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Stand der Technik
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AS-Interface
ist ein eingeführtes
und genormtes Bussystem für Anwendungen
mit einfachen Sensoren und Aktuatoren. Ein besonderer Vorteil des
Systems ist die Vernetzung seiner Komponenten mit einem nicht-abgeschirmten Zweileiterkabel
mit den Leitungen AS-i+ und AS-i–, über das
Master und Slaves miteinander kommunizieren und von einem Netzgerät mit Energie
versorgt werden. Das Zweileiterkabel ist gewöhnlich nicht verdrillt, um
die Komponenten des Systems besonders einfach mit ihm verbinden
zu können.
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Eine
weitere Besonderheit von AS-Interface ist eine „Datenentkopplung" 9 zwischen
dem Netzgerät 5 mit
seiner Symmetrierschaltung 6 einerseits und dem AS-Interface
Netz andererseits (1), die zwei Aufgaben erfüllt: Sie
wandelt durch ihre Induktivitäten die
von den Teilnehmern im Netz zur Kommunikation ausgesandten Stromimpulse
in Spannungsimpulse um und sie verhindert, dass diese Spannungsimpulse
von dem angeschlossenen Netzgerät
als Störung interpretiert
und ausgeregelt werden. Die Bauform der Induktivitäten in der
Datenentkopplung wird von der Norm nicht vorgegeben. Zur Erzielung
einer hohen Symmetrie des Systems werden die Spulen jedoch meist
als bifilare Spulen auf einem gemeinsamen Kern, umgekehrt zur stromkompensierten
Konfiguration, ausgeführt.
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Die
Konstruktion des AS-Interface Systems mit einem nicht abgeschirmten
Zweileiterkabel, den Leitern AS-i+, und
AS-i–,
wäre störungsempfindlich, wenn
eine der beiden Leitungen, z. B. AS-i–,
auf Massepotential liegen würde.
Dann könnte
nämlich, wenn
das AS-Interface Kabel durch ein elektrisches Wechselfeld geführt wird,
eine kapazitive Einkopplung dieses Feldes in den zweiten Leiter
erfolgen und das übertragene
Datensignal eventuell stören.
Die Norm zu AS-Interface verlangt daher, das gesamte System symmetrisch
auszulegen und den Erdpunkt der Versorgungsspannung zwischen AS-i+ und AS-i– zu
legen. Das soll nach dem Stand der Technik durch zwei Symmetrierkondensatoren
des Netzgerätes,
die den Erdpunkt E vorgeben, und durch einen streng symmetrischen
Aufbau aller anderen Komponenten erreicht werden. Kapazitive Kopplungen
wirken dann auf beide Leitungen des Kabels gleichermaßen, sodass
in das Netz keine Störspannung
eingekoppelt wird.
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Dieses
Vorgehen hat sich im Wesentlichen bewährt, erfordert aber – wenn derartige
Fehler vermieden werden sollen – eine
kontinuierliche Überprüfung der
Symmetrie, um Veränderungen
der Symmetrie im Laufe des Betriebs rechtzeitig zu erkennen. Daher
wird nach dem Stand der Technik für alle kritischen Applikationen
ein Erdschlusswächter
gefordert, der im Falle eines Erdschlusses einen Alarm absetzt oder
ein Netz abschaltet.
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1 zeigt
ein AS-Interface Netz mit Erdschlusswächter nach dem Stand der Technik
mit Netzgerät,
Datenentkopplung und dem Netz aus Master und Slaves. Der Erdschlusswächter misst
die Gleichspannungen U+ und U– zwischen
den beiden Leitungen AS-i+ und AS-i– und
dem Erdpunkt. Bei einem Erdschluss mit einem Widerstand R ≥ 0 an einem
der Punkte 1 oder 2 (am Anfang bzw. am Ende der
Leitungen) oder an Punkt 3 verändern sich die Spannungen U+ und U–, die bei voller Symmetrie gleich
groß sind.
Typischerweise spricht ein Erdschlusswächter an, wenn die Spannung
U+ oder U– einer
der beiden Leitungen AS-i+ und AS-i– sich
dem gleichspannungsmäßigen Erdpunkt
bis auf etwa 10% nähert
(U+ oder U– < 0,1·[U+ – U–]).
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Ein
unbeabsichtigter Erdschluss vergrößert aber nicht nur die Störempfindlichkeit,
sondern kann bei einem zweiten Erdschluss in bestimmten Konfigurationen
zu einem unbeabsichtigten Anlaufen von peripheren Aktuatoren führen oder
dazu, dass sich solche Aktuatoren nicht mehr über das Netz ausschalten lassen.
Derartige „peripheren" Aktuatoren werden
von einem Slave des Netzes geschaltet und werden aus AS-Interface über Induktivitäten 4 gespeist.
In 1 liegt beispielsweise ein Fehler durch zweifachen
Erdschluss vor, wenn dieser an dem peripheren Punkt 3 und
an einem der internen Punkte 2 oder 3 im AS-Interface
Kreis auftritt. Ähnliches
ist bei Sensoren möglich.
Ein Erdschlusswächter
wird daher auch dazu eingesetzt, bereits einen ersten (ungefährlichen)
Erdschluss zu detektieren.
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Das
angegebene Kriterium ist allerdings wegen des Wertes „< 0,1" nicht befriedigend.
Es wird damit zwar ein vollständiger
gleichspannungsmäßiger Erdschluss
(U+ oder U– =
0) sicher anzeigt, aber eine Asymmetrie von bis zu 80% zwischen
einem der Leiter und dem Erdpunkt wird toleriert. Ein solches Netz
ist nicht mehr optimal gegen kapazitive Einstreuungen geschützt.
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Eine
einfache Verschärfung
dieses Kriteriums ist nur in Einzelfällen praktikabel. Die Slaves
im Netz dürfen
nämlich
konstruktionsbedingt einen gewissen Gleichspannungswiderstand gegenüber dem Erdpunkt
besitzen. Dann können
aber bis zu 62 parallel angeordnete Slaves innerhalb eines Netzes gleichspannungsmäßig zu einer
deutlichen Abweichung von der idealen Symmetrie führen, die
dann als systembedingt geduldet werden muss und in vielen Fällen auch
geduldet werden kann.
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Mit
einem konventionellen, auf einer Gleichspannungsmessung basierenden
Erdschlusswächter
lässt sich
auch nicht unterscheiden, ob ein interner Erdschluss (Punkte 1 oder 2 auf
der AS-i– oder auf
der AS-i+ Leitung) oder ein peripherer Erdschluss (Punkt 3)
aufgetreten ist. Das erschwert die Suche nach der Fehlerquelle und
eröffnet
auch nicht den Ausweg einen Fehler der ersten Art zu tolerieren, falls
kapazitive Einstreuungen nicht zu erwarten sind.
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In
der Praxis werden häufig
mehrere AS-Interface Netze von einem einzigen Netzgerät aber mit getrennten
Datenentkopplungen und einem Mehrfachmaster betrieben. In dieser
Konfiguration sind mehrere Netze gleichspannungsmäßig miteinander verbunden.
Ein Erdschluss in einem der Netze oder in ihrer Peripherie wirkt
sich dann auf alle Netze auf. Ein Erdschlusswächter nach dem beschriebenen Stand
der Technik kann in einem solchen System nicht diskriminieren, in
welchem der angeschlossenen Netze ein Erdschluss vorliegt. Dies
stellt in der Praxis ein erhebliches Problem dar.
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Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Situation zu verbessern,
d. h. das Prinzip eines Erdschlusswächters anzugeben, der zwischen
internen und peripheren Erdschlüssen
unterscheidet (Aufgabe 1), der für
einzelne Fehlerarten unterschiedliche Kriterien anlegen kann (Aufgabe
2) und der in Mehrfachnetzen das fehlerhafte Netz identifiziert
(Aufgabe 3). Wünschenswert
ist außerdem, dass
der Erdschlusswächter
auch in einem gleichspannungsmäßig geerdeten
Netz eingesetzt werden kann, um einen weiteren, wechselspannungsmäßig wirksamen
Erdschluss anzuzeigen (Aufgabe 4).
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Der
erfindungsgemäße Erdschlusswächter löst diese
Aufgaben dadurch, dass er die Netzsymmetrie erstens bezüglich der
Gleichspannung auf den AS-Interface Leitungen, zweitens aber auch
bezüglich
der Wechselspannungskomponenten des Spannungsverlaufs in dem für AS-Interface
relevanten Frequenzbereich von etwa 10 bis 300 kHz überwacht
und beide Messungen miteinander verknüpft (Ansprüche 1 und 3).
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Das
geschieht gemäß 2 beispielsweise dadurch,
dass an Punkt A des symmetrischen Spannungsteiler 8 mit
Mittelabgriff, beide Spannungen gegen den Erdpunkt E gemessen werden.
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Wegen
der Symmetrierschaltung des Netzgerätes liegt Punkt A im Falle
voller Symmetrie des gesamten Systems auf Masse. Bei einer Asymmetrie des
Netzes durch einen vollständigen
oder teilweisen Erdschluss (Widerstand zum Erdpunkt R = 0 bzw. R > 0) an den Punkten 1, 2 oder 3 der 2 verschiebt sich
zunächst
das Gleichspannungspotenzial von Punkt A, das wie im konventionellen
Erdschlusswächter
diesen Erdschluss anzeigt.
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Den
Wechselspannungsanteil des Signals auf der AS-Interface Leitung
(AS-i+ – AS-i–)
blocken die Spulen der Datenentkopplung bei voller Symmetrie des
Netzes. Im Falle eines Erdschlusses an den Punkten 1 oder 2 der 2 sind
jedoch ein Zweig der Datenentkopplung und ein Teil der Symmetrierschaltung
des Netzgerät überbrückt. Dadurch
verschiebt sich das Potenzial von Punkt A auch im Rhythmus des Signals
auf der AS-Interface Leitung. Für
einen Erdschluss an Punkt 3 gilt dies nicht, da das Wechselspannungssignal
im Netz durch die großen
Induktivitäten 4 abgeblockt
wird. Für
die Wechselspannung liegt in diesem Fall also kein Erdschluss vor.
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Eine
Wechselspannungskomponente der Master- und Slavetelegramme auf der
AS-Interface Leitung an Punkt A ist also dann ein sicheres Zeichen für eine Asymmetrie
des Netzes, wenn ein Erdschluss an den Punkten 1 oder 2 der 2 vorliegt, während die
Gleichspannungsmessung einen Erdschluss an den Punkten 1, 2 oder 3 anzeigt.
Aus dem Unterschied der beiden Messmethoden wird auf die Lage des
Erdschlusses geschlossen. Damit ist die erste Aufgabe der Erfindung
erfüllt.
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Die
Nachweissicherheit eines Erdschlusses durch Messung eines Wechselstroms
ist davon abhängig,
dass symmetrische und asymmetrische Komponenten des Signals an Punkt
A sicher identifiziert werden. Dazu muss die Datenentkopplung hochsymmetrisch
sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird dies durch die Auftrennung der Induktivität in zwei
bifilar gewickelte Drosseln (3) erreicht,
von denen die erste so gewickelt ist, dass sich die magnetischen
Felder der Ströme
in den beiden Zweigen AS-i+ und AS-i– addieren, während sie
sich in der zweiten Drossel, einer stromkompensierte Drossel 7,
subtrahieren. Beide Drosseln können
für ihren
Zweck optimiert werden. Dann blockt die erste Drossel alle symmetrischen
Stöme sicher
ab, während
sie einen Teil der asymmetrischen Komponente durchlässt. Die
zweite – stromkompensierte – Drossel 7 ist
transparent für
symmetrische Signale, blockt aber asymmetrische Signalkomponenten
ab, sodass die Messung dieser Komponenten an Punkt A ohne die Gefahr
von Fehlern durch eine nicht vollständig symmetrische Datenentkopplung
möglich ist
(Anspruch 2).
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Der
Wechselspannungsanteil des Signals auf der AS-Interface Leitung
kann zusätzlich
zum Nutzsignal der Telegramme auch Einkopplungen von Feldern außerhalb
des Systems durch eine kapazitiv Kopplung enthalten, die, wenn sie
zu groß sind,
die Datenübertragung
im System beeinflussen. Solche Störungen treten wie oben beschrieben
wegen der Konstruktion des Systems dann auf, wenn sie asymmetrisch
einkoppeln oder das System asymmetrisch gegenüber dem Erdpunkt E aufgebaut
ist. Treten sie auf, so sind sie ebenfalls im Wechselspannungsanteil des
Potenzials an A zu erkennen. Sie überlagern sich der Wechselspannung,
die aus den AS-Interface Telegrammen stammt. Um beide Komponenten
zu trennen, gibt es zwei Möglichkeiten:
Dieser Signalanteil kann erstens in der sogenannten „Offline-Phase" des Masters separat
bestimmt werden, einem Zustand, in dem das Netz unter Spannung steht,
ohne dass AS-Interface Telegramme gesendet werden (Anspruch 4).
Zweitens kann er in den Telegrammpausen der Datenübertragung
einzeln bestimmt werden (Anspruch 5).
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Schließlich besteht
die Möglichkeit,
durch einen kurzzeitigen Erdschluss zu Testzwecken, die Höhe und damit
die Gefahr von Störeinkopplungen aus
der Umgebung durch einen eventuellen Erdschluss zu überprüfen (Anspruch
6).
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Die
Messung der Größe einer
Störung
des Nutzsignals bzw. der Gefahr einer solchen Störung ergibt zusammen mit der
Unterscheidung zwischen internen und peripheren Erdschlüssen neue
Möglichkeiten,
angemessen auf unterschiedliche Situationen zu reagieren. Beispielsweise
kann ein peripherer Erdschluss grundsätzlich zum Abschalten der Anlage führen, während ein
interner Erdschluss bis zu einer gewissen Größe toleriert werden kann, wenn
keine externen Störfelder
zu erwarten sind. Die Höhe
der Asymmetrie und der Fehlertyp, bei denen der Erdschlusswächter anspricht,
sowie seine Latenzzeit bis zu seiner Reaktion sind durch Konfigurierung
des Erdschlusswächters
einstellbar (Ansprüche
7 und 8). Damit ist auch die zweite gestellte Aufgabe erfüllt.
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Weiter
kann der erfindungsgemäße Erdschlusswächter auch
dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn zwei oder mehr AS-Interface
Netze von einem einzigen Netzgerät
gespeist werden (Anspruch 1), wie in 4 für 2 Netze
dargestellt. Dabei bedeuten:
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- 1,
2 und 3
- mögliche Erdschlüsse mit
Widerstand R = 0 oder R > 0
- 4
- Induktivitäten zur
Abtrennung der AS-i Signale vor einem peripheren, aus AS-Interface
versorgten Verbraucher
- 5
und 6
- Netzgerät mit Symmetrierschaltung
- 7
- stromkompensierte
Drossel
- 8
- symmetrischer
Spannungsteiler mit Mittelpunkt A
- 9
- Datenentkopplung
- 10
- Master
- 11
- Diverse
Slaves des Netzes
- 12
- Slave
mit einem von ihm geschalteten peripheren Verbraucher
-
Netz
2 ist mit den gleichen Komponenten spiegelbildlich zu Netz 1 aufgebaut.
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Bei
zwei oder mehr Netzen an einem Netzgerät wirkt sich ein Erdschluss
an den Punkten 1, 2 oder 3 des ersten
Netzes bezüglich
der Gleichspannung auf alle angeschlossenen Netze aus; in 4 wirkt
sich also ein Erdschluss an einem der Punkte 1, 2 oder 3 auch
auf Netz 2 aus. Die Gleichspannungskomponente des Potenzials der
Punkte A in sämtlichen
Netzen ist gleich; sie braucht nur einmal gemessen zu werden. Der
oben beschriebene Fehler bei einem zweiten Erdschluss an Punkt 3 kann
in jedem der angeschlossenen Netz auftreten.
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Wechselspannungsmäßig wirkt
sich dagegen ein Erdschluss in Netz 1 nicht in einem der weiteren
Netze aus. Ein AS-Interface Signal nämlich, das vom Master oder
einem Slave in Netz 2 gesendet wird, wird von den Induktivitäten dieses
Netzes geblockt. Im Fall einer. bifilar gewickelten Drossel für die Datenentkopplung
ist dabei die stromkompensierte Drossel im Kreis erforderlich.
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Eine
Wechselspannung ist dann also nur an dem Punkt A des ersten, mit
dem Erdschluss behafteten Netz zu messen. Damit kann also bei einem Erdschluss
in einem von mehreren Netzen mit dem erfindungsgemäßen Erdschlusswächter auch
erkannt werden, in welchem der Netze der Erdschluss tatsächlich aufgetreten
ist. Damit ist auch die dritte Aufgabe erfüllt.
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Grundsätzlich ist
es möglich
AS-Interface mit einer geerdeten Gleichspannung zu betreiben, solange
die Wechselspannung im Netz symmetrisch zum Erdpunkt bleibt. 5 zeigt
ein solches Netz, das von einer geerdeten Versorgungsspannung gespeist wird.
Ein Erdschlusswächter
muss in diesem Fall wieder einen Erdschluss an einem der Punkte 1 oder 2 erkennen
können,
der den oben beschriebenen negativen Einfluss uaf die Datenübertragung
hätte.
Das wird mit dem erfindungsgemäßen Erdschlusswächter erreicht.
Damit ist die vierte Aufgabe gelöst.
Die Aufgaben 1 bis 4 entsprechen dem Anspruch 1.
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Der
erfindungsgemäße Erdschlusswächter kann
in unterschiedlichen Ausführungsformen
als Einzel- oder Mehrfachgerät,
in Kombination mit einer oder mehreren Datenentkopplung(en), in
Kombination mit einem Netzgerät,
mit einem Mehrfachmaster, mit einem Tuner oder mit einem Repeater
ausgeführt werden
(Anspruch 9). Beispielsweise können
in der Kombination mit einem Tuner alle Geräte, die der Kommunikationssicherheit
dienen, in einem Gerät zusammengefasst
werden.
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Der
Vorteil solcher Gerätekombinationen wird
besonders deutlich in der Kombination eines doppelten Erdschlusswächters mit
einer zweifachen Datenentkopplung und einem Repeater. Eine solche Gerätekombination
kann zusammen mit einem Standard-Netzgerät zwei Teilnetze abdecken,
wo sonst ein Repeater, zwei Erdschlusswächter und zwei AS-Interface
Netzgeräte
benötigt
würden.
Kosten, Platz- und
Installationsbedarf sinken erheblich.
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Für Safety-at-Work
Netzen, die eine sicherheitsgerichtete Variante von AS-Interface
Netzen darstellen, wird der Erdschlusswächter in
Kombination mit einem Sicherheitsmonitor nach den Vorgaben von „Safety
at Work" sicherheitsgerichtet
entsprechend den internationalen Normen für sicherheitsgerichtete Geräte so ausgeführt, dass
er oder der Sicherheitsmonitor im Falle einer Asymmetrie das Netz
sicher abschaltet (Anspruch 10). Dies kann unabhängig vom Telegrammfehlern erfolgen und – insbesondere
in Netzen mit sicheren Aktuatoren – zu einer frühzeitigen und
schnellen Abschaltung genutzt werden, bevor der Sicherheitsmonitor
selbst in Aktion tritt.
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Die
Ausbildung von Kombinationsgeräten
als AS-Interface Slave bietet die Möglichkeit, eine Abweichung
von der geforderten Symmetrie und eventuell weitere Daten über das
Netz an die übergeordnete
Steuerung zu melden und dort in den Programmablauf einzubinden.
Für Safety-at-Work
Netze wird eine derartiger Slave als sicherheitsgerichteter Eingangsslave
ausgeführt
(Anspruch 11).
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Vorteile und wirtschaftlicher
Wert der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Erdschlusswächter erlaubt
eine genauere Kontrolle der Symmetrie von AS-Interface Netzen als
Geräte
nach dem Stand der Technik und unterstützt damit den störungsfreien
Betrieb dieser Netze. Er kann in Mehrfachnetzen, die von einem gemeinsamen
Netzgerät
gespeist werden, dasjenige Netz identifizieren, in dem der Erdschluss
vorliegt. Er kann in allen AS-Interface Netzen und in Safety-at-Work
Netzen eingesetzt werden einschließlich solcher, die gleichspannungsmäßig einseitig
geerdet sind.