aus der 7 wesentlich
größer ist.
Am Ende der Feldbusleitung nimmt die Leistung hingegen stärker bis
auf ca. 4 Watt am Ende der Feldbusleitung ab. Bei einer unsymmetrischen
Verteilung der Feldbusgeräte 4 im
vorderen Bereich einer Feldbusleitung kann die Leistungsverteilung
auf diese Weise optimal an die Verteilung der Feldbusgeräte 4 angepasst werden.
-
Entsprechend
läßt die 9 ein
Diagramm einer unsymmetrischen Leistungsverteilung bei einer Abschlussimpedanz
von 180 μH
und einem Lastwiderstand von 100 Ω erkennen, wobei die Leistung
am Anfang der Feldbusleitung vermindert und von der Mitte der Feldbusleitung
bis zum Ende der Feldbusleitung mit ca. 9 Watt bis 6 Watt erhöht ist.
Eine derartige Anpassung der Leistungsverteilung ist insbesondere
vorteilhaft, wenn die Feldbusgeräte 4 an dem
Ende der Feldbusleitung konzentriert sind.
-
Die 10 lässt ein
Schaltbild einer Steuer- und Regelungseinheit 13 zur schnellen Überspannungsbegrenzung
erkennen. Anstelle des in der 4 skizzierten
Optokopplers ist ein Übertrager TR1
vorgesehen, dessen Sekundärwicklung
einen FET-Transistor steuert, der in die Brücke eines Graetz-Gleichrichters
geschaltet ist. Sobald die Feldbusspannung UBus,
die Maximalspannung Umax überschreitet,
fließt
ein Strom durch die Primärwicklung des Übertragers
TR1 und es wird eine Spannung auf der Sekundärwicklung aufgebaut. Hierdurch
wird der FET-Transistor nahezu verzögerungsfrei geschlossen und
der Kondensator C über
den Graetz-Gleichrichter entladen, so dass der Feldbusstrom IBus sehr schnell reduziert wird. Die Eigenkapazität des FET-Transistors
führt bei
einem Abfall der Steuerspannung zu einem verzögerten Öffnen, so dass der Feldbuseingangsstrom
IBus anschließend wieder langsam hochgefahren
wird. Durch den FET-Transistor können
auf diese Weise die unterschiedlichen Zeitkonstanten des in der
Schaltungsanordnung der 4 skizzierten Integrierers 16 realisiert
werden. Die Schaltung zur schnellen Überspannungsbegrenzung kann
parallel zu der in der 4 dargestellten Schaltungsordnung
aufgebaut werden, um Anforderungen an die sicherheitstechnische
Zuverlässigkeit Genüge zu tun.
-
Die 11 zeigt
eine Funkenlöschschaltung 18,
die parallel zu der Leistungsquelle 3 an das erste Ende 5 des
Feldbusses 2 geklemmt ist. Mit der Funkenlöschschaltung 18 wird
der Strom bei einem Fehlerfall im Betriebsbereich I (Arbeitsbereich)
vermindert. Die Funkenlöschschaltung 18 ist
nach dem Prinzip eines Unterspannungsschalters aufgebaut.