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Stand der Technik
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AS-Interface ist ein eingeführtes und genormtes Bussystem (IEC 62026-2: Controller - Device - Interface systems, Part 2: Actuator Sensor Interface (AS-i); 2000; oder: Kriesel, W. R., Madelung, O.W. (Hrsg.): AS-Interface Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation; 213 S., 2. deutsche Auflage, Carl Hanser Verlag 1999, ISBN 3-446-21064-4; oder aktualisiert: AS-International Association: Complete Specification Version 3.0 Rev.1 (2006)) 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 E 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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Ein solcher Erdschlusswächter, basiserend auf der Messung der Gleichspannung ist aus
FR 2 755 312 A1 bekannt, insbesondere
3. Auch ist in
US 6 794 879 B2 die Erdschlussmessung mittels Wechselstrom offengelegt, dabei aber zur Erkennung von Erdschlüssen in Generator.
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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 E. 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 E 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 „periphere“ 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 E 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 E 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 Spannungsteilers (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 E 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 Netzgeräts 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 stromkompensierten Drossel (7), subtrahieren. Beide Drosseln können für ihren Zweck optimiert werden. Dann blockt die erste Drossel alle symmetrischen Ströme 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 kapazitive 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:
- 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 Netze 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 E 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 auf 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 (AS-International Association (Hrsg.): AS-Interface Safety-at-Work, (2004)), wird der Erdschlusswächter in Kombination mit einem Sicherheitsmonitor nach den Vorgaben von „Safety at Work“ sicherheitsgerichtet entsprechend den internationalen Normen für sicherheitsgerichtete Geräte (z. B. EN 954-1: Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen, Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze; 1997) 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 ein 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.
