-
Die
Erfindung betrifft ein Netzwerk, insbesondere ein PROFI-BUS PA-Netzwerk,
mit Redundanzeigenschaften nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
ein Abzweigelement für
ein Teilnehmergerät
in einem derartigen Netzwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs
8, einen Redundanzmanager für ein
derartiges Netzwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 und ein
Verfahren zum Betreiben eines derartigen Netzwerks nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 17.
-
In
automatisierungstechnischen Anlagen der Fertigungs- oder Verfahrenstechnik
mit "klassischer" Verdrahtung von
Feldgeräten,
beispielsweise Messumformern und/oder Stellgliedern, bei welchen
die Feldgeräte über vieladrige
Stammkabel und Unterverteiler jeweils durch ein eigenes Adernpaar
mit einem Automatisierungsgerät
verbunden ist, hat der Ausfall eines der Feldgeräte oder einer Übertragungsstrecke
zu diesem Feldgerät
keine Auswirkungen auf die Funktion anderer Feldgeräte, da die
einzelnen Feldgeräte
physikalisch voneinander getrennt betrieben werden.
-
Bei
Feldgeräten,
die über
einen Feldbus mit dem Automatisierungsgerät kommunizieren, bildet das
Buskabel eine für
alle Feldgeräte
gemeinsame Komponente, deren Ausfall Auswirkungen auf alle Feldgeräte hat.
Darüber
hinaus können
Fehler in den Feldgeräten,
z. B. ein Kurzschluss der Übertragungsleitung
oder ein Aussenden von Störsignalen
auf die Übertragungsleitung,
die Kommunikation der übrigen an
dem Buskabel angeschlossenen Feldgeräte beeinträchtigen. Wegen der dadurch
möglicherweise reduzierten
Systemverfügbarkeit
werden Feld busse in besonders kritischen Anwendungen nicht eingesetzt
oder müssen
redundant ausgelegt werden.
-
Prinzipiell
muss zwischen zwei verschiedenen Redundanzkonzepten bei automatisierungstechnischen
Anlagen unterschieden werden. Die Systemredundanz zum einen verbessert
die Verfügbarkeit durch
einen redundanten, d. h. weitgehend doppelten Aufbau des kompletten
Systems, bestehend aus Feldgeräten,
Bussystemen und Automatisierungsgeräten. Die Koordination, d. h.
welche der Komponenten gerade aktiv betrieben werden und welche
sich im Standby-Betrieb befinden, erfolgt auf der Ebene des Automatisierungsgeräts, das
dafür ausgelegt sein
muss. Alle anderen Komponenten sind Standardkomponenten. Das andere
Konzept ist die Medienredundanz, bei welcher mit den Übertragungsmedien
nur der Teil des Kommunikationssystems redundant ausgelegt wird,
dessen Ausfall besonders gravierende Auswirkungen auf die Systemverfügbarkeit
hat. Beispielsweise ist aus der
EP 0 287 992 B2 ein hochverfügbares Bussystem
bekannt, das zwei Busleitungen aufweist, über die jeweils identische Nachrichten
seriell übertragen
werden. Mit einer Detektierlogik, die sich in den angeschlossenen
Teilnehmern befindet, werden zur Funktionsprüfung der Busse Prüfzeichen
ausgewertet. Bei fehlerhaften Prüfzeichen
wird auf den Empfang von der jeweils anderen, fehlerfreien Busleitung
umgeschaltet. Durch die redundante Auslegung des Übertragungsmediums
wird somit die Verfügbarkeit
des Bussystems erhöht.
-
Aus
der
EP 1 062 787 B1 ist
ein Ethernet-Netzwerk mit Redundanzeigenschaften bekannt. Das Ethernet-Netzwerk
hat eine linienförmige
Topologie. Die Linienenden sind an einem Redundanzmanager angeschlossen.
Der Redundanzmanager prüft durch
Testtelegramme den Zustand des Netzwerks. Bei einer Unterbrechung
des Netzwerks verbindet der Redundanzmanager die Linienenden und
stellt damit eine Linienstruktur und die Betriebsbereitschaft des
Netzwerks wieder her. Nachteilig ist dabei, dass die Testtelegramme,
die durch den Redundanzmanager in die beiden Linienenden eingespeist
werden, für das Netzwerk
eine zusätzliche
Netzlast darstellen und somit die Übertragungskapazität des Netzwerks verringern.
Dieses Überwachungs-
und Umschaltprinzip ist zudem nicht ohne Weiteres auf Bussysteme übertragbar,
bei welchen zusätzlich
zur Übertragung
der Daten auch die zum Betrieb der an der Busleitung angeschlossenen
Teilnehmergeräte
erforderliche Energie über
die Busleitung übertragen
wird.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Netzwerk, insbesondere
ein PROFIBUS PA-Netzwerk, mit Redundanzeigenschaften und der Möglichkeit
einer Fernspeisung von Teilnehmergeräten, ein Abzweigelement für ein Teilnehmergerät in einem derartigen
Netzwerk, einen Redundanzmanager für ein derartiges Netzwerk und
ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Netzwerks zu schaffen, durch
welche mit einfachen Mitteln eine Erhöhung der Verfügbarkeit
des Netzwerks erreicht wird.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
das in Anspruch 1 angegebene Netzwerk, das in Anspruch 8 angegebene
Abzweigelement, den in Anspruch 13 angegebenen Redundanzmanager bzw.
das in Anspruch 17 angegebene Verfahren. Vorteilhafte Weiterbildungen
des Netzwerkes, des Abzweigelements und des Redundanzmanagers sind den
Unteransprüchen
zu entnehmen.
-
Die
Erfindung hat den Vorteil, dass durch den Redundanzmanager vergleichsweise
schnell ein Fehler im Netzwerk erkannt und behoben werden kann.
Bei einer Unterbrechung oder einem Kurzschluss in einem Kabelsegment
wird durch das daran angeschlossene Abzweigelement eines Teilnehmergeräts, welches
im Gutfall die zum Betrieb der weiteren, hinter dem Segment befindlichen
Teilnehmergeräte
erforderliche Energie über
das Segment weiterleiten sollte, keine Speisespannung auf dieses
Segment geleitet bzw. die Weiterleitung einer Speisespannung auf
dieses Segment abgebrochen. Damit erreicht die Speisespannung nicht
mehr das jeweils andere Linienende, das am Redundanzmanager angeschlossen
ist. Dies wird durch den Redundanzmanager erkannt, der kurze Zeit
nach Feststellen des Fehlerzustandes auch in das andere Linienende
die erforderliche Betriebsenergie einspeist. Das defekte Kabelsegment
wird durch die beiden angrenzenden Abzweigelemente isoliert und
das Netzwerk ist trotz des Fehlerfalls ohne längere Betriebsstörung weiterhin
betriebsbereit. Die Kommunikation in dem Netzwerk wird also auch
im Falle eines Fehlers aufrecht erhalten, ohne dass dadurch ein übergeordnetes Netz,
insbesondere Leitsystem, an dem das Netzwerk angeschlossen ist,
gestört
oder auf sonstige Weise in Anspruch genommen wird.
-
Gegenüber dem
aus der oben erwähnten
EP 1 062 787 B1 bekannten
Verfahren, bei welchem mit Testtelegrammen der Zustand des Netzwerks überprüft wird,
hat die Erfindung den Vorteil, dass Fehler unmittelbar nach Auftreten
detektierbar sind und nicht erst zu einem Zeitpunkt, zu welchem
Testtelegramme durch das Netzwerk geschickt wurden. Die Reaktionszeit
des bekannten Verfahrens könnte
dadurch verbessert werden, dass die Häufigkeit der Testtelegramme
erhöht
wird, d. h. die Zykluszeit der Testtelegrammeinspeisung verkürzt wird.
Das wäre jedoch
mit dem Nachteil verbunden, dass die Testtelegramme eine erhebliche
zusätzliche
Netzlast darstellen würden.
Dagegen wird in vorteilhafter Weise durch die Erfindung eine zusätzliche
Belastung des Netzwerks mit Testtelegrammen vollständig vermieden.
-
Ein
weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Redundanzmanager und
die Abzweigelemente der vorliegenden Erfindung nicht am Datenverkehr im
Sinne einer Datenverarbeitung teilnehmen müssen. Deshalb ist der Aufwand
der Implementierung geringer, der Leistungsbedarf wird reduziert
und die Verfügbarkeit
wird aufgrund der geringeren Gerätekomplexität erhöht. Die
Erweiterung eines bestehenden Netzwerks um Redundanzeigenschaften
ist einfacher realisierbar.
-
Indem
der Redundanzmanager und die Abzweigelemente jeweils mit einem Abschlussglied (Abschlusswiderstand)
versehen sind, das in dem Fall, wenn sie sich in der jeweiligen
Netzwerk topologie an einem Linienende befinden, zuschaltbar ist, wird
in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Signalübertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke nach
Topologieänderungen
flexibel an die jeweils herrschende Topologie anpassbar sind und
somit das Netzwerk auch für
höhere
Baudraten geeignet ist.
-
In
vorteilhafter Weise wird eine besonders einfache Realisierung eines
Abzweigelements erreicht, wenn dieses mit zumindest zwei Schaltern
und mit einer Steuereinheit versehen ist, wobei durch die Steuereinheit
die beiden Schalter derart einstellbar sind, dass das mit dem jeweiligen
Abzweigelement an das Netzwerk angeschlossene Teilnehmergerät zu dem
einen, zu dem anderen oder zu beiden Netzwerkanschlüssen des
Abzweigelements zum Erhalt von Betriebsenergie und zur Datenübertragung durchverbindbar
ist.
-
Vorteilhaft
wird eine besonders einfache Prüfbarkeit
eines an einem Abzweigelement angeschlossenen Kabels auf Kurzschluss
oder Unterbrechung ermöglicht,
wenn das Abzweigelement ein Widerstandsnetzwerk aufweist, in dem
die Schalter angeordnet sind, und wenn die Schalter durch die Steuereinheit
derart einstellbar sind, dass mit der Steuereinheit Strom und/oder
Spannung des an dem einen oder dem anderen Netzwerkanschluss des
Abzweigelements angeschlossenen Kabels überprüfbar sind.
-
Da
die Schaltzeiten der Schalter nicht unendlich kurz sind, kann die
an dem oder den Linienenden eingespeiste Betriebsenergie den Teilnehmergeräten im Fehlerfall
nicht unterbrechungsfrei zur Verfügung gestellt werden. Zur Lösung dieses
Problems weist zumindest eines, insbesondere aber jedes der Abzweigelemente
einen Energiespeicher auf, der zumindest in dem fehlerfreien Zustand
von der Speisespannung aufladbar ist; das Abzweigelement ist dazu ausgebildet
ist, die an dem jeweils angeschlossenen Teilnehmergerät liegende
Spannung zu erfassen und im Falle eines Spannungsdefizits den Energiespeicher
an das Teilnehmergerät
zu schalten.
-
Wie
bereits erwähnt,
besteht ein Vorteil der Erfindung darin, dass der Redundanzmanager
und die Abzweigelemente nicht am Datenverkehr teilnehmen müssen. Ein
Fehler, wie z. B. eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss in einem
Kabelsegment, kann daher ohne Weiteres von den beiden Abzweigelementen
beiderseits des Fehlerortes lokal, z. B. über eine Leuchtdiode, angezeigt
werden, jedoch kann der Redundanzmanager nur den Fehlerzustand,
nicht aber den Fehlerort erkennen. Um zusätzlich auch den Fehlerort ermitteln
zu können,
weist der Redundanzmanager vorteilhafterweise Mittel aufweist, die
den zeitlichen Verlauf der Spannung und/oder des Stromes an dem
einen Linienende während
des Weiterleitens der Speisespannung durch die einzelnen Abzweigelemente
erfasst und daraus die Anzahl der Abzweigelemente bis zu dem Fehlerort
ermittelt. Diese Information über
den Fehlerort kann der Redundanzmanager anzeigen und/oder einem übergeordneten
Leitsystem mitteilen, so dass zentral festgestellt werden kann,
wo der Fehler aufgetreten und zu reparieren ist. Der Redundanzmanager
verfügt
daher auch vorzugsweise über eine
Kommunikationsschnittstelle zum Anschluss und Datenaustausch mit
einem übergeordneten Netz,
in dem sich das Leitsystem befinden kann.
-
Durch
Erfassen von Änderungen
der Spannung und/oder des Stromes an mindestens einem der beiden
Linienenden kann der Redundanzmanager Zustandsänderungen des Netzwerkes ermitteln und
so feststellen, wenn ein Fehler repariert worden ist.
-
Um
die Redundanz des erfindungsgemäßen Netzwerkes über den
Redundanzmanager hinaus zu einem übergeordneten, beispielsweise
ein Leitsystem enthaltenden, Netz zu erweitern, ist der Redundanzmanager
vorzugsweise über
mindestens zwei Segmentkoppler an mindestens zwei Kommunikationskanäle des übergeordneten
redundanten Netzes anschließbar
und ferner dazu ausgebildet, die Funktionalität der Segmentkoppler zu überwachen
und in Abhängigkeit
davon einen der Segmentkoppler zur Verbindung mit dem Netzwerk auszuwählen.
-
Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und
Vorteile näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
Blockschaltbild eines Teils einer automatisierungstechnischen Anlage,
-
2 ein
Blockschaltbild eines Redundanzmanagers,
-
3 ein
Blockschaltbild eines Teils einer automatisierungstechnischen Anlage
in einer zu 1 alternativen Ausbildung,
-
4 ein
Blockschaltbild eines Abzweigelements,
-
5 eine
Zustandstabelle einer Steuereinheit eines Abzweigelements,
-
6 ein
der Zustandstabelle gemäß 5 entsprechendes
Zustandsdiagramm und
-
7 ein
Prinzipschaltbild eines erweiterten Abzweigelements.
-
In 1 ist
ein Teil einer automatisierungstechnischen Anlage dargestellt. Ein
Leitsystem 1 ist an einem Bussystem 2 nach der
PROFIBUS DP-Spezifikation angeschlossen. Das Bussystem 2 kann
einfach oder wie hier redundant ausgelegt sein. An jedem der beiden
Kommunikationskanäle 3, 4 des Bussystems 2 ist
neben anderen, hier nicht gezeigten, Geräten, wie z. B. Automatisierungsgeräten, jeweils
ein Link 5 bzw. 6 angeschlossen. Der Link 5 ist mit
einem Segmentkoppler 7 verbunden, der über ein Stichkabel 8 an
einem Port A1 eines Redundanzmanagers RM angeschlossen ist. Der
andere Link 6 ist mit einem weiteren Segmentkoppler 9 verbunden, der über ein
wei teres Stichkabel 10 an einem Port A2 des Redundanzmanagers
RM angeschlossen ist. An zwei weiteren Ports B1 und B2 des Redundanzmanagers
RM ist ein Netzwerk 11 angeschlossen, das der PROFIBUS
PA-Spezifikation genügt
und eine linienförmige
Topologie aufweist. Das eine Linienende E1 des Netzwerkes 11 wird
von dem an dem Port B1 angeschlossenen Ende eines Hauptkabels H3
gebildet, das an seinem anderen Ende an einem Netzwerkanschluss
eines Abzweigelements T2 angeschlossen ist. Das Abzweigelement T2
und weitere Abzweigelemente T1, T3, T4 dienen zum Anschluss von
Feldgeräten
F1, F2, F3, F4 als Teilnehmergeräte
an dem Netzwerk 11. Dabei sind die Feldgeräte F1...F4
jeweils über
Stichkabel SK1, SK2, SK3 bzw. SK4 an den jeweiligen Abzweigelementen
T1...T4 angeschlossen.
-
Damit
eine durchgängige
Linie als Struktur des Netzwerks 11 erreicht wird, ist
der andere Netzwerkanschluss des Abzweigelements T2 durch ein Hauptkabel
H1 mit einem Netzwerkanschluss des Abzweigelements T1, der andere
Netzwerkanschluss des Abzweigelements T1 durch ein Hauptkabel H2
mit einem Netzwerkanschluss des Abzweigelements T3 und der andere
Netzwerkanschluss des Abzweigelements T3 durch ein Hauptkabel H4
mit einem Netzwerkanschluss des Abzweigelements T4 verbunden. Der
andere Netzwerkanschluss des Abzweigelements T4 ist mit einem Hauptkabel
H5 an dem Port B2 des Redundanzmanagers RM angeschlossen. Das an
dem Port B2 befindliche Ende des Hauptkabels H5 stellt im fehlerfreien
Fall ein zweites Linienende E2 des linienförmigen Netzwerks 11 linienförmigen dar.
-
Über die
Hauptkabel H3, H1, H2 und H4 wird neben den Daten auch die Energie
zum Betreiben der Feldgeräte
F1...F4 übertragen.
Hierzu enthält
jeder der beiden Segmentkoppler 7, 9 jeweils eine Gleichspannungsquelle
und speist einen Gleichstrom in die beiden Adern der zugehörigen Stichleitung 8 bzw. 10.
Der Redundanzmanager RM wählt
einen der beiden redundanten Segmentkoppler 7, 9 aus,
hier z. B. den Segmentkoppler 7, und schaltet beim Hochfahren
des Systems den betreffenden Port A1 direkt auf den Port B1 durch,
so dass die vom Seg mentkoppler 7 zur Verfügung gestellte
Speisespannung auch am Port B1 anliegt. Im fehlerfreien Fall leiten
die Abzweigelemente T1...T4 die auf dem jeweils einen Netzwerkanschluss
ankommende Speisespannung auf den jeweils anderen Netzwerkanschluss
weiter. Damit wird die Speisespannung sukzessive bis zum Linienende
E2, das sich am Port B2 des Redundanzmanagers RM befindet, durchgeschaltet.
Der Redundanzmanager RM überwacht
die an seinem Port B2 ankommende Spannung. Entspricht diese nach
einer von der Netzwerkkonfiguration abhängigen Verzögerungszeit nicht einem vorgegebenen
Sollwert, so ist klar, dass ein Fehler im Netzwerk 11 vorliegt.
Dies kann beispielsweise ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung
in einem der Hauptkabel H1...H5 sein.
-
Als
Beispiel soll nun eine Unterbrechung des Hauptkabels H2 zwischen
den Abzweigelementen T1 und T3 betrachtet werden, wie sie in 1 durch eine
durchbrochene Unterbrechungslinie 12 angedeutet ist. Eine
derartige Unterbrechung wird durch das Abzweigelement T1 erkannt,
das daraufhin die Speisespannung nicht weiterleitet, so dass diese
die Abzweigelemente T3 und T4 sowie den Port B2 des Redundanzmanagers
RM nicht mehr erreicht. Der Redundanzmanager RM erkennt das Ausbleiben
der Speisespannung am Port B2 und legt daraufhin eine Spannung zur
Versorgung der hinter der Fehlerstelle, d. h. im beschriebenen Fehlerbeispiel
hinter der Unterbrechung 12, liegenden Feldgeräte F3 und
F4 an seinen Port B2 an. Dies geschieht dadurch, dass er die Ports
B1 und B2 und damit die Linienenden E1 und E2 miteinander verbindet.
Die Versorgungsspannung wird vom Port B2 über das Abzweigelement T4 bis
zum Abzweigelement T3 durchgeschaltet, das unmittelbar neben dem
Fehlerort liegt, den Fehler 12 erkennt und daher die Versorgungsspannung
nicht weiterleitet. Mit der Herstellung der Spannungsversorgung
für alle
Feldgeräte
F1...F4 ist auch die Datenübertragung
in dem Netzwerk 11 und damit ist der weitere Betrieb des
Netzwerks 11 trotz des Fehlers 12 sichergestellt.
-
Die
beim Hochfahren des Netzwerks 11 beschriebene Verfahrensweise
kann zusätzlich
noch weitere Schritte enthalten, bei welchen zwischen den Abzweigelementen
und dem Redundanzmanager und/oder in umgekehrter Richtung mit einem
hier nicht näher
beschriebenen Verfahren Daten ausgetauscht werden. Durch einen solchen
Datenaustausch kann die Zuverlässigkeit
des Netzwerks 11 erhöht
und dessen Inbetriebnahme und die Fehlersuche zusätzlich erleichtert
werden.
-
Der
in 2 beispielhaft gezeigte Redundanzmanager RM enthält eine
den Ports A1 und A2 zugeordnete erste Steuereinheit RMCA, eine den Ports
B1 und B2 zugeordnete zweite Steuereinheit RMCB und eine übergeordnete
Steuerung RMC. Die Ports A1, A2, B1 und B2 sind über ein Schaltnetzwerk mit
Schaltern RMS1, RMS2 und RMS3 miteinander verbunden, wobei der durch
die erste Steuereinheit RMCA steuerbare Schalter RMS1 zur Auswahl
eines der beiden Ports A1, A2 dient und die durch die zweite Steuereinheit
RMCB steuerbaren Schalter RMS2 und RMS3 den jeweils ausgewählten Port
A1 oder A2 entweder mit einem der beiden Ports B1 und B2, mit beiden
Ports B1, B2 oder keinem der Ports B1 und B2 verbinden. Die Ports
B1 und B2 verfügen über zu-
und abschaltbare Abschlussglieder BT1, BT2 in Form von Abschlusswiderständen.
-
Die
erste Steuereinheit RMCA überwacht
die Ströme
und/oder Spannungen an den Ports A1 und A2 und kann auf diese Weise
die Segmentkoppler 7 und 9 (vgl. 1) überwachen
und im Fehlerfall die Umschaltung von dem einen, fehlerhaften Segmentkoppler
auf den anderen auslösen.
Die zweite Steuereinheit RMCB überwacht
die Ströme
und/oder Spannungen an den Ports B1 und B2 und kann damit, wie oben
bereits erläutert,
erkennen, ob ein Fehler in dem Netzwerk 11 vorliegt und
ob dementsprechend einer oder beide Ports B1 und B2 mit dem jeweils
ausgewählten
Port A1 oder A2 verbunden werden sollen. Außerdem kann, wie später noch
näher erläutert wird,
die zweite Steuereinheit RMCB erkennen, ob der Fehler in dem Netzwerk 11 behoben
wurde und dementsprechend die Schalter RMS2 und RMS3 betätigen.
-
Die übergeordnete
Steuerung RMC ist mit beiden Steuereinheiten RMCA und RMCB verbunden
und verfügt über eine
Kommunikationsschnittstelle RMI, hier ein PROFIBUS-Slave-Interface,
zum Anschluss an den jeweils ausgewählten Port A1 oder A2. Dadurch
kann der Redundanzmanager RM mit dem übergeordneten Leitsystem 1 kommunizieren, um
beispielsweise Statusinformationen zu übermitteln, damit im Fehlerfall
geeignete Maßnahmen
zur Behebung des Fehlers ergriffen werden können, oder um Konfigurationsbefehle
zu empfangen.
-
Ebenso
wie der Redundanzmanager RM verfügen
auch die Abzweigelemente T1...T4 über zuschaltbare Abschlussglieder,
die dann, wenn sie sich am Linienende der linienförmigen Topologie
befinden, zugeschaltet werden, um Signalreflexionen am Linienende
zu vermeiden. Im fehlerfreien Fall ist in dem anhand 1 erläuterten
Beispiel das Abschlussglied BT2 in dem Redundanzmanager RM an dem
Port B2 zugeschaltet; das Abschlussglied BT1 ist von dem zugehörigen Port
B1 getrennt. Tritt ein Fehler, wie er durch die Unterbrechung 12 beispielhaft
erläutert
wurde, auf, so trennt der Redundanzmanager RM das Abschlussglied
BT2 von den dem Port B2 und die beiderseits des Fehlerorts liegenden Abzweigelemente
T1 und T3 aktivieren ihr jeweiliges Abschlussglied. Damit werden
auch bei einer Verschiebung der Linienenden Signalreflexionen wirkungsvoll
unterdrückt.
-
Der
Abschluss des Kabels mit je einem Abschlusswiderstand an beiden
Enden des Hauptkabels ist aus mehreren Gründen erforderlich:
- 1. Das Bussignal ist als Stromsignal mit +10 mA definiert, welches über die
Abschlusswiderstände mit
zwei parallel geschalteten 100 Ohm-Widerständen, die einem 50 Ohm-Wider stand
entsprechen, einen definierten Spannungsabfall von +0,5 V erzeugt.
- 2. Die maximale Echolaufzeit im Kabel vom ca. 20 μs liegt bei
2 km Kabellänge
in der Größenordnung
einer Signalhalbwelle mit ca. 16 μs,
so dass starke Reflexionen zu Bitfehlern führen würden. Die Überlappungen sollten nach höchstens
20% der Dauer einer Halbwelle abgeklungen sein, entsprechend einer
Leitungslänge
von weniger als 300 m. Dementsprechend sind laut IEC-Norm nur Stichleitungen
bis max. 120 m Länge
erlaubt, bei eigensicheren Netzen bis max. 30 m Länge.
-
3 zeigt
eine Ausführungsvariante
der automatisierungstechnischen Anlage nach 1, bei der
der Redundanzmanager RM zweiteilig ausgeführt ist. Der eine Redundanzmanagerteil
RM1 weist die Ports A1 und B1 auf, mit denen er an dem Segmentkoppler 7 bzw.
an dem Linienende E1 des Netzwerkes 11 angeschlossen ist.
Der andere Redundanzmanagerteil RM2 weist die Ports A2 und B2 auf, mit
denen er an dem Segmentkoppler 9 bzw. an dem Linienende
E2 des Netzwerkes 11 angeschlossen ist. Wie gestrichelt
angedeutet ist, können
der Redundanzmanager RM1 und der zugehörige Segmentkoppler 7 einschließlich der
in ihm enthaltenen Gleichspannungsquelle und ggf. der Link 5 in
einem ersten Bauteil 13 und der andere Redundanzmanager
RM2 mit dem Segmentkoppler 9 und der zugehörigen Gleichspannungsquelle
und ggf. dem Link 6 in einem zweiten Bauteil 14 zusammengefasst
sein. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel
weist den Vorteil auf, dass das Netzwerk 11 selbst nicht
ringförmig
aufgebaut sein muss, weil der Ring nicht an den Linienenden E1 und
E2 sondern über
die Redundanzmanagerteile 13, 14, die Segmentkoppler 7, 9, die
Links 5, 6 und das Bussystem 2 geschlossen wird.
-
Der
prinzipielle Aufbau eines Abzweigelements wird im Folgenden anhand
des Beispiels des Abzweigelements T1 in 4 näher erläutert. Das Abzweigelement
T1 stellt die Verbindung zwischen den Aderpaaren der auch als Trunk
Cable bezeichneten Hauptkabel H1 und H2 und denen des auch als Drop
Cable bezeichneten Stichkabels SK1 her. Die Hauptkabel H1 und H2
sind an Netzwerkanschlüssen NW1
bzw. NW2 des Abzweigelements T1 angeschlossen. Neben den Daten werden über zwei
Kupferadern H1a und H1b, H2a und H2b, sowie Sa und Sb der Kabel
H1, H2 bzw. SK1 auch die Energie zum Betreiben der Feldgeräte übertragen.
Hierzu enthalten, wie bereits erwähnt, die Segmentkoppler 7 und 9 (vgl. 1 und 3)
jeweils eine Gleichspannungsquelle, wobei der durch den Redundanzmanager
RM ausgewählte
Segmentkoppler 7 einen Gleichstrom in die beiden Adern
des Übertragungskabels
einspeist. Die Feldgeräte
F1...F4 entnehmen jeweils einen Gleichstromanteil und überlagern
der Gleichspannung eine Wechselspannung, welche die zu übertragende
Information enthält.
Das Abzweigelement T1 weist eine Steuereinheit ST auf, welche mit
Hilfe von Strömen
I1, I2 und/oder Spannungen U1, U2, die an den Hauptkabeln H1 und
H2 gemessen werden, den Zustand der angeschlossenen Kabel H1 und
H2 überwacht
und außerdem
die Spannung U3 an dem zu dem Feldgerät F1 führenden Stichkabel SK1 überwacht.
Weiterhin enthält
das Abzweigelement T1 ein Abschlussglied BT, vier Schalter S0, S1,
S2 und S3, ein Widerstandsnetzwerk bestehend aus Widerständen R0,
R1 und R2 zur Spannungsmessung und einen Energiespeicher C in Form eines
Kondensators. Die Stellung der Schalter S0...S3 wird durch die Steuereinheit
ST in Abhängigkeit
von den erfassten Strömen
I1 und I2 und/oder von den gemessenen Spannungen U1, U2 und U3 vorgegeben.
Das Abschlussglied BT, das mit Hilfe des Schalters S0 für den Fall,
dass sich das Abzweigelement T1 an einem Linienende befindet, zuschaltbar
ist, entspricht einem Standard-Abschlusswiderstand des PROFIBUS
PA-Bussystems. Die Größe der Widerstände R0,
R1 und R2 ist so gewählt,
dass der Zustand der angeschlossenen Kabel H1 und H2 optimal ermittelt
werden kann. Sie sind dabei vorzugsweise so hochohmig ausgelegt,
dass der über sie
fließende
Strom sehr klein im Vergleich zu dem Strom ist, welcher im normalen
Betrieb über
die Kabel H1 und H2 fließt.
In diesem Fall sind die Leitungswiderstände der Kabel H1 und H2 vernachlässigbar klein.
-
Anhand
der in 5 dargestellten Zustandstabelle für die Steuereinheit
ST des Abzweigelements T1 wird im Folgenden die Funktionsweise der Abzweigelemente
T1...T4 näher
erläutert.
Der Einfachheit halber wird angenommen, dass die drei Widerstände R0,
R1 und R2 denselben Widerstandwert besitzen. Von links beginnend
sind in den Spalten der Tabelle der aktuelle Zustand der Steuereinheit
ST, Prüfkriterien
für einen
Zustandswechsel bezüglich der
Spannung U1 und eines Spannungsverhältnisses K = U2/U1, die Stellungen
der Schalter S0, S1 und S2, der nächste Zustand und Bemerkungen
zum jeweiligen Fall eingetragen. Der in der Tabelle angegebene Zustand
IDLE entspricht dem Grundzustand, der angenommen wird, wenn beide
Hauptkabel H1 und H2 keine Spannung führen; d. h. die überprüften Spannungen
U1 und U2 sind gleich Null oder zumindest kleiner als eine Vergleichsspannung
U0, die in geeigneter Weise abhängig
von der jeweiligen Speisespannung festzulegen ist. Entsprechendes
gilt für einen
Vergleichsstrom I0, mit welchem die Ströme I2 und I1 verglichen werden
können.
In diesem Zustand sind die Schalter S1 und S2 in der Stellung "on", wie es in der Tabelle
in den zu den Schaltern S1 und S2 gehörenden Spalten in der jeweiligen
Zeile des Zustands IDLE angegeben ist. Da der Zustand IDLE beibehalten
wird, ist in der Spalte "nächster Zustand" wiederum der Zustand
IDLE für
diesen Fall angegeben. In der Spalte "K = U2/U1" sind Beispiele für das Spannungsverhältnis zwischen
den Spannungen U2 und U1 angegeben, deren Über- oder Unterschreiten durch
die Steuereinheit ST überwacht
wird. Je nach Ergebnis des Vergleichs wird von einem aktuellen Zustand
in einen nächsten
Zustand übergegangen. Beispielsweise
bedeutet der Eintrag in der Spalte "K = U2/U1" der ersten Zeile des Zustands TEST1,
dass in den Folgezustand TEST2 übergegangen
wird, wenn das Spannungsverhältnis
K zwischen 1/10 und 2/5 liegt. Die Festlegung der Vergleichswerte,
hier z. B. 1/10 und 2/5, mit denen das aktuell durch die Steuereinheit
ST ermittelte Span nungsverhältnis
K verglichen wird, ist von verschiedenen Randbedingungen, insbesondere
der Größe der Widerstände R0,
R1 und R2, abhängig
und hier nur beispielhaft angegeben. Beim Einschalten einer Speisespannung
US im Segmentkoppler 7 (1 und 3)
wird diese Spannung über
den Redundanzmanager RM, das Abzweigelement T2 und das Hauptkabel
H1 dem Netzwerkanschluss NW1 des Abzweigelements T1 zugeführt und
es gilt U1 = US > U0.
Die Steuereinheit ST geht daher aus dem Zustand IDLE in den Zustand TEST1 über und
misst die beiden Spannungen U1 und U2. Ist das Hauptkabel im darauf
folgenden Segment, hier das Hauptkabel H2, kurzgeschlossen, so wird
der Spannungsabfall über
dem Widerstand R0 sehr viel größer sein
als die am Netzwerkanschluss NW2 bzw. am Kabel H2 messbare Spannung
U2; d. h. K = U2/U1 < 1/10.
Dies entspricht der zweiten Zeile des Zustands TEST1 in der Tabelle.
Aufgrund dieses Überprüfungsergebnisses
wird als nächster
Zustand der Zustand SHORT angenommen. In diesem Fall bleibt der
Schalter S2 in der Stellung "on" und das kurzgeschlossene
Hauptkabel H2 ist von dem davor liegenden Kabelsegment, dem Hauptkabel
H1, getrennt. Die Verbindung über
den hochohmigen Widerstand R0 kann hierbei außer Acht gelassen werden. Gleichzeitig
wird das so entstandene Linienende durch Umschalten des Schalters
S0 auf die Stellung "on" über das Abschlussglied BT mit
korrektem Wellenwiderstand abgeschlossen.
-
Entsprechend
der ersten Zeile des Zustands TEST2 wird aus diesem heraus in den
Zustand OK gewechselt, wenn das Spannungsverhältnis K zwischen 1/10 und 2/5
liegt. In dem Zustand OK sind die Schalter S0, S1, S2 in der Stellung "off" und beide an das
Abzweigelement T1 angeschlossenen Hauptkabel H1 und H2 in Ordnung.
Weitere Fallunterscheidungen und Zustandsübergänge, die sich bei den verschiedenen
Messungen der Spannungen U1 und U2 durch die Steuereinheit ST ergeben,
sind dem Zustandsdiagramm in 6 zu entnehmen.
-
In
dem oben erläuterten
Beispiel wurde die Speisespannung dem Abzweigelement T1 über das Hauptkabel
H1 zugeführt.
Erfolgt diese Zuführung
alternativ über
das Hauptkabel H2, so kann die zugehörige Zustandstabelle in einfacher
Weise dadurch erhalten werden, dass die Indizes bei den Spannungen
U1 und U2 vertauscht werden.
-
Die
Zustände
SHORT (Hauptkabel H2 im Kurzschluss) und OPEN (Hauptkabel H2 im
Leerlauf) sind Fehlerzustände,
die zur Einspeisung der Speisespannung durch den Redundanzmanager
RM über
beide Ports B1 und B2 führen.
Wird der jeweilige Fehler behoben, so wird das betroffene Abzweigelement
T1 zunächst
in den Zustand IDLE geschaltet. Da der Schalter S0 dabei in der
Stellung "off" ist, ist das beiderseits
gespeiste linienförmige
Netzwerk 11 ohne Leitungsabschluss. Dies führt zu einer
Erhöhung
der Signalamplitude, was durch die zweite Steuereinheit RMCB des
Redundanzmanagers RM detektiert wird und diese dazu veranlasst,
den Schalter RMS3 zu öffnen
und so die Spannungseinspeisung an dem Port B2 wieder aufzuheben.
Aufgrund des nun fehlerfreien Netzwerkes 11 wird über den
Zustand TEST1 der eigentliche Betriebszustand OK erreicht.
-
In
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
zur Ermittlung des Zustands des zu überwachenden Kabelsegments
das Verhältnis
von Ausgangs- und Eingangsspannung des Abzweigelements verwendet.
Stattdessen kann dieser Zustand aber z. B. auch aus den Absolutwerten
der Spannungen und der Ströme
ermittelt werden.
-
Der
in 4 gezeigte Kondensator C dient dazu, eine unterbrechungsfreie
Spannungsversorgung des an dem Abzweigelement T1 angeschlossenen
Teilnehmergeräts
F1 auch in der durch Schaltverzögerungen
verursachten Zeitspanne zwischen dem Auftreten eines Fehlers und
der Herstellung der alternativen Energieversorgung sicherzustellen.
Der Kondensator C wird dazu in der Betriebsphase, wenn mindestens
einer der Schalter S1, S2 in der Stellung "off" ist, über eine
Entkopplungsdiode D1 und einen Ladewiderstand R3 mit der Speisespannung
aufgeladen. Die Steuereinheit ST überwacht die an dem Stichkabel SK1
zu dem Teilnehmergerät
F1 liegende Spannung U3 und schaltet den Kondensator C über den
Schalter S3 an das Stichkabel SK1, wenn sie eine zu niedrige Spannung
U3 detektiert. Die Entkopplungsdiode D1 und eine weitere Entkopplungsdiode
D2 verhindern einen Energierückfluss
in das Netzwerk 11.
-
Es
kann manuell oder automatisch ein RESET des Systems ausgelöst werden,
indem der Redundanzmanager RM die Speisespannung an den Ports B1
und B2 kurzzeitig abschaltet, woraufhin über den Zustand IDLE ein neuer
Prüfzyklus
mit Durchlaufen der Zustände
TEST1 und TEST2 einleitet wird.
-
Die
beschriebene Ausgestaltung eines Netzwerks hat die Vorteile, dass
die Abzweigelemente ihre vergleichsweise geringe Betriebsenergie
dem Hauptkabel entnehmen können,
die Steuereinheiten ST der Abzweigelemente autark arbeiten und der
Signalpfad passiv ausgeführt
werden kann, da sich lediglich Widerstände und Schalter zwischen den
Netzwerkanschlüssen
der Abzweigelemente befinden. Eine aktive Lösung, beispielsweise mit einer
Signalauffrischung wie bei Repeatern, ist jedoch auch möglich.
-
In 6 sind
die Zustände
und Zustandsübergänge der
Tabelle aus 5 zur besseren Anschaulichkeit
noch einmal in Form eines Zustandsdiagramms dargestellt, welches
dasselbe Verhalten der Steuereinheit ST wie die Tabelle beschreibt.
Für alle
Zustände
gilt: Bei U1 < U0
erfolgt ein RESET durch den Redundanzmanager RM und es wird mit dem
Zustand IDLE begonnen.
-
Bei
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird ein Kurzschluss im Stichkabel SK1 nicht beherrscht. Es lässt sich
aber in einfacher Weise so erweitern, dass alle an einem Abzweigelement
angeschlossenen Kabel überwacht
werden können. 7 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines derart erweiterten Abzweigelements T5,
das gegenüber
dem anhand 4 erläuterten Abzweigelement T1 um
einen Schalter S4 und Widerstände R4,
R5 und R6 ergänzt wurde.
Das Prinzip der Überwachung
von drei Kabeln ist analog zur oben beschriebenen Überwachung
von zwei Kabeln und erschließt
sich daher für den
Fachmann anhand von 7 von selbst.
-
Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind die Abzweigelemente getrennt von den Feldgeräten aufgebaut
und mit diesen jeweils lediglich über ein Stichkabel verbunden.
Abweichend hiervon kann ein Abzweigelement alternativ in das Gehäuse des
jeweiligen Feldgeräts
integriert werden.
-
Alternativ
zu den in 4 dargestellten Abzweigelementen
mit Stichkabelanschluss ist es möglich,
diese ohne Stichkabelanschluss auszuführen oder kein Stichkabel anzuschließen. Dies
ermöglicht es,
die Netzwerklinie in vorgegebene Liniensegmente aufzuteilen, die
individuell überwacht
werden können.
Fehler lassen sich so einfacher lokalisieren und beheben.
-
Eine
weitere Alternative ist es, die Abzweigelemente mit mehreren Stichkabelanschlüssen für Feldgeräte auszustatten.
-
Wenn
nach der Ermittlung des Fehlerortes der Fehler repariert werden
soll, können
instabile Zustände,
beispielsweise in Form von Wackelkontakten, auftreten, durch die
der Anlagenbetrieb beeinträchtigt
wird. Um dies zu vermeiden kann vorgesehen werden, die Zustände an den
Netzwerkanschlüssen
des Abzweigelements zu fixieren, was beispielsweise durch Kurzschlussstecker
geschehen kann, die nach der Reparatur wieder entfernt werden. Diese
Zustandsfixierung kann bei entsprechender Auslegung auch zum gezielten
Abschalten einzelner Kabelsegmente verwendet werden und erleichtert
dadurch Wartungsarbeiten im explosionsgefährdeten Bereich. Dabei besteht
die Möglichkeit,
die Klemmen der Netzwerkanschlüsse,
an denen nicht gearbeitet werden darf, mechanisch abzudecken, wobei
die Abdeckung so gestaltet sein kann, dass bei ihrer Entfer nung
der oben erwähnte
und die Entstehung zündfähiger Funken
verhindernde Kurzschluss hergestellt wird.