DE102010037262B4

DE102010037262B4 - Integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung zur Verwendung in einem Prozesssteuerungssystem

Info

Publication number: DE102010037262B4
Application number: DE102010037262.5A
Authority: DE
Inventors: Gary Keith Law; Kent Allan Burr; Michael L. Marshall; Michael Kessler
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: CN102081391B; JP5618710B2; US8949665B2; JP2011066881A; CN102081391A; GB2473142B; GB2473142A; DE102010037262A1; US20110131455A1; GB201014508D0

Abstract

Ein Kommunikationsnetzwerksteuerungssystem zur Verwendung für das Bereitstellen eines Bussteuerungssignals und eines Energiesignals auf einem Bus (64) eines Kommunikationsnetzwerks, umfassend:eine Anschlussleiste (74R, 174R, 274R), umfassend einen oder mehrere Eingänge und umfassend einen Ausgang (94, 194, 294) zur Verbindung mit dem Bus (64) des Kommunikationsnetzwerks;eine erste Bussteuerungseinrichtung umfassend:ein erstes Gehäuse (86A, 186A, 286A);eine erste in dem ersten Gehäuse (86A, 186A, 286A) angeordnete Bussteuerung (80A, 180A, 280A), wobei die erste Bussteuerung (80A, 180A, 280A) eine erste Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88A, 188A, 288A) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um busbasierte Kommunikationssignale auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen; undeine erste Anschlussleiste (74R, 174R, 274R), die in dem ersten Gehäuse (86A, 186A, 286A) angeordnet ist, wobei die erste Busenergieversorgung (82A, 182A, 282A) ein erstes Energiesignal für den Bus (64) erzeugt und einen ersten Busenergieversorgungsausgang (90A, 190A, 290A) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um das erste Energiesignal auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen; undeine zweite Bussteuerungseinrichtung umfassend:ein zweites Gehäuse (86B, 186B, 286B);eine in dem zweiten Gehäuse (86B, 186B, 286B) angeordnete zweite Bussteuerung (80B, 180B, 280B), wobei die zweite Bussteuerung (80B, 180B, 280B) eine zweite Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88B, 188B, 288B) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um busbasierte Kommunikationssignale auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen; undeine zweite Busenergieversorgung (82B, 182B, 282B) die in dem zweiten Gehäuse (86B, 186B, 286B) angeordnet ist, wobei die zweite Busenergieversorgung (82B, 182B, 282B) ein zweites Energiesignal für den Bus (64) erzeugt und einen zweiten Busenergieversorgungsausgang (90B, 190B, 290B) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um das zweite Energiesignal auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen;wobei die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) die erste Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88A, 188A, 288A) und die zweite Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88B, 188B, 288B) mit dem Bus (64) elektrisch koppelt und den ersten Busenergieversorgungsausgang (90A, 190A, 290A) und den zweiten Busenergieversorgungsausgang (90B, 190B, 290B) mit dem Bus elektrisch koppelt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Dieses Patent bezieht sich allgemein auf busbasierte Prozesskommunikationssysteme, die zur Durchführung von Prozesssteuerungsabläufen in einer Prozessanlage oder von anderen Prozessen verwendet werden, und genauer gesagt auf eine integrierte Bussteuerung und eine busbasierte Energieversorgung zur Verwendung in einem Prozesssteuerungskommunikationssystem.
HINTERGRUND
Prozesssteuerungssysteme werden überwiegend in Fabriken und/oder Prozessanlagen verwendet, in denen Erzeugnisse hergestellt oder Prozesse gesteuert werden (z. B. chemische Produktion, Kraftwerksteuerung, Ölraffinerie, etc.), um ein Erzeugnis beliebiger Art herzustellen. Prozesssteuerungssysteme werden auch zum Abbau von Rohstoffquellen verwendet, wie beispielsweise für Öl- und Gasbohrungen und Bearbeitungsprozesse, usw. Nahezu jeder Herstellungsprozess, Rohstoffressourcenabbauprozess usw. kann durch die Anwendung eines oder mehrerer Prozesssteuerungssysteme automatisiert werden.
Die Art und Weise, in der Prozesssteuerungssysteme umgesetzt werden, hat sich über die Jahre weiterentwickelt. Ältere Generationen von Prozesssteuerungssystemen wurden typischerweise mittels dezidierter, zentraler Hardware umgesetzt. Moderne Prozesssteuerungssysteme werden jedoch typischerweise unter Verwendung eines hochgradig verteilten Netzwerks von Arbeitsstationen, intelligenten Steuerungen, intelligenten Feldgeräten und dergleichen umgesetzt, von denen einige oder alle einen Teil einer gesamten Prozesssteuerungsstrategie oder eines -Schemas durchführen können. Insbesondere weisen die meisten der modernen Prozesssteuerungssysteme intelligente Feldgeräte und andere Prozesssteuerungskomponenten auf, die kommunizierend miteinander und/oder mit einem oder mehreren Prozesssteuerungen über ein oder mehrere digitale oder digital und analog kombinierte Datenbusse verbunden sind. Natürlich können viele der modernen Prozesssteuerungssysteme auch nicht-intelligente Feldgeräte umfassen, wie beispielsweise 4 bis 20 Milliampere (mA)-Geräte, 0 bis 10 Volt Gleichstrom (VDC) -Geräte, usw., die üblicherweise direkt mit Steuerungen verbunden sind, im Gegensatz zur Verwendung eines gemeinsamen digitalen Datenbusses oder dergleichen.
Genauer gesagt umfassen moderne Prozesssteuerungssysteme, wie beispielsweise verteilte oder skalierbare Prozesssteuerungssysteme, eine oder mehrere Prozesssteuerungen, die kommunizierend miteinander, mit wenigstens einer Host- oder Bedienerarbeitsstation und mit einem oder mehreren Feldgeräten über analoge, digitale oder kombinierte Analog/Digitalbusse verbunden sind. Die Feldgeräte, bei denen es sich beispielsweise um Ventile, Ventilsteller, Schalter und Fühler (z. B. Temperatur-, Druck- und Flussratensensoren) handeln kann, üben Funktionen im Prozess aus, wie beispielsweise Öffnen oder Schließen von Ventilen und Messen von Prozessparametern. Die Prozesssteuerung empfängt Signale, die kennzeichnend sind für Prozessmessungen, welche durch Feldgeräte durchgeführt wurden und/oder für andere Informationen, welche die Feldgeräte betreffen und verwendet diese Informationen zur Durchführung eines Steuerungsprogramms oder mehrerer Steuerungsprogramme zur Erzeugung von Steuersignalen, die über den Bus zur Steuerung des Prozessablaufs zu den Feldgeräten gesendet werden. Eine Information des Feldgeräts und der Steuerung wird üblicherweise einer oder mehreren Anwendungen zur Verfügung gestellt, die durch die Bedienerarbeitsstation ausgeführt werden, um es dem Bediener zu ermöglichen jede gewünschte Funktion bezüglich des Prozesses durchzuführen, wie beispielsweise Betrachten des momentanen Prozessstatus, Anpassen des Prozessablaufs, usw.
Einige Prozesssteuerungssyteme, wie beispielsweise das DeltaV™-System, welches durch die Firma Emerson Process Management verkauft wird, verwenden Funktionsblöcke oder Gruppen von Funktionsblöcken, Module genannt, die in der Prozesssteuerung oder in verschiedenen Feldgeräten oder in Eingang/Ausgang (E/A) Steuereinrichtungen zur Durchführung von Steuerungsabläufen angeordnet sind. In diesen Fällen kann die Prozesssteuerung oder ein anderes Gerät einen oder mehrere Funktionsblöcke oder ein oder mehrere Module einschließen oder ausschließen, von denen jeder/jedes eine Eingabe von anderen Funktionsblöcken erhält und/oder Ausgaben an andere Funktionsblöcke bereitstellt (entweder in demselben Gerät oder in anderen Geräten), und führt einen Prozesssteuerungsablauf durch, wie beispielsweise Messen oder Erfassen eines Prozessparameters, Steuerung eines Geräts oder Durchführen einer Steuerungsoperation, wie beispielsweise Implementieren eines Proportional-Integral-Derivative (PID) Reglerprogramms. Die verschiedenen Funktionsblöcke und Module innerhalb eines Prozesssteuerungssystems sind zur Bildung einer oder mehrerer Prozesssteuerungsschleifen im Allgemeinen kommunizierend miteinander ausgebildet (z. B. über einen Bus).
In vielen Fällen werden Prozesssteuerungen zum Ausführen eines unterschiedlichen Algorithmus, eines Unterprogramms oder einer Steuerungsschleife (die alle Steuerungsprogramme sind) für jede einer Mehrzahl von verschiedenen Schleifen definiert für einen Prozess oder umfasst in einem Prozess, wie beispielsweise Flusssteuerungsschleifen, Temperatursteuerungsschleifen, Drucksteuerungsschleifen usw. Im Großen und Ganzen umfasst jede solche Steuerungsschleife einen oder mehrere Eingabeblöcke, beispielsweise einen analogen Eingangsfunktionsblock, Analog-Input (AI), einen Steuerungsblock, wie beispielsweise einen Proportional-Integral-Derivative (PID) oder einen Fuzzy-Logiksteuerungsfunktionsblock, Fuzzy-Logic-Control (FLC) und einen Ausgabeblock, wie beispielsweise einen analogen Ausgabefunktionsblock, Analog-Output (AO). Steuerungsprogramme und die Funktionsblöcke, die solche Programme umsetzen, wurden in Übereinstimmung mit einer Mehrzahl von Steuerungstechniken konfiguriert, einschließlich beispielsweise PID-Regelung, Fuzzy-Logiksteuerung, und modellbasierte Steuerungstechniken, wie beispielsweise einen Smith-Prädiktor oder modellprädiktive Regelung, Model-Predictive-Control (MPC).
Diese erhöhte Menge an Steuerungsfunktionalität ergibt ein erhöhtes Datentransferlevel, welches zwischen den verschiedenen Geräten innerhalb eines Prozesssteuerungssystems auftreten muss, um die Steuerungsfunktionalität zu unterstützen. Folglich umfasst ein besonders wichtiger Aspekt von modernen Prozesssteuerungssystemen die Art und Weise, in der Feldgeräte kommunizierend miteinander, mit Prozesssteuerungen und mit anderen Systemen oder Geräten innerhalb eines Prozesssteuerungssystems oder einer Prozessanlage verbunden sind. Im Allgemeinen werden die verschiedenen Kommunikationskanäle, Verbindungen und Pfade, die es den Feldgeräten ermöglichen, innerhalb des Prozesssteuerungssystems zu funktionieren, gemeinsam als ein Eingang/Ausgang (E/A) Kommunikationsnetzwerk bezeichnet.
Die Topologie des Kommunikationsnetzwerks und physikalische Verbindungen oder Pfade, die zur Implementierung eines E/A-Kommunikationsnetzwerks verwendet werden, können eine wesentliche Auswirkung auf die Robustheit oder die Unversehrtheit von Feldgerätkommunikationen haben, insbesondere wenn das E/A-Kommunikationsnetzwerk den mit einem Prozesssteuerungssystem verbundenen Umgebungseinflüssen oder -bedingungen ausgesetzt ist. Beispielsweise setzen industrielle Steuerungsanwendungen Feldgeräte und deren zugehörige E/A-Kommunikationsnetzwerke rauen physikalischen Umgebungen aus (hohe, niedrige oder stark variable Umgebungstemperaturen, Vibrationen, korrosive Gase oder Flüssigkeiten, usw.), schwierige elektrische Umgebungen (z. B. stark verrauschte Umgebungen, geringe Energiequalität, und schwankende Spannungen), usw. Als Ergebnis wurden viele verschiedene Typen von E/A-Kommunikationsnetzwerken und Kommunikationsprotokollen zur Bereitstellung von Kommunikation in diesen Netzwerken entwickelt.
Um die Ausführung von Steuerungsprogrammen in einem verteilten Prozesssteuerungssystem zu unterstützen, hat eine typische Industrie- oder Prozessanlage insbesondere einen zentralisierten Steuerungsraum, der kommunizierend mit einer oder mehreren der verteilten Prozesssteuerungen und Prozess-E/A-Untersystemen verbunden ist, die wiederum mit einem oder mehreren Feldgeräten verbunden sind, die Steuerungsaktivitäten innerhalb der Anlage durchführen, wie beispielsweise Messen von Prozessvariablen oder Durchführen von physikalischen Tätigkeiten (z. B. Öffnen oder Schließen eines Ventils). Herkömmlicherweise werden analoge Feldgeräte mit der Steuerung über Zweidraht- oder Vierdraht-Stromschleifen sowohl für die Signalübertragung als auch für die Zufuhr von Energie verbunden. Ein analoges Feldgerät, welches ein Signal zum Steuerungsraum überträgt (z. B. ein Sensor oder Transmitter), moduliert den durch die Stromschleife fließenden Strom derart, dass der Strom proportional zu der erfassten Prozessvariablen ist. Andererseits werden analoge Feldgeräte, die eine Aktion unter der Kontrolle des Steuerungsraums durchführen, durch die Größe des durch die Schleife fließenden Stroms gesteuert.
In jüngerer Zeit wurden jedoch Prozesssteuerungskommunikationssysteme entwickelt, welche digitale Daten auf die Stromschleifen überlagern, welche dazu verwendet werden das analoge Signal zu übertragen. Beispielsweise verwendet das Highway Addressable Remote Transducer (HART^®)-Protokoll die Größe des Schleifenstroms, um analoge Signale zu senden und zu empfangen und überlagert dem Stromschleifensignal darüber hinaus ein digitales Trägersignal, um eine Zweidraht-Feldkommunikation mit intelligenten Feldinstrumenten zu ermöglichen. Weiterhin wurden andere Protokolle entwickelt, die alle digitale Kommunikationswege auf einem Bus bereitstellen, der mit dem E/A-Kommunikationsnetzwerk verbunden ist. Beispielsweise stellt das FOUNDATION^® Feldbusprotokoll, welches im Allgemeinen Feldbusprotokoll genannt wird, eine volldigitale Kommunikation auf einem Bus bereit, der mit einem volldigitalen E/A-Kommunikationsnetzwerk verbunden ist. Das Feldbusprotokoll umfasst sogar zwei Unterprotokolle, einschließlich das H1-Protokoll, welches Datentransferraten von bis zu 31,25 Kilobits pro Sekunde unterstützt, während die an das Netzwerk gekoppelten Feldgeräte mit Energie versorgt werden, und das H2-Protokoll, welches Datenübertragungsraten von bis zu 2,5 Megabits pro Sekunde unterstützt, allerdings ohne die Feldgeräte über den Bus mit Energie zu versorgen. Durch diese Kommunikationsprotokolltypen unterstützen intelligente Feldgeräte, die üblicherweise volldigitaler Art sind, eine Anzahl von Wartungsmoden und Zusatzfunktionen, die von älteren Steuerungssystemen nicht bereitgestellt werden. Diese digital basierten Kommunikationsprotokolle benötigen jedoch üblicherweise ein Bussteuerungsgerät, welches manchmal auch als Übertragungsstrecken-Steuerungsgerät bezeichnet wird, um eine einwandfreie Kommunikation über den Bus zu gewährleisten, um externe Geräte anzubinden, wie beispielsweise Prozesssteuerungen und Benutzerschnittstellengeräte, die nicht an das E/A-Kommunikationsnetzwerk angeschlossen sind, usw.
Wie oben festgestellt wurde, wurden einige der E/A-Kommunikationsnetzwerke und die mit diesen Netzwerken verbundenen Protokolle entwickelt, um die an den Netzwerkbus angeschlossenen Feldgeräte mit Energie zu versorgen, zusätzlich zur Kommunikation von digitalen und/oder analogen Signalen auf dem Netzwerkbus. Das Bereitstellen von Energie auf dem Netzwerkbus (im Folgenden Busenergie genannt) ermöglicht es dem E/A-Kommunikationsnetzwerk die mit dem E/A-Kommunikationsnetzwerk verbundenen Feldgeräte und andere Geräte mit Energie zu versorgen, wodurch der Bedarf zur Bereitstellung einer getrennten Energiequelle für jedes mit dem E/A-Kommunikationsnetzwerk verbundene Feldgerät, Steuerung, usw., entfällt. Diese Besonderheit ist sehr nützlich in Prozesssteuerungssystemen, die im Freien, in rauen Umgebungen oder in entfernten oder nicht leicht zugänglichen Gebieten eingesetzt werden. Die Besonderheit der Busenergie ist jedoch auch sehr nützlich in geschlossenen Anlagen und anderen herkömmlicheren Orten, weil es die Verkabelung und Verdrahtung reduziert, die benötigt wird, um getrennte Energiesignale für jedes der Feldgeräte innerhalb eines Prozesssteuerungssystems bereitzustellen.
Üblicherweise umfassen Busenergie bereitstellende E/A-Kommunikationsnetzwerke ein getrenntes Energiemodul oder eine Energieversorgungseinrichtung, welche mit dem Bus verbunden ist, um das entsprechende Energiesignal auf dem Bus zu platzieren, welches dazu verwendet wird, die anderen mit dem Bus verbundenen Geräte mit Energie zu versorgen. In einigen Fällen, wie beispielsweise beim Feldbus-H1-Protokoll, ist die Energieversorgung naturgemäß redundant und kann vom Bus durch ein Impedanznetzwerk isoliert werden, welches einen Störeinfluss der Energieversorgung auf den digitalen Signalfluss auf dem Netzwerkbus vermeidet. Folglich erfordert es die Konfiguration eines E/A-Kommunikationsnetzwerks, welches Busenergie bereitstellt in vielen Fällen, dass getrennte Energieversorgungseinrichtungen mit dem Bus verbunden sind, zusätzlich zu der mit dem Bus verbundenen Bussteuerung und den Feldgeräten, um die Bereitstellung von Energie auf dem Bus zu ermöglichen. Diese Systeme können außerdem zusätzliche Geräte erfordern, die zwischen den Energieversorgungseinrichtungen und dem Bus vorgesehen sind, um die Energieversorgungen von der digitalen Kommunikationen auf dem Netzwerkbus zu isolieren. Diese Erfordernisse führen zu zusätzlicher benötigter Hardware und Verkabelung für das E/A-Kommunikationsnetzwerk, erfordern zusätzlichen Platz in den Gehäusen, welche die Hardware für das E/A-Kommunikationsnetzwerk beherbergen, und benötigen zusätzliche Konfigurations- und Verdrahtungsaktivitäten beim Aufbau und bei der Konfiguration des E/A-Kommunikationsnetzwerks. Darüber hinaus führen die zusätzlichen Aufbau- und Konfigurationsmaßnahmen, die im Allgemeinen der Aufbau und die Verkabelung von Hardware zur Erstellung des E/A-Kommunikationsnetzwerks mit sich bringen, zu vermehrten Fehlern und Potentialproblemen in der Implementierung und beim Betrieb eines bestimmten E/A-Kommunikationsnetzwerks.
Einschlägiger Stand der Technik sind die DE 198 13 921 A1 und die DE 10 2009 049 378 A1 , die jeweils Kommunikationsnetzwerkeinrichtungen zur Verwendung mit einem Bussteuerungssystem offenbaren, sowie weiterhin die DE 10 2009 000 759 B3 , die EP 2 228 943 A1 und die US 2003/0132669 A1 .
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
In der vorliegenden Anmeldung wird ein Kommunikationsnetzwerksteuerungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 offenbart und beansprucht. Zweckmäßige Fortbildungen dieses Systems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung umfasst eine herkömmliche oder standardmäßige Bussteuerung und eine Busenergieversorgung, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, deren Größe und externe Konfiguration derjenigen einer standardmäßigen Bussteuerungseinrichtung eines herkömmlichen E/A-Kommunikationsnetzwerks entsprechen kann. Die Bussteuerung der integrierten Vorrichtung kann ein oder mehrere Protokoll- oder Kommunikationssteuerungsprogramme speichern und implementieren, um einwandfreie auf dem Bus auftretende Kommunikationen zwischen den einen oder den mehreren Geräten, insbesondere Feldgeräten, die mit dem E/A-Kommunikationsnetzwerk verbunden sind, durchzuführen oder sicherzustellen, während die Busenergieversorgung der integrierten Vorrichtung das geeignete Energiesignal für den Bus des E/A-Kommunikationsnetzwerks erzeugt und bereitstellt, wobei das Energiesignal zur Energieversorgung von Geräten verwendet wird, die mit dem E/A-Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. Die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung kann leicht mit dem Bus des E/A-Kommunikationsnetzwerks verbunden werden, um sowohl Bussteuerungsfunktionalität als auch Busenergieversorgungsfunktionalität für das E/A-Kommunikationsnetzwerk bereitzustellen, ohne die Notwendigkeit, getrennte, dezidierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen zu konfigurieren und an den Bus anzuschließen und ohne diese Geräte unter Verwendung von Mehrfachanschlussleisten miteinander zu verkabeln.
Die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung kann in einer Anzahl verschiedener Art und Weisen konfiguriert werden, von denen jede die Einrichtung dazu befähigt, in einer einfachen Konfiguration verwendet zu werden, in der nur eine integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung mit einem bestimmten E/A-Kommunikationsnetzwerk verbunden ist, oder in einer redundanten Konfiguration, bei der zwei integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen mit einem bestimmten E/A-Kommunikationsnetzwerk verbunden sind, um eine Redundanz sowohl für die Bus- oder Protokollsteuerungsfunktionalität als auch für die Energieversorgungsfunktionalität für das E/A-Kommunikationsnetzwerk bereitzustellen. Zusätzlich kann eine vereinfachte Klemmleiste bzw. Anschlussleiste verwendet werden, um gleichzeitig eine oder mehrere integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen entweder in einer einfachen oder in einer redundanten Konfiguration mit einem E/A-Kommunikationsnetzwerk zu verbinden.
Die Verwendung der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung mit den damit verbundenen Besonderheiten vermindert die Hardware und die Verkabelung, die für ein E/A-Kommunikationsnetzwerk benötigt wird, welches Busenergie umfasst, vermindert die Konfigurations- und Aufbauaktivitäten, die benötigt werden, um ein durch einen Bus mit Energie versorgtes E/A-Kommunikationsnetzwerk aufzubauen und zu konfigurieren, und vermindert den Gehäuseplatz, der benötigt wird für ein oder der verbunden ist mit einem herkömmlichen E/A-Kommunikationsnetzwerk, welches über einen Bus mit Energie versorgt wird. Weiterhin macht die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung die Errichtung von redundanten Funktionalitäten in einem E/A-Kommunikationsnetzwerk sehr viel einfacher, weil es eine Redundanz sowohl der Steuerungsfunktionalität als auch der Energieversorgungsfunktionalität mit zwei Basisgeräten und einer einzigen Anschlussleiste bereitstellt, statt dass es wenigstens vier Basisvorrichtungen und mehrere Anschlussleisten benötigt, wie es typischerweise in Systemen nach dem Stand der Technik benötigt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 ist eine schematische Wiedergabe eines Prozesssteuerungssystems einschließlich einer Bus- oder Protokollsteuerung, die mit einem oder mehreren Programmen zur Steuerung der Kommunikation zwischen Feldgeräten und anderen Geräten in einem E/A-Kommunikationsnetzwerk des Prozesssteuerungssystems konfiguriert ist;
2 zeigt eine detaillierte Darstellung einer Art und Weise, in der eine Bussteuerung nach dem Stand der Technik und ein Energieversorgungsmodul gemäß dem Stand der Technik mit einem E/A-Kommunikationsnetzwerk eines Prozesssteuerungssystems gemäß 1 verbunden sind;
3 zeigt eine Darstellung einer Art und Weise, in der eine integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung mit einem E/A-Kommunikationsnetzwerk eines Prozesssteuerungssystems gemäß 1 verbunden sein kann;
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels einer integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung, die mit einer Anschlussleiste verbunden ist;
5 zeigt ein Blockschaltbild der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung gemäß 4;
6 zeit ein detaillierteres Blockschaltbild der Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung gemäß 4;
7 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Beispiels einer integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung, die mit einer Anschlussleiste verbunden ist;
8 zeigt ein Blockschaltbild von zwei integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung gemäß 7, die mit einer Anschlussleiste in einer redundanten Konfiguration verbunden ist;
9 zeigt ein Blockschaltbild eines dritten Beispiels einer integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung, die mit einer Anschlussleiste verbunden ist;
10 zeigt ein Blockschaltbild von zwei der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen gemäß 9, die mit einer Anschlussleiste in einer redundanten Konfiguration verbunden sind, und
11A bis 11C zeigen drei verschiedene Art und Weisen, eine Anschlussleiste zu konfigurieren, um ein durch einen Anwender auswählbares hochverlässliches Abschlussnetzwerk für ein E/A-Kommunikationsnetzwerk zu implementieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Prozesssteuerungssystem 10 eine Prozesssteuerung 12, die mit einem Daten Historian 14 und mit einem oder mehreren Host-Arbeitsplätzen oder Computern 16 (die jede Art von Personalcomputer, Arbeitsstation etc. sein kann) verbunden ist, von denen jede einen Bildschirm 18 aufweist. Die Steuerung 12 ist außerdem mit Feldgeräten 20 bis 27 über Eingabe/Ausgabe (E/A) Geräte 30 und 32 verbunden, die im Folgenden auch als Bussteuerungsgeräte oder Protokollsteuerungsgeräte bezeichnet werden. Der Daten Historian 14 kann jeder gewünschte Typ von Datensammel- und Speichereinheit sein, der jede beliebige Art von Speicher und jede beliebige oder bekannte Software, Hardware oder Firmware zum Speichern von Daten aufweisen kann. Der Daten Historian 14 kann getrennt von (wie in 1 dargestellt) oder Teil der Arbeitsstationen 16 sein. Die Steuerung 12, die beispielsweise die DeltaV™ -Steuerung sein kann, welche von Emerson Process Management verkauft wird, ist kommunizierend mit den Host-Computern 16 und mit dem Daten Historian 14 beispielsweise über ein Ethernetverbindung oder über jedes andere gewünschte Kommunikationsnetzwerk 34 verbunden. Die Steuerung 12 ist außerdem kommunizierend mit den Feldbusgeräten 20 bis 27 über die Bussteuerungsgeräte 30 und 32 unter Verwendung jeder gewünschten Hardware und damit verbundenen Software verbunden, beispielsweise Standard-4-bis-20-mA-Geräte und/oder jedes intelligente Kommunikationsprotokoll, wie beispielsweise das FOUNDATION^® -Feldbusprotokoll, das HART^®-Protokoll usw. Gemäß einem Beispiel ist die Steuerung 12 mit den Bussteuerungsgeräten 30 und 32 über eine Rückwandverbindung oder einen Bus (in 1 nicht gezeigt) verbunden, die ebenfalls Energie an die Geräte 30 und 32 liefern können.
Bei den Feldgeräten 20 bis 27 kann es sich um jeden Gerätetyp handeln, wie beispielsweise Sensoren, Ventile, Fühler, Steller, usw., während es sich bei den E/A- oder Bussteuerungsgeräten 30 und 32 um jeden E/A-Gerätetyp handeln kann, der jedem gewünschten Kommunikations- oder Steuerungsprotokoll entsprechen kann. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Feldgeräte 20 bis 23 Standard-4-bis-20-mA-Geräte oder HART^®-Geräte, die über analoge Leitungen oder kombinierte analoge und digitale Leitungen mit den E/A-Geräten 30 kommunizieren, während die Feldgeräte 20 bis 27 intelligente Geräte, wie beispielsweise Feldbus-Feldgeräte sind, die über einen digitalen Bus 35 mit dem E/A-Gerät 32 unter Verwendung der Feldbusprotokollkommunikation kommuniziert. In diesem Fall umfasst das E/A-Gerät oder Bussteuerungsgerät 32 einen Prozessor 32A und speichert eines oder mehrere Bussteuerungsprogramme in einem Speicher 32B, die, wenn auf dem Prozessor ausgeführt, das Gerät 32 dazu befähigt mit dem Feldbusprotokoll verbundene Kommunikationsregeln auf dem Bus 35 zu überwachen und durchzusetzen. In diesem Fall bewirkt das Gerät 32 die Implementierung eines Feldbusstapels und kann als link active scheduler (LAS) für den Feldbus 35 gemäß dem Feldbusprotokoll ausgeführt werden. Selbstverständlich könnten die Feldgeräte 20 bis 27 jedem anderen gewünschten Standard oder Protokoll entsprechen, einschließlich jeden Standards oder Protokolls, der/das in der Zukunft entwickelt wird. Weiterhin können die Feldgeräte 20 bis 27 beispielsweise Eingabegeräte sein (z. B. Geräte wie Sensoren, die Statussignale bereitstellen, die für gemessene Prozessvariablen kennzeichnend sind, wie beispielsweise Temperatur, Druckflussrate etc.) oder Steuerungsbediener oder Aktuatoren, die physikalische Maßnahmen durchführen in Erwiderung auf von den Steuerungen und/oder anderen Feldgeräten empfangenen Befehlen. Beispielsweise kann eine Steuerung Signale an ein Ventil zur Erhöhung des Drucks oder des Flusses, an eine Heizung oder Kühlaggregat zur Änderung der Temperatur, an einen Mixer zum Mischen von Inhaltsstoffen in einem Prozesssteuerungssystem senden, usw.
Die Steuerung 12 umfasst einen Prozessor 36, der ein oder mehrere Prozesssteuerungsprogramme (gespeichert in dem Speicher 37) umsetzt oder überwacht, die Steuerungsschleifen umfassen können, die darin gespeichert sind oder auf andere Weise damit verbunden sind und kommuniziert mit den Geräten 20 bis 27, den Host-Computern 16 und dem Daten-Historian 14, um einen Prozess in einer gewünschten Weise zu steuern. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Teile der Steuerungsprogramme oder der Module, die hierin beschrieben werden, implementiert oder ausgeführt werden können durch verschiedene Steuerungen oder andere Geräte, sofern dies gewünscht ist. Darüber hinaus können die hierin beschriebenen Steuerungsprogramme oder die Module, die in dem Prozesssteuerungssystem 10 implementiert werden sollen, jede Form, einschließlich Software, Firmware, Hardware usw. annehmen. Zum Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann ein Prozesssteuerungsmodul jedes Teil oder jeder Bereich eines Prozesssteuerungssystems sein, einschließlich beispielsweise eines Programms, eines Blocks oder jedes Element davon, gespeichert auf jedem beliebigen computerlesbaren Medium. Steuerungsprogramme, die Module oder jeder Teil eines Steuerungsverfahrens wie beispielsweise Unterprogramme sein können, Teile eines Unterprogramms (wie beispielsweise Code-Zeilen) usw., können in jedem beliebigen gewünschten Softwareformat implementiert werden, beispielsweise unter Verwendung objektorientierter Programmierung, unter Verwendung von höher entwickelter Logik, einer Ablaufsprache, eines Funktionsplans, oder unter Verwendung jeder anderen softwareprogrammierbaren Sprache oder eines Entwurfsparadigmas. Gleichermaßen können die Steuerungsprogramme hartcodiert in beispielsweise einem oder mehreren EPROMs, EEPROMs, anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen Application Specific Integrated Circuit (ASICs) oder beliebigen anderen Hardware- oder Firmware-Elementen sein. Weiterhin können die Steuerungsprogramme unter Verwendung beliebiger Designwerkzeuge, einschließlich graphischer Designwerkzeuge, oder einem beliebigen anderen Typ von Software/Hardware/Firmware-Programmierung oder Designwerkzeugen entworfen werden. Folglich kann die Prozesssteuerung 12 so konfiguriert sein, dass sie eine Steuerungsstrategie oder ein Steuerungsprogramm in jeder beliebigen gewünschten Weise implementiert.
In einigen Ausführungsbeispielen implementiert die Prozesssteuerung 12 eine Steuerungsstrategie unter Verwendung dessen, was herkömmlicherweise als Funktionsblöcke bezeichnet wird, wobei jeder Funktionsblock ein Objekt oder ein anderer Teil (z. B. ein Unterprogramm) eines gesamten Steuerungsprogramms ist und in Verbindung mit anderen Funktionsblöcken zur Implementierung von Prozesssteuerungsschleifen innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 arbeitet (links genannte Kommunikationsverbindungen). Funktionsblöcke führen typischerweise eine Eingabefunktion aus, wie beispielsweise die, welche mit einem Sender, einem Sensor oder einem anderen Prozessparametermessgerät verbunden ist, eine Steuerungsfunktion, wie beispielsweise die, welche mit einem Steuerungsprogramm zur Ausführung von PID, Fuzzy-Logik, usw. Steuerung verbunden ist, oder eine Ausgabefunktion, welche den Betrieb von einigen Geräten steuert wie beispielsweise ein Ventil, zur Durchführung von einigen physikalischen Maßnahmen innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10. Selbstverständlich existieren Hybride oder andere Typen von Funktionsblöcken. Funktionsblöcke können in der Steuerung 12 gespeichert sein und durch diese ausgeführt werden, was üblicherweise der Fall ist, wenn diese Funktionsblöcke verwendet werden für oder verbunden sind mit Standard-4-bis-20-mA-Geräten und einige Typen von intelligenten Feldgeräten, wie beispielsweise HART^® und Feldbusgeräte, oder Funktionsblöcke können durch die Feldgeräte selber gespeichert und implementiert werden, was mit Feldbusgeräten der Fall sein kann.
Wie durch die Explosionsdarstellung des Blocks 40 in 1 dargestellt ist, kann die Prozesssteuerung 12 eine Anzahl von einschleifigen Steuerungsprogrammen umfassen, die als Programme 42 und 44 dargestellt sind, und sofern gewünscht, eine oder mehrere erweiterte Steuerungsschleifen implementieren, die als Steuerungsschleifen 46 dargestellt sind. Jede dieser Schleifen wird üblicherweise als Steuerungsmodul bezeichnet. Die einschleifigen Steuerungsprogramme 42 und 44 sind als einen einschleifigen Regelkreis ausführend dargestellt, unter Verwendung eines Einzeleingang/Einzelausgang-Fuzzylogik-Regelungsblocks (FLC) bzw. eines Einzeleingang/Einzelausgang-PID-Regelungsblocks, der mit geeigneten analogen Eingangs- (AI) und analogen Ausgangs- (AO) Funktionsblöcken verbunden ist, der mit Prozesssteuerungsgeräten wie beispielsweise Ventilen, mit Messgeräten wie beispielsweise Temperatur- und Druckfühlern oder mit jedem anderen Gerät innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 verbunden sein kann. Die erweiterte Steuerungsschleife 46 ist als einen erweiterten Steuerungsblock 48 umfassend dargestellt, der mehrere Eingänge umfasst, die kommunizierend mit AI-Funktionsblöcken verbunden sind, und mehrere Ausgänge umfasst, die kommunizierend mit AO-Funktionsblöcken verbunden sind, wenngleich die Eingänge und Ausgänge des erweiterten Steuerungsblocks 48 mit anderen beliebigen Funktionsblöcken oder Steuerungselementen verbunden sein können, um andere Arten von Eingaben zu empfangen und andere Arten von Steuerungsausgaben bereitzustellen. Es sollte klar sein, dass die in 1 dargestellten Funktionsblöcke durch die Prozesssteuerung 12 ausgeführt werden oder alternativ angeordnet sein können in und ausgeführt werden durch jedes andere Prozessgerät, wie beispielsweise ein Bussteuerungsgerät 32, welches mit dem Feldbusnetzwerk 35 oder sogar mit einem der Feldgeräte 24 bis 27 verbunden ist.
2 zeigt eine Netzwerkkonfiguration 50 nach dem Stand der Technik, in der ein oder mehrere Bussteuerungsgeräte 52 durch eine Anschlussleiste 54 mit einem Energiezuführungsmodul 56 verbunden sind, welches wiederum so konfiguriert ist, dass es ein oder mehrere busbasierte Kommunikationsnetzwerke, wie beispielsweise ein oder mehrere FOUNDATION^®-Feldbus H1-Segmente, mit Busenergie versorgt. Die Bussteuerungsgeräte 52 können hier als E/A-Gerät 32 der 1 arbeiten. Wie in 2 gezeigt ist, sind ein Paar, in diesem Fall Feldbus H1-Bussteuerungsgeräte 52A und 52B mit der Anschlussleiste 54 über eine in 2 nicht gezeigte Rückwandverbindung verbunden. Die Bussteuerungen 52A und 52B können herkömmliche Standard H1-Bussteuerungen sein, die durch jeden Hersteller einschließlich beispielsweise Emerson Process Management hergestellt sein können, und die Ausgänge der Bussteuerungen 52A und 52B sind über die Anschlussleiste 54 mit einem Eingangsblock des Energieversorgungsmoduls 56 über externe verdrahtete Verbindungen verbunden. Das in 2 gezeigte Energieversorgungsmodul 56 umfasst vier Sätze redundanter Energieversorgungen, die zum Handhaben oder Bereitstellen redundanter Energie an vier getrennte und verschiedene Feldbussegmente konfiguriert ist. Vorliegend werden die redundanten Energieversorgungssätze als Energieversorgungspaare 60A, 60B, 60C und 60D bezeichnet. Darüber hinaus umfasst das Energieversorgungsmodul 56 eine getrennte Diagnosemodulkarte 62, welche die Diagnostik bezüglich des Betriebs der Energieversorgungen 60A bis 60D überwacht und bereitstellt.
Das Energieversorgungsmodul 56 umfasst außerdem einen Satz von vier Ausgangsklemmen auf einer Anschlussleiste 63, und einer der Sätze von Ausgangsklemmen wird zum Verbinden der Steuerung 52A mit einem E/A-Kommunikationsnetzwerkbus 64 verwendet, der eine Segmentschutzeinrichtung 66 und damit verbundene Feldgeräte 68 umfasst. Die Anschlussleiste 63 oder die Energieversorgungen 60A bis 60D können eine Busisolationseinrichtung aufweisen, die angewendet wird, um die Gleichstromenergie (DC), die von den Energieversorgungen 60A bis 60D geliefert wird, von den digitalen Signalen auf dem Bus 64 zu isolieren. Weiterhin sind, wie in 2 dargestellt ist, eine primäre 24 Volt DC-Energieverbindung und eine sekundäre 24 Volt DC-Energieversorgung vorgesehen, um unverarbeitete Energie an das Energieversorgungsmodul 56 zu liefern, und diese unverarbeitete Energie wird von den Energieversorgungen 60A bis 60D verwendet, um geeignete Spannungs- und Stromsignale in dem einen oder den mehreren Feldbussegmenten, einschließlich dem Feldbussegment 64, welches mit der Segmentschutzeinrichtung 66 verbunden ist, bereitzustellen. Die Feldbussegmentschutzeinrichtung 66 bewirkt den Schutz des Segments 64 im Falle eines Fehlers auf dem Segment 64, wie beispielsweise ein Kurzschluss oder einen Leerlaufzustand in oder bei einem der Feldgeräte 68, die mit der Segmentschutzeinrichtung 66 verbunden sind.
Wie man verstehen wird, stellt das Energieversorgungsmodul 56 und insbesondere einer der redundanten Sätze von Energieversorgungen 60A bis 60D Energie auf dem Feldbussegment 64 bereit, welches mit der Segmentschutzeinrichtung 66 verbunden ist. Zusätzlich verbindet das Energieversorgungsmodul 56 die H1-Bussteuerung 52A mit dem Segmentbus 64, um die Energieversorgung und die Steuerung der Feldgeräte 68 auf dem Segment 64 zu ermöglichen. In diesem Fall sind die Feldgeräte 68 als FOUNDATION^®-Feldbus-konforme Feldgeräte dargestellt, obwohl das Netzwerk 64 mit anderen Gerätearten und Kommunikationsprotokollen, einschließlich beispielsweise Actuator Sensor Interface (ASI), DeviceNet, usw., verbunden sein und diese benutzen könnte. In dieser Konfiguration gemäß dem Stand der Technik verwendet das durch den Bus mit Energie versorgte Feldbuskommunikationsnetzwerk 64 jedoch ein Energieversorgungsmodul 56, welches getrennt ist von der Segmentschutzeinrichtung 66, den Feldgeräten 68 und den H1-Bussteuerungskarten 52A und 52B. Darüber hinaus erfordert diese Konfiguration, dass die Bussteuerungen 52A und 52B über eine erste mit Steuerungskarten 52A und 52B verbundenen Ausgangsanschlussleiste 54 mit der Eingangsanschlussleiste des Energieversorgungsmoduls 56 verbunden sind, und dass diese Bussteuerungen 52A und 52B dann mit einem oder mehreren der Feldbussegmente, wie beispielsweise dem Segment 64, über die Ausgangsklemmleiste 63 des Energieversorgungsmoduls 56 verbunden sind. Als Folge hiervon erfordert diese Konfiguration getrennte Installationsbereiche (z. B. Gehäuseplatz) für jeden der unterschiedlichen Bussteuerungskarten 52A und 52B, das Energieversorgungsmodul 56 und die Anschlussleisten 54 und 63. Darüber hinaus erfordert dieser Satz komplizierte Konfigurationsmaßnahmen und Konfigurationsabläufe beim Installieren und Konfigurieren des busbasierten Kommunikationssystems, welches beispielsweise mit dem Feldbussegment 64 verbunden ist. Zusätzlich müssen die Bussteuerungskarten 52A und 52B für eine Redundanz individuell verdrahtet werden, um die Bussteuerungen 52A und 52B und die Energieversorgungen 60A und 60B, 60C oder 60D in einer redundanten Konfiguration zur Bereitstellung von Redundanz auf dem Segment 64 zu verbinden, und zwei der Sätze von Energieversorgungen 60A bis 60D und das Diagnosemodul 62 müssen ebenfalls aufgebaut und individuell verkabelt werden, um eine Redundanz auf dem Segment 64 bereitzustellen.
3 zeigt eine neue E/A-Kommunikationsnetzwerkkonfiguration 70 zur Verwendung bei der Bereitstellung einer Bus- oder Protokollsteuerung und Energie in dem durch den Bus mit Energie versorgten E/A-Kommunikationsnetzwerk 64. Wie in 3 dargestellt ist, umfasst die Netzwerkkonfiguration 70 eine oder mehrere Bussteuerungen und Energieversorgungseinrichtungen 72A und 72B, die mit einer einzigen Anschlussleiste 74 verbunden sind. Vorliegend ist die Anschlussleiste 74 unmittelbar mit dem Feldbussegment 64 verbunden, welches wiederum mit den Feldgeräten 68 über die Segmentschutzeinrichtung 66 verbunden ist. In diesem Fall empfängt das Feldbussegment 64 sowohl Energie (erzeugt durch Verwenden der Energieversorgungsfunktionalität der Einrichtung 72A) als auch Bus- oder Kommunikationssteuerungssignale (erzeugt durch Verwenden der Bussteuerungsfunktionalität der Einrichtung 72A) von der integrierten Bussteuerung und Energieversorgungseinrichtung 72A, ohne dass ein gesondertes Energiemodul und eine Energieversorgungsmodulanschlussleiste notwendig ist. Insbesondere umfasst die Kommunikationsnetzwerkkonfiguration 70 gemäß 3 integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 72A und 72B, von denen jede eine Energieversorgungs- und Bussteuerungsfunktionalität (wie diejenige, die durch die E/A-Geräte 32 gemäß 1 bereitgestellt wird) umfasst, die darin integriert ist, und von denen wenigstens eine mit dem Feldbussegment 64 unmittelbar durch die Anschlussleiste 74 verbunden ist. Infolgedessen erfordert die Kommunikationsnetzwerkkonfiguration 70 verminderten Gehäuseplatz und vermindert die Verkabelungs- und Hardwarekosten, die mit dem Aufbau eines Kommunikationsnetzwerks verbunden sind, während gleichzeitig der Aufbau und die Konfiguration des Netzwerks 64 einfacher wird. Außerdem vereinfacht und verbessert eventuell die Netzwerkkonfiguration 70 die Busdiagnostik auf dem Netzwerksegment 64, weil mit der Netzwerkkonfiguration 70 eine reduzierte Hardware und Verkabelung verbunden ist.
4 zeigt ein verallgemeinertes Blockschaltbild einer der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 72A und 72B der 3 (in 4 als Einrichtung 72 bezeichnet) in Verbindung mit einer Anschlussleiste 74. In diesem Fall umfasst die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72 Schalttechnik und Funktionalität sowohl einer Bussteuerung 80 (die eine H1-Feldbussteuerung sein kann) als auch eine Energieversorgung 82, die in einem gemeinsamen oder einzigen Gehäuse 86 angeordnet ist, welches mit der Einrichtung 72 verbunden ist. Wie in 4 dargestellt ist, stellt die Bussteuerung 80 eine Steuerungsfunktionalität über Eingangs-/Ausgangsklemmen 88 bereit, die das Gehäuse 86 durchsetzend angeordnet sind und über die Signale gesendet oder empfangen werden können. Die Bussteuerung 80 kann herkömmliche Bussteuerungsschalttechnik umfassen, die in jeder bekannten Art von Bus- oder Protokollsteuerungseinrichtung implementiert ist, wie beispielsweise in einer H1-Bussteuerungseinrichtung, und kann bekannte Bussteuerungsschalttechnik umfassen, wie beispielsweise diejenige, die in Feldbus H1-Bussteuerungskarten von Emerson Process Management bereitgestellt wird. Obwohl es nicht notwendig ist, kann die Bussteuerung 80 und die damit verbundene Schalttechnik auf einer in dem Gehäuse 86 vorgesehenen Leiterplatte (printed circuit board - PCB) angeordnet sein, während die Energieversorgung 82 und ihre zugehörige Schaltung auf einer zweiten in dem Gehäuse 86 vorgesehenen PCB-Platte angeordnet sein kann. In jedem Fall umfasst die Bussteuerung 80 Kommunikationsprogramme und Daten, die dazu verwendet werden, bestimmte protokollbasierte Kommunikationen auf dem Netzwerkbus (wie beispielsweise dem Bus 64) zu überwachen, durchzuführen und/oder zu implementieren. Im Falle dessen, dass die Bussteuerung ein Feldbussteuerungsgerät ist, kann die Bussteuerung ein oder mehrere Feldbusstapel implementieren und sofern gewünscht, als der Feldbus Link Active Scheduler auf dem Bus 64 agieren, um dabei die Feldbuskommunikationen auf dem Bus 64 zu implementieren. Sofern gewünscht, kann die Bussteuerung 80 ebenfalls einen Speicher umfassen, der Prozesssteuerungsprogramme speichert, die auf die Einrichtung 72 heruntergeladen werden, zur Verwendung für die Durchführung von Prozesssteuerungsaktivitäten und beliebige Funktionsblöcke der Steuerungsmodule 42, 44, 46 der 1 speichern und ausführen können.
Wie in 4 gezeigt ist, empfängt die Energieversorgung 82 beispielsweise ein 24 Volt DC-Energiesignal von einer externen Quelle und umfasst herkömmliche oder bekannte Schaltungstechnik, die von dem Netzwerksegment 64 benötigte Energie erzeugt. Der Ausgang der Energieversorgung 82 ist mit einer Anschlussleiste 90 verbunden, die das Gehäuse 86 durchsetzend über eine redundanten Einrichtung 95 angeordnet ist, und die beispielsweise in Form eines „Oder“-Netzwerks mit einer Leistungsdiode 92 implementiert sein kann. Nicht explizit dargestellt ist in 4, dass die Energieversorgung 82 sogar zwei getrennte Energieversorgungen aufweisen kann, beispielsweise befestigt an demselben PCB, um eine verbundene Energieversorgungsfunktionalität für zwei verschiedene E/A-Kommunikationskanäle bereitzustellen (z. B. für zwei separate Feldbussegmente oder Netzwerke). Darüber hinaus kann die primäre Bussteuerung 80 einen einzigen Prozessor (nicht gezeigt) umfassen, zusammen mit damit verbundener Bussteuerungsschaltungstechnik (wie beispielsweise Sende-/Empfangsgeräte), die mit zwei separaten oder verschiedenen Bussteuerungskanälen verbunden sind, die sich einen Prozessor teilen, die aber Bussteuerungsfunktionalität für zwei verschiedene Netzwerke oder Segmente bereitstellen. Folglich kann die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgung 72 unabhängige Energie- und Steuerungsfunktionalität für zwei verschiedene Kanäle (z. B. für zwei verschiedene Netzwerke oder Segmente) bereitstellen, wie beispielsweise für zwei verschiedene Feldbus H1-Segmente.
In jedem Fall umfasst die Anschlussleiste 74, wie in 4 dargestellt ist, einen ersten Eingang, der mit der Steuerungsausgangsklemme 88 verbunden ist und einen zweiten Eingang, der mit der Energieversorgungsausgangsklemme 90 verbunden ist. Schaltungstechnik innerhalb der Anschlussleiste 74 vereint die Energieleitung von der Energieversorgung 82 und die Steuerungsleitung von der Bussteuerung 80 der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72 in einem einzigen Ausgang 94 der Anschlussleiste 74, wodurch die Steuerungs- und Feldgerätekommunikationssignale zusammen mit einem Busenergiesignal auf dem Netzwerkbus 64 platziert werden, der mit der Klemme oder dem Ausgang 94 verbunden ist.
Weiterhin ist eine Impedanzeinrichtung 98 in der Anschlussleiste 74 vorgesehen und zwischen die Leistungsdiode 92 und den Ausgang 94 der Anschlussleiste 74 geschaltet, um eine Isolation zwischen der Energieversorgung 82 und dem Segment oder Bus 64 bereitzustellen. Allgemein ausgedrückt isoliert die Impedanzeinrichtung 98 die Höherfrequenzsignale auf dem Netzwerk 64 von der Energieversorgung 82, um zu verhindern, dass die Energieversorgung 82, die eine spannungsgesteuerte Energiequelle sein kann, die Digitalsignale auf dem Netzwerk 64 absorbiert oder löscht. Die Impedanzeinrichtung 98 kann beispielsweise eine aktive Komponente, wie beispielsweise ein aktives Gyratornetzwerk sein oder kann eine passive Komponente wie beispielsweise eine Induktivität oder ein Satz Induktivitäten sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die Impedanzeinrichtung 98 eine passive 5 mH Impedanzinduktivität sein. Derartige Impedanzeinrichtungen werden im Allgemeinen beispielsweise in Anschlussleisten eines Energieversorgungsmoduls für Feldbus H1-Netzwerk verwendet, um die Energieversorgung, die typischerweise eine spannungsgesteuerte Energiequelle ist, effektiv daran zu hindern, zu versuchen, die Hochfrequenzspannungssignale auf dem Feldbussegment zu kompensieren oder zu eliminieren. Während des Betriebs fungiert die Impedanzeinrichtung 98 als Filter (bezüglich der Energieversorgung 82) und verhindert, dass die sich mit hohen Geschwindigkeitsraten ändernden digitalen Signale auf dem Segment 64 die Energieversorgung 82 erreichen, um dabei die Energieversorgung 82 daran zu hindern zu versuchen, das Segment 64 mit einer konstanten DC-Spannung bei allen Frequenzen zu betreiben.
Zusätzlich kann, wie in 4 gezeigt ist, ein durch einen Anwender auswählbares hochverlässliches Abschlussnetzwerk 100 in der Anschlussleiste 74 vorgesehen sein oder, in einigen Ausführungsbeispielen, außerhalb der Anschlussleiste 74 als ein externes Element vorgesehen sein, um eine Abschlussfunktionalität innerhalb des Feldbusnetzwerks oder -segments 64 bereitzustellen. Solche Abschlusseinheiten 100 werden herkömmlicherweise für eine Impedanzanpassung am Ende des Feldbusnetzwerkbusses verwendet, um Reflektionen auf dem Segment oder Bus zu vermeiden, um dadurch eine hohe verlässliche Kommunikation auf dem Bus zu gewährleisten.
Folglich wird verstanden werden, dass die einzelne integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72 gemäß 4 sowohl eine Energieversorgung als auch eine Bussteuerung umfasst, die in dem gemeinsamen Gehäuse 86 angeordnet sind, und die einzelne Einrichtung 72 sowohl Energiesignale und Protokollsteuerungssignale oder Funktionalität an der Anschlussleiste 74 bereitstellt, und von dort aus an dem mit dem Kommunikationsnetzwerk verbundenen Bus oder Segment 64. Dabei beseitigt die durch die Einrichtung 72 bereitgestellte integrierte Funktionalität die Notwendigkeit für getrennte Gehäuse für die Bussteuerungen und die Energieversorgungen, vermindert den Gehäuseplatz und die Verdrahtung, die benötigt wird, um das über den Bus mit Energie versorgte Netzwerk aufzubauen, vermindert die typischerweise für separate Energieeinrichtungen und Steuerungskarten benötigten Netzanschlüsse und vereinfacht den Aufbau und die Konfiguration eines Kommunikationsnetzwerks, welches über einen Bus mit Energie versorgt wird, weil es die Bauart und die Verbindungen innerhalb des Kommunikationsnetzwerks vereinfacht.
5 zeigt zwei der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 72 gemäß 4, die als Karten 72A und 72B bezeichnet sind, und mit einer einzelnen Anschlussleiste 74R in einer Weise verbunden sind, die eine redundante Steuerung und Energieversorgungskonfiguration für das Netzwerk 64 bildet. Insbesondere stellt die redundante Konfiguration gemäß 5 eine redundante Energieversorgungs- und Steuerungsfunktionalität auf einem einzelnen Bussegment 64 bereit. Wie aus 5 ersichtlich ist, entsprechen die Karten 72A und 72B denen der 4 und können leicht in einer redundanten Konfiguration unter Verwendung der einfach konfigurierten Anschlussleiste 74R verbunden werden. Insbesondere umfasst die primäre redundante Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72A eine primäre Bussteuerung 80A, verbunden mit einem Ausgang 88A der Einrichtung 72A, und umfasst eine primäre Energieversorgung 82A, die mittels einer Leistungsdiode 92A mit einem Energieversorgungsausgang 90A der Einrichtung 72A verbunden ist. Ebenfalls umfasst die Backup- oder sekundäre integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72B eine Backup-Bussteuerung 80B, die mit einem Ausgang 88B der Einrichtung 72B verbunden ist und umfasst eine Backup-Energieversorgung 82B, die durch eine Leistungsdiode 92B mit einem Energieversorgungsausgang 90B der Einrichtung 72B verbunden ist. Die redundante Anschlussleiste 74R umfasst Eingänge, die jeden der beiden Ausgänge der primären und der sekundären integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 72A und 72B akzeptieren.
Wie in 5 dargestellt ist, verbindet die Schaltung innerhalb der Anschlussleiste 74R beispielsweise den Feldbussegmentbus 64 (verbunden mit dem Ausgang 94 der Anschlussleiste 74R) unmittelbar mit den Steuerungsleitungen der beiden Einrichtungen 72A und 72B. Zusätzlich führt die Anschlussleiste 74R die Energiesignale von der primären Energieversorgung 82A und der sekundären Energieversorgung 82B zusammen (nachdem die Energiesignale die Leistungsdioden 92A und 92B in den Einrichtungen 72A und 72B durchlaufen haben) und dieses kombinierte Energiesignal wird an einen Eingang der Impedanzeinrichtung 98 geliefert, die in der Anschlussleiste 74R angeordnet ist. Der Ausgang des Impedanzblocks 98 ist unmittelbar mit dem Segment 64 über den Ausgang 94 verbunden. Vorliegend kann der Impedanzschaltkreis 98 derselbe Schaltkreis sein wie der in Bezug auf die Anschlussleiste 74 gemäß 4 beschriebene, und kann so derselbe Impedanzschaltkreis 98 sein, der in der nichtredundanten Konfiguration verwendet wird. In diesem Fall stellt die redundante Anschlussleiste 74R die gleiche Sperrimpedanz für den Segmentbus 64 bereit, egal ob die integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 72A und 72B mit einer redundanten Konfiguration (wie in 5 gezeigt) verbunden sind oder ob sie in einer einfachen oder nichtredundanten Konfiguration (wie in 4 gezeigt) verwendet werden.
Wie die einfache Anschlussleiste 74 gemäß 4, umfasst auch die redundante Anschlussleiste 74R ein durch einen Anwender auswählbares hochverlässliches Abschlussnetzwerk 100, welches wie gewünscht an- oder ausgeschaltet werden kann in Abhängigkeit davon, ob dieses Abschlussnetzwerk für das Netzwerksegment 64 benötigt wird. Es wird verstanden werden, dass der Hauptunterschied zwischen der redundanten Anschlussleiste 74R und der einfachen Anschlussleiste 74 grundsätzlich in der Tatsache liegt, dass die redundante Anschlussleiste 74R zusätzliche Eingänge umfasst, die es zwei Energieversorgungs- und zwei Steuerungssignalen ermöglicht, mit ihr verbunden zu werden und dass die redundante Anschlussleiste 74R die Steuerungssignale und die Energieversorgungssignale in der Anschlussleiste 74R vereint, wie in 5 gezeigt ist. In Folge dessen kann die redundante Anschlussleiste 74R in einer Einfachkonfiguration verwendet werden, indem einfach die beispielsweise mit der sekundären integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72B verbundenen Eingänge nicht verwendet werden. In jedem Fall ist in der redundanten Konfiguration gemäß 5 der Energieversorgungsausgang 90A der primären integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72A mit dem Energieversorgungsausgang 90B der sekundären integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72B innerhalb der gemeinsamen Anschlussleiste 72R verbunden. Durch die gemeinsame Businduktivität 98 ist die Busimpedanz unabhängig von der gewählten redundanten oder einfachen Konfiguration und stellt immer die richtige optimale Busimpedanz und Abschluss bereit. Darüber hinaus kann die Busimpedanzinduktivität 98 für eine hohe Verlässlichkeit ausgebildet sein (beispielsweise kann sie als Induktivität ausgebildet sein, die lackiert ist und die redundante Anschlüsse zur Verbindung der Induktivität mit dem PCB umfasst, um eine Fehlfunktion aufgrund einer gebrochenen Lötverbindung zu vermeiden). Der durch einen Anwender auswählbare Abschluss 100 kann unter Verwendung von redundanten Komponenten ebenfalls als hochverlässliches Design ausgebildet sein.
6 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72 gemäß 4. Insbesondere umfasst die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 72 gemäß 6 eine Funktionalität, die Diagnosemaßnahmen durchführt und andere Informationen bezüglich der Arbeitsweise bereitstellt, beider der Bussteuerung 80 und der Energieversorgung 82, die in einem einzigen Gehäuse 86 der Einrichtung 72 integriert sind. Wie erkennbar ist, umfasst die integrierte Karte 72 die Bussteuerung 80 und die Energieversorgung 82. Vorliegend empfängt die Steuerung 80 ein externes 12 Volt DC-Energiesignal zur Energieversorgung der Bussteuerung 80 durch eine externe Quelle und ist mit einem Rückwandbus (Backplane Bus) verbunden, der beispielsweise mit einer Prozesssteuerung (beispielsweise die Prozesssteuerung 12 gemäß 1) verbunden sein kann, mit anderen Eingangs-/Ausgangseinrichtungen, usw.
Die Energieversorgung 82 empfängt ein externes 24 Volt DC-Energiesignal und verwendet dieses Signal zur Erzeugung einer Busspannung, die für den Bus 64 bereitgestellt wird und erzeugt zusätzlich ein 5 Volt DC-Signal oder ein anderes Energiesignal zur Verwendung zur Energieversorgung bestimmter Schaltkreise innerhalb der Einrichtung 72. Die durch die Energieversorgung 82 erzeugte Busspannung wird durch ein Strommessmodul 110 geleitet, welches einen Stromfluss aus der Energieversorgung 82 misst. Das Strommessmodul 110 erzeugt und stellt ein Strommesssignal an einem diagnostischen Überwachungsmikrocontroller 112 bereit, der eine Überwachungsdiagnosesteuerung der Energieversorgung 82 bereitstellt. Insbesondere kann der Mikrocontroller 112 eine Diagnose in der Einrichtung 72 erstellen, um einen einwandfreien Stromfluss zu dem Bus 64 sicherzustellen, d. h. einen Stromfluss innerhalb gesetzter oder Nenngrenzen, auf der Grundlage der Ausgabe des Strommessmoduls 110. Das Busenergiesignal wird durch das Strommessmodul 110 auch an einen Ausgangssteuerungsschalter 114 geleitet, der jede gewünschte Art von Umschalt-Schaltung unter der Steuerung des diagnostischen Überwachungsmikrocontrollers 112 sein kann. Die Ausgabe des Ausgangssteuerungsschaltkreises 114 wird als eine Ausgangsspannungsmessung oder Erfassungsspannung zurück zu dem Diagnose- und Überwachungsmikrocontroller 112 geführt.
Der Diagnose- und Überwachungsmikrocontroller 112, der durch das von der Energieversorgung 82 erzeugte 5 Volt DC-Signal mit Energie versorgt wird, verwendet die durch das Strommessmodul 110 zur Verfügung gestellte Strommessung und die an dem Ausgang des Schalters 114 zur Verfügung gestellte Spannungsmessung, um Strom- oder Spannungsprobleme zu detektieren, wie beispielsweise eine Stromüberlastung, niedrige oder hohe Spannung, schwankende Spannungen, usw., von denen jedes durch eine Fehlfunktion oder Probleme innerhalb der Energieversorgung 82 verursacht werden kann. Basierend auf diesen Messungen kann der Diagnoseüberwachungsmikrocontroller eine Ausgabe an den Ausgangssteuerungsschalter 114 liefern, um Strom oder Spannung von der Energieversorgung 82 zu dem Energieausgang 90 der Karte 72 auszuschalten oder einen Fluss zu verhindern. Folglich kann der Diagnose- und Überwachungsmikrocontroller 112 auf der Grundlage der erfassten Bedingungen innerhalb der Einrichtung 72 verhindern, dass Energie durch die Diode 92 zu dem Ausgang 90 der Karte 72 fließt.
Weiterhin kann der Diagnose- und Überwachungsmikrocontroller 112 eine Ausgabe bereitstellen, um eine lichtemittierende Diode (LED 118) zu betreiben, die durch das Gehäuse 86 der Karte 72 sichtbar sein kann, um den Betriebsstatus des Energieversorgungssystems innerhalb der Einrichtung 72 anzuzeigen. Beispielsweise kann der Diagnose- und Überwachungsmikrocontroller 112 folglich die LED 118 zum Leuchten bringen, solange die Energieversorgung 82 einwandfrei arbeitet, um Energie an den Ausgang 90 der Karte 72 zu liefern, und kann die LED 118 ausschalten, wenn Probleme aufgetaucht sind oder wenn die Energieversorgung 82 nicht ordnungsgemäß arbeitet.
Weiterhin kann der Diagnose- und Überwachungsmikrocontroller 112 ein oder mehrere Signale bereitstellen, die eine Fehlfunktion der Energieversorgung 82 oder andere Diagnoseinformationen der Steuerung 80 durch einen Isolationsschaltkreis 120 anzeigt. Der Isolationsschaltkreis 120 kann beispielsweise ein optischer Isolationsschaltkreis oder jede andere gewünschte Art von Isolationsschaltkreis sein. Der Hauptzweck dieses Isolationsschaltkreises 120 ist es, ein Übersprechen zwischen zwei verschiedenen Kanälen zu vermeiden, die durch die Einrichtung 72 implementiert werden, um zu vermeiden, dass Energiesignale oder digitale Signale eines Kanals in den anderen Kanal als Rauschen übersprechen. In jedem Fall kann der Mikrocontroller 112 eine Überwachung zur Diagnose der Funktionalität der Energieversorgung durchführen, indem die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom, Hardwarebedingungen (z. B. Referenzspannung) überwacht werden und diese Diagnoseinformationen können durch einen diskreten optisch isolierten Ausgang zu einem diskreten Eingang der Steuerung 80 innerhalb des Gehäuses 86 kommuniziert werden. Die Bedingungen, die eine Ausgabe an die Steuerung 80 auslösen können, können die Erfassung von Unterspannung, Überspannung, Überstrom oder Hardwarefehlfunktionen usw. umfassen. Der Fehlerstatus kann darüber hinaus durch die Verwendung einer roten LED 118 angezeigt werden (eine die durch den Energieversorgungskanal zur Verfügung gestellt wird) gemäß NAMUR NE44. Das Design des Energieversorgungssystems ermöglicht auch die Bereitstellung eines diskreten Ausgangs unter Verwendung einer seriellen Schnittstelle an der Einrichtung 72 (nicht gezeigt). Dieses Merkmal kann in der Einrichtung 72 implementiert werden, um es einem Überwachungssystem zu ermöglichen, auf die detaillierten Diagnoseinformationen (z. B. gesamter Ausgangsstrom) der Einrichtung 72 zu jedem gewünschten Zeitpunkt zuzugreifen.
Die Kommunikation zwischen dem Mikrocontroller 112 und der Prozesssteuerung 80, die innerhalb desselben Gerätegehäuses 86 erfolgt, erlaubt es der Bussteuerung 80 auf der Grundlage der durch den Mikrocontroller 112 bereitgestellten Diagnoseinformationen besser zu arbeiten. Insbesondere kann die Bussteuerung 80 Diagnoseinformationen unmittelbar von der Energieversorgungsschaltung in demselben Gehäuse der Karte 72 empfangen, wodurch diese Informationen schneller empfangen werden und es möglich ist, sofort diese Informationen anzuwenden, um beispielsweise zu einer Backup-Bussteuerung zu schalten oder jede andere notwendige Aktion auf dem Bus 64 auf der Grundlage der Diagnoseinformationen des Mikrocontrollers 112 durchzuführen. Weiterhin kann die Steuerung 80 einen Anwender über Probleme informieren, beispielsweise über den Rückwandbus oder ein anderes Netzwerk über das ein Anwender mit der Steuerung 80 verbunden ist. Darüber hinaus kann die Bussteuerung 80 fortfahren zu arbeiten, sogar wenn die zugehörige Energieversorgung 82 eine Fehlfunktion aufweist, weil die Bussteuerung 80 von einer externen Quelle mit Energie versorgt wird, anstatt von der Energieversorgung 82 innerhalb des Gehäuses 86.
Wie in 6 gezeigt ist, kommuniziert die Bussteuerung 80 außerdem durch einen weiteren Isolationsschaltkreis 122 mit einer Spannungsmodus-Feldbusmedienanschlusseinheit oder Medienzugangseinheit Media Attachment Unit (MAU) 124, die eine Spannungsbetriebsdiagnose und andere Aktivitäten in Bezug auf Signale durchführt, die durch diese Steuerung 80 generiert oder von diesen gesendet wurden. Die MAU 124 realisiert im Wesentlichen die physikalische Schicht der Busprotokollkommunikationen. Wiederum ist die Spannungsmodus-MAU in demselben Gehäuse 86 wie die Bussteuerung 80 und die Energieversorgung 82 angeordnet und empfängt Energie (auf der 5 Volt-Leitung) von der Energieversorgung 82. Die Funktionalität der Spannungsmodus-MAU ist daher fest gebunden mit und abgestimmt auf den Betrieb der Steuerung 80 und der Energieversorgung 82 und die damit verbundene Diagnostik. In jedem Fall werden Signale, die zwischen der Steuerung 80 und dem Bus 64 fließen durch oder durch die Verwendung der Spannungsmodus-Feldbus-MAU 124 bereitgestellt.
Wesentlich ist, dass die Verwendung der Spannungsmodus-MAU 124 im Gegensatz zu einer Strommodus-MAU, welche derzeit in vielen H1-Steuerungskarten verwendet wird, die in der Einrichtung 72 absorbierte Energie reduziert, was der Einrichtung 72 eine ausreichende Wärmeabfuhr ermöglicht, so dass es möglich ist, alle der in 6 gezeigten Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse 86 anzuordnen. Insbesondere in einem Feldbussystem ist es möglich, eine Spannungsmodus-MAU zu verwenden mit einem mittleren Stromverbrauch von 12 mA, der unabhängig von der Feldbusspannung ist. Dieser Betrieb resultiert in einer Energieverteilung von bis zu 720 mW in den Feldbus MAUs bei einer Busspannung von 30 Volt. In diesem Fall kann eine Spannungsmodus-MAU, die mit einer einzelnen internen 5 Volt-Energieversorgung mit Energie versorgt wird, auf Standardkomponenten basieren. Weiterhin trifft eine solche diskrete MAU die FF-831-Feldbusspezifikation auf der Transmitterseite und übersteigt die spezifischen Jitter-Toleranzen auf der Empfängerseite mit einem herkömmlichen Faktor von 2 (6,4 ps anstatt 3,2 ps). In jedem Fall ist der übliche Energieverbrauch bis zu einem Drittel geringer als derjenige einer Strommodus-MAU. In Folge dessen reduziert die Verwendung einer Spannungsmodus-MAU die Verlustleistung in der Einrichtung 72 in einem Fall um ca. 400 mW. Diese Tatsache ermöglicht es gleichzeitig den Ausgangsstrom zu erhöhen und die Leistung zu verbessern. Die Verwendung einer Spannungsmodus-MAU kann außerdem den benötigten Leiterplattenplatz in dem Gehäuse 86 erheblich reduzieren.
Wie oben festgestellt wurde, kann der gesamte Schaltkreis, der sowohl mit der Bussteuerung 80 als auch der Energieversorgung 82 verbunden ist, einschließlich der Diagnostik und des Diagnose- und Überwachungsmikrocontrollers 112, des Strommessers 110, des Ausgangssteuerungsschalters 114, der Leistungsdiode 92 zur Redundanzkopplung und der LED 118 auf einer Leiterplatte innerhalb des Gehäuses 86 angeordnet oder mit dieser verbunden sein, während die Steuerung 80 und sofern gewünscht die Spannungsmodus-MAU 124 auf einer zweiten Leiterplatte in dem Gehäuse 86 der Einrichtung 72 angeordnet sein kann. Die Nähe der verschiedenen in dem gemeinsamen Gehäuse miteinander verbundenen Einrichtungen sorgt für eine schnellere Signalleitung zwischen der Energieversorgung und den Steuereinrichtungen ohne die Notwendigkeit externer Geräte-zu-Geräte-Verbindungen, die in dem System gemäß 2 benötigt werden, und stellt eine einzige Energiequelle bereit, die einer einzigen Steuerung zugeordnet ist, die es diesen beiden Geräten erlaubt, besser miteinander zu arbeiten wie wenn diese Geräte in getrennten Gehäusen oder in separaten Karten vorgesehen wären, die separat verbunden werden müssen, basierend auf verschiedenen von einem Anwender aufgebauten Konfigurationen. Weiterhin ist die Energieversorgungsdiagnose in derselben Einrichtung wie die Energieversorgung und die Bussteuerung angeordnet, wodurch die Diagnose näher an das Gerät selber gebunden wird. Weiterhin vermindert die Integration dieser drei Einheiten in einem einzigen Gehäuse und insbesondere in einem Gehäuse mit im Wesentlichen derselben Größe wie die Nur-Steuerungskarten 52 gemäß 2 die Schränke und den Platz, die mit den Netzwerkkonfigurationen gemäß dem Stand der Technik verbunden sind, da es sowohl die Anzahl der benötigten getrennten Hardwareeinrichtungen als auch die Anzahl der zum Aufbau eines E/A-Kommunikationsnetzwerks benötigten Anschlussleisten reduziert. Allgemein gesagt, wird die Karte 72 oder das Gehäuse 86 dieselbe Größe haben wie eine herkömmliche Steuerungskarte und wird in denselben Schrank wie eine herkömmliche Steuerungskarte geschoben werden. Insbesondere kann die Karte ungefähr 10,16 cm tief auf 15,24 cm hoch auf 3,81 cm breit sein.
Es wird verstanden werden, dass die Bussteuerung 80 als eine Schnittstelleneinrichtung zwischen einem ersten Netzwerkbus in Form des Feldsegmentbusses 64 und einem zweiten Netzwerkbus in Form des Rückwandbusses arbeitet, welcher eine Netzwerkverbindung mit der Prozesssteuerung 12 (1) errichtet. Folglich umfasst die Bussteuerung 80 eine erste Eingangs-/Ausgangsleitung zur Verbindung mit einem ersten Netzwerkbus (den Bus 64), um busbasierte Kommunikationssignale auf dem ersten Netzwerkbus 64 bereitzustellen und umfasst eine weitere Steuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung zur Verbindung mit einem zweiten Netzwerkbus (d. h. dem Rückwandbus verbunden mit der Prozesssteuerung 12). Zusätzlich umfasst, wie verstanden werden wird, die Einrichtung 72 eine erste physikalische Netzwerkschnittstelle, die in dem Gehäuse 86 angeordnet ist, die eine geeignete elektrische Verbindung zwischen der ersten Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung und dem Bus 64 bereitstellt. Die erste physikalische Netzwerkschnittstelle kann durch den Anschluss 88 und/oder der MAU 124 gebildet werden. Die Einrichtung 72 umfasst außerdem eine zweite physikalische Netzwerkschnittstelle, die in dem Gehäuse 86 angeordnet ist, die eine elektrische Verbindung zwischen der zweiten Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung und dem zweiten Netzwerkbus (z. B. dem Rückwandbus) bereitstellt. Wenn man diese Verbindungen und Schnittstellen verwendet, arbeitet die Bussteuerung 80 als eine Schnittstelleneinrichtung, um Signale von dem Rückwandbus zu dem Netzwerkbus 64 oder umgekehrt zu übertragen, wobei diese Signale in das richtige Kommunikationsprotokoll auf jedem der Netzwerkbusses verwandelt werden und andere benötigte Kommunikationsmaßnahmen ergriffen werden. Folglich bewirkt die Bussteuerung 80, dass Einrichtungen auf dem Bus 64 mit der Steuerung 12 und umgekehrt kommunizieren können.
7 zeigt ein verallgemeinertes Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 172, die mit einer Anschlussleiste 174 verbunden ist. In diesem Fall umfasst die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 172 eine Bussteuerung 180, die mit einem Bussteuerungsausgang 188 und einer Energieversorgung 182 verbunden ist, die mit einem Energieversorgungsausgang 190 über ein redundantes Schaltkreiselement (z. B. eine Diode) 192 verbunden ist. In diesem Fall ist jedoch auch eine Impedanzeinrichtung 198 in dem Gehäuse 186 der Einrichtung 172 vorgesehen und zwischen die Energieversorgung 182 und die Diode 192 geschaltet. Wie in 7 dargestellt ist, umfasst die Einfach-Anschlussleiste 174 eine Verkabelung, welche die am Ausgang 190 vorgesehene Energieversorgungsleitung unmittelbar mit der am Ausgang 188 vorgesehenen Bussteuerungsleitung verbindet, und verbindet beide Signale unmittelbar mit dem Netzwerkbus oder -segment 64.
Die Einfach-Anschlussleiste 174 kann außerdem ein durch einen Anwender auswählbares hochverlässliches Abschlussnetzwerk 100 umfassen, welches wahlweise mit dem Bus 64 verbunden werden kann, sofern dies gewünscht ist. Die Konfiguration gemäß 7, in der die Impedanzeinrichtung 198 in dem Gehäuse 186 der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 172 angeordnet ist, vereinfacht die Anschlussleiste 174 und macht die Verbindung der Einrichtung 172 mit dem Netzwerk 64 sehr einfach, da die Anschlussleiste 174 im Wesentlichen die zwei Ausgänge 188 und 190 miteinander und direkt mit dem Bus 64 verbindet. Tatsächlich könnte diese Konfiguration, sofern gewünscht, weiter vereinfacht werden, indem der Ausgang der Bussteuerung 180 mit dem Ausgang der Leistungsdiode 192 in dem Gehäuse 186 verbunden wird, so dass die integrierte Einrichtung 172 einen einzigen Ausgang sowohl mit einem Energiesignal als auch mit einem Steuerungssignal an der Anschlussleiste 174 bereitstellt. Dieser einzige Ausgang könnte dann über einen einzigen Eingang an der Anschlussleiste 174 mit dem Bus 64 und dem Abschlussnetzwerk 100 in der Anschlussleiste 174 verbunden werden, wodurch die Anschlussleiste 174 weiter vereinfacht wird. Natürlich kann die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 172 gemäß 7 die Diagnostik und andere in 6 dargestellte Elemente umfassen und die Steuerung 180, die Energieversorgung 182, die Diode 192 und die Impedanzeinrichtung 198 können den mit Bezug auf die 4 bis 6 entsprechenden Elementen entsprechen.
Während die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 172 und die Anschlussleiste 174 gemäß 7 gut in einer Einfach-Netzwerkkonfiguration funktionieren, kann die integrierte Einrichtung 172 auch in einer redundanten Konfiguration verbunden werden, wie in 8 gezeigt ist. Insbesondere umfasst die redundante Konfiguration der 8 zwei der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 172 (bezeichnet als Einrichtungen 172A und 172B) mit den gleichen Elementen wie die Einrichtung 172 gemäß 7. In diesem Fall verbindet eine redundante Anschlussleiste 174R die Energieversorgungsleitungen an den Ausgängen 190A und 190B der Einrichtungen 172A und 172B und verbindet die Bussteuerungssignalleitungen an den Ausgängen 188A und 188B der Einrichtungen 172A und 172B miteinander und unmittelbar mit dem Segment oder Bus 64. Zusätzlich umfasst die Anschlussleiste 174R ein durch einen Anwender auswählbares hochverlässliches Abschlussnetzwerk 100, welches wie gewünscht mit dem Bus oder Segment 64 verbunden werden kann.
Es wird als vorteilhaft angesehen eine passive Induktivität zu verwenden, beispielsweise eine 5 mH Induktivität, um die Busimpendanzeinrichtung 198 (der 7) zu implementieren und die Busimpedanzeinrichtungen 198A und 198B (der 8), da die Verlässlichkeit einer passiven Induktivität sehr viel höher ist im Vergleich zu der Verlässlichkeit eines durch einen Operationsverstärker kontrollierten Gyratorschaltkreises mit einem thermisch belasteten seriellen Transistor. Darüber hinaus kann es auch notwendig sein einen Überwachungsschaltkreis für jeden der zwei Gyratoren vorzusehen, wenn ein Gyratorschaltkreis in der parallelen redundanten Architektur der 8 verwendet wird. Ansonsten wird eine Kurzschlussfehlfunktion in einem Gyratorschaltkreis zu einem Verlust an Busimpedanz führen, auch wenn das System redundant ist. Die Verwendung eines passiven Induktivitätsnetzwerks für die Busimpedanzeinrichtung 198 beseitigt dieses Problem.
In jedem Fall wird der Bus 64 unter Verwendung einer Impedanzinduktivität mit Energie versorgt, solange die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 172 in einer Einfach-Konfiguration betrieben wird (wie in 7 gezeigt ist). In einer redundanten Konfiguration wie derjenigen der 8, wird der Bus 64 jedoch durch einen Schaltkreis mit zwei Impedanzinduktivitäten mit Energie versorgt, die parallel zueinander angeordnet sind. Insbesondere sind die Busimpedanzeinrichtungen 198A und 198B parallel zueinander angeordnet, weil die von den Einrichtungen 172A und 172B kommenden Energiesignalleitungen nach den Busimpedanzeinrichtungen 198A und 198B miteinander verbunden sind. In Folge dessen bilden die Impedanzeinrichtungen 198A und 198B, wenn sie als passive Impedanzschaltkreise ausgebildet sind, eine andere von den Energieversorgungen 182A und 182B ausgehenden Impedanz für das Bussegment 64, wenn sie in der redundanten Konfiguration gemäß 8 konfiguriert sind, als die Impedanz, die dem Segment 64 von einer einzelnen Energiequelle 182 gebildet wird, verbunden mit einer einzelnen Einrichtung 172, die in der Einfach-Konfiguration gemäß 7 konfiguriert ist. Insbesondere beinhaltet die Konfiguration der Einrichtung 172 gemäß 7 den Kompromiss, dass, wenn sie in einer redundanten Konfiguration verwendet wird, beide Busimpedanzinduktivitäten parallel arbeiten, wodurch die Businduktivität nur halb so groß wird, wie die in der Einfach-Konfiguration. Insbesondere wenn angenommen wird, dass die Impedanz der Einrichtungen 198A und 198B gleich groß sind, wird die von dem Netzwerk 64 in der redundanten Konfiguration gemäß 8 gesehene Impedanz nur halb so groß sein wie die von dem Netzwerk 64 in der Einfach-Konfiguration gemäß 7 gesehene Impedanz (wegen der parallelen Verbindung der Impedanzeinrichtungen in 8).
Um diese Impedanzdifferenz zu kompensieren oder zu korrigieren, kann die Impedanz der Einrichtung 198A veränderbar oder wechselbar sein (z. B. durch einen Schalter), damit die Impedanz, die von dem Netzwerk 64 gesehen wird, in der redundanten Konfiguration gemäß 8 und in der Einfach-Konfiguration gemäß 7 gleich ist. Auf der anderen Seite kann die Impedanz der Impedanzeinrichtungen 198A und 198B so gewählt werden, dass, obwohl die von dem Netzwerk 64 gesehene Impedanz für die redundante und die Einfach-Konfiguration unterschiedlich ist, die Werte der in beiden Fällen gesehenen Impedanzen ausreichend sind, um eine geeignete Filterung für die Energieversorgungen 182A und 182B vorzusehen, um angemessene Signalkonditionierungsmaßnahmen des Systems sowohl in der einfachen also auch in der redundanten Konfiguration bereitzustellen. Insbesondere kann es in einer Feldbusausführungsform zur Erfüllung der Erfordernisse der FF-831 Spezifikation im Einfach- wie auch im Redundanzbetrieb notwendig sein beim Auswählen der Werte der Busimpedanzinduktivität und der Werte des Abschluss 100 Kompromisse einzugehen. Insbesondere kann es notwendig sein die Stromversorgungsinduktivität der Einrichtung 198 auf Werte größer als 5 mH (z. B. 6 bis 7 mH) zu erhöhen, um sicherzustellen, dass in einer redundanten Konfiguration der resultierende Induktivitätswert immer noch in einem akzeptablen Bereich von 3 bis 3,5 mH ist. Um die Signalqualität weiter anzupassen, kann es wünschenswert sein, den Abschlusswiderstand oder die Kapazität in der Abschlusseinrichtung 100 in einer redundanten Konfiguration zu erhöhen, um den Mangel einer wohldefinierten 5 mH Busimpedanz zu kompensieren. Dieses Verfahren erfordert es jedoch in der Regel, dass die Abschlusseinrichtung 100 in der Anschlussleiste 174R fixiert ist, weil die Zulassung der Verwendung einer externen Abschlusseinrichtung 100 durch einen Anwender den Wert der Abschlussimpedanz der Kontrolle des Zulieferers entziehen würde. In jedem Fall führt die Anforderung, dass die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 172 zur Verwendung sowohl in der Einfach-Konfiguration als auch in der redundanten Konfiguration geeignet sein soll zu einem Kompromiss bezüglich der Busimpedanz und der resultierenden Signalqualität.
9 zeigt ein weiteres unterschiedliches Ausführungsbeispiel einer integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 272, die eine Impedanzanpassung für die Energieversorgungen sowohl in der Einfach- als auch in der redundanten Konfiguration berücksichtigt. Wie in 9 gezeigt ist, ist die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 272 mit einer Einfach-Anschlussleiste 274 verbunden. Die Einrichtung 272 umfasst eine Bussteuerung 214, die am Ausgang 288 der Einrichtung 272 verbunden ist und eine Energieversorgung 282, die durch eine Leistungsdiode 292 mit einem Energieversorgungsausgang 290 der Einrichtung 272 verbunden ist. Darüber hinaus ist eine Impedanzeinrichtung 298, die beispielsweise ein passives induktives Hilfsnetzwerk sein kann, in der Einrichtung 272 angeordnet, die zwei Anschlüsse aufweist, die mit Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 300, 301 in dem Gehäuse 286 der Einrichtung 272 angeordnet sind. Wie in 9 dargestellt, ist der Ausgang 290 der Energieversorgung 282 in der Einrichtung 272 in der Einfach-Konfiguration unmittelbar wieder mit dem Eingangsanschluss 300 verbunden und ist daher mit dem Eingang der Impedanzeinrichtung 298 durch Verbindungen in der Anschlussleiste 274 verbunden. Gleichermaßen ist der Ausgang der Impedanzeinrichtung 298 in dieser Einfach-Konfiguration durch den Ausgangsanschluss 301 der Einrichtung 272 unmittelbar mit dem Bussegment 64 über Verbindungen in der Anschlussleiste 274 verbunden. In diesem Fall kann die Anschlussleiste 274 wiederum außerdem ein durch einen Anwender auswählbares hochverlässliches Abschlussnetzwerk 100 umfassen. In der Konfiguration gemäß 9 ist die Impedanzeinrichtung 298 in dem Gehäuse 286 der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung 272 angeordnet, wodurch die Verbindung und die Verwendung der Anschlussleiste 274 leicht zu konfigurieren ist und wodurch die Anschlussleiste 274 minimale Komponenten aufweist. Natürlich kann die integrierte Bussteuerung und Energieversorgungseinrichtung 272 gemäß 9 die Diagnostik und andere in 6 dargestellte Elemente aufweisen, und die Steuerung 280, die Energieversorgung 282, die Diode 292 und die Impedanzeinrichtung 298 können den mit Bezug auf die 4 bis 6 beschriebenen Elementen entsprechen.
In einer in 10 gezeigten redundanten Konfiguration sind zwei der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 272A und 272B mit einer anderen Anschlussleiste 274R verbunden, die anders als die Anschlussleiste 274 gemäß 9 ausgebildet ist. Die Elemente der Einrichtungen 272A und 272B entsprechen denen der Einrichtung 272 gemäß 9, sind jedoch mit einem A oder einem B als Kennzeichnung versehen. Wichtig ist, dass die Anschlussleiste 274R eine einzige Impedanzeinrichtung 298R umfasst, die den Impedanzeinrichtungen 298A und 298B in den Einrichtungen 272A und 272B entsprechen kann. In dieser redundanten Konfiguration bleiben die Impedanzeinrichtungen 298A und 298B in den Einrichtungen 272A und 272B unbenutzt und stattdessen werden die Ausgänge der Energieversorgungen 282A und 282B zusammen mit einem Eingang der Impedanzeinrichtung 298R in der Anschlussleiste 274R verbunden. In diesem Fall sieht das Netzwerk 64 dieselbe Impedanz sowohl in der Einfach-Konfiguration gemäß 9 als auch in der redundanten Konfiguration gemäß 7, weil die Energieversorgungen 282A und 282B durch eine einzige Impedanzeinrichtung (anstatt parallel miteinander verbundener Impedanzeinrichtungen wie in 9) mit dem Netzwerk 64 verbunden sind. Natürlich kann die redundante Anschlussleiste 274R der 10 ein durch einen Anwender auswählbares hochverlässliches Abschlussnetzwerk 100 umfassen, welches wahlweise mit dem Bus 64 verbunden sein kann. Obwohl in der einfachen und der redundanten Situation unterschiedliche Anschlussleisten 274 und 274R vorgesehen sind, gewährleisten die Konfigurationen der 9 und 10 die gleiche Impedanz in beiden Situationen, wodurch folglich eine verlässlichere und optimalere Betriebsweise der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 272A und 272B bezüglich der Bereitstellung von Energie auf dem Bus oder Netzwerk 64 sichergestellt ist.
Die 11A bis 11C zeigen drei verschiedene Arten, in der die Busabschlusseinrichtung 100 vorgesehen sein kann in oder verwendet werden kann in jeder der Konfigurationen der 4 bis 10. Insbesondere zeigen die 11A bis 11C drei verschiedene Konzepte, die verfügbar sind, um eine durch einen Anwender auswählbare Busabschlusseinrichtung 100 für das Bussegment 64 zu implementieren. 11A zeigt die Verwendung von einer Zweianschlusseinschraubverbindung oder Brücke 400, die zwischen oder über zwei Anschlüsse an die Anschlussleiste 74 geschaltet ist. In diesem Fall können zwei nicht verwendete Anschlüsse für jeden Kanal an der Anschlussleiste 74 dazu verwendet werden, ein eingebautes Abschlussnetzwerk 100 (nicht gezeigt in 11A) zu aktivieren, und diese Aktivierung kann dazu eingesetzt werden, durch die Verwendung der externen Brücke 400 die eingebaute Abschlusseinrichtung 100 mit dem Bus 64 zu verbinden. Die Verwendung der Brücke 400 macht den Einsatz des hochverlässlichen Abschlussnetzwerks 100 klar sichtbar. Sofern gewünscht, kann die Verbindung oder Brücke 400 als Standard installiert werden und kann entfernt werden, wenn vom Anwender gefordert. In diesem Fall kann die Anschlussleiste 74 ausschließlich hochverlässliche passive Komponenten umfassen.
11B zeigt die Verwendung eines eingeschraubten, umspritzten externen Anschlusses 402 als Abschlusseinrichtung 100. In diesem Fall ist der Abschlussschaltkreis der Anschlusseinrichtung 100 in dem externen Abschluss 402 angeordnet und ist unmittelbar mit dem Bus 64 über Anschlussklemmen mit der Anschlussleiste 74 verbunden. Das Bussegment hat vier Anschlüsse (zwei (+) Anschlüsse und zwei (-) Anschlüsse) auf der Anschlussleiste 74 und die Anschlusseinrichtung 402 (die im Allgemeinen nur passive Komponenten umfasst, wie beispielsweise Widerstände und Kapazitäten) kann eine Anschlusseinrichtung für zwei separate Kanäle realisieren. Der viergabelige Abschluss 402 kann mit nicht verwendeten Anschlüssen verbunden sein, wenn die integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungskarte am Anfang des Übertragungsweges installiert ist, wobei zwei der Schraubanschlüsse der Anschlussleiste 74 unbenutzt bleiben. In diesem Fall ist die externe installierte Abschlusseinrichtung 402 hochverlässlich und klar erkennbar.
11C zeigt den Fall, bei dem ein Drehschalter (der Auslösemechanismus, der nur gezeigt wird) an oder in der Anschlussleiste 74 angeordnet ist und zur Verwendung einer internen Abschlusseinrichtung 100 (nicht in 11C gezeigt) mit dem Bus 64 verwendet wird. Die Aktivierung des Drehschalters 404 kann zur Verbindung oder Abkopplung der internen Abschlusseinrichtung 100 zu oder von dem Bus 64 verwendet werden. Diese Variante ist weniger sichtbar und daher weniger verlässlich, insbesondere wenn die Verwendung der Anschlussleiste 74 G3-Konformität erfordert (d. h. Betrieb in hochkorrosiven Umgebungen).
Es wurde festgestellt, dass die hierin beschriebenen Designs der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungen so umgesetzt werden können, dass sie die typischen Designerfordernisse für busbetriebene Netzwerke, wie beispielsweise Feldbus H1-Netzwerke erfüllen, während gleichzeitig eine Wärmeabfuhrlast innerhalb der Toleranzen einer herkömmlichen Nur-Steuerungseinrichtung erreicht wird (z. B. eine herkömmliche H1-nur-Steuerungskarte). Darüber hinaus können diese Designs sowohl für die Einfachals auch für die redundante Konfiguration ohne Beeinträchtigung der Signalqualität, Robustheit und Wärmebelastung bekannter Einrichtungen für diese Netzwerke hergestellt werden. Tatsächlich ermöglicht es die geringere Verlustleistung dieser Einrichtungen die Packungsdichte innerhalb von Steuerungsraumgehäusen zu erhöhen, und das kompakte Design spart folglich Steuerungsplatz. Weiterhin gewährleistet die Verwendung von passiven Leistungsreglereinheiten (z. B. passive Induktivitätsnetzwerke für die Einrichtungen 98, 198 und 298) eine hohe Standzeit und stellt das beste Feldbussignal für verlässliche Datenübertragung sicher. Weiterhin können diese Designs in ein Feldbusdesign umgesetzt werden, basierend auf und unter Verwendung von den elektrischen Designs von existierenden H1-Nur-Bussteuerungskarten, ohne dass Änderungen oder Modifikationen der Firmware dieser Einrichtungen notwendig sind.
Weiterhin können bei einer Feldbusimplementierung die Designs gemacht werden, ohne dass eine erhebliche Änderung in der Größe des Einrichtungsgehäuses gegenüber demjenigen herkömmlicher H1-Nur-Bussteuerungskarten verursacht wird, weil die Hinzufügung der Energieversorgung ohne eine eine Änderung der Gehäusegröße erfordernde Steigerung des Energieverbrauchs in der kombinierten Vorrichtung gemacht werden kann. Folglich können die hierin beschriebenen integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen 72, 172 und 272 in einem Feldbusnetzwerk implementiert werden in einem Gehäuse der Größe von ca. 10,16 cm auf 15,24 cm auf 3,81 cm.
Die Verlustleistung, die durch eine herkömmliche existierende Feldbus H1-Nur-Bussteuerungskarte erzeugt wird, beträgt 3 Watt. Diese Leistung wird voll in dem Gehäuse der vorliegenden oder herkömmlichen Feldbus H1-Nur-Bussteuerungskarten abgeleitet. Weiterhin wird die bestehende MAU durch den H1-Bus mit Energie versorgt und der Durchschnittsstrom in der MAU beträgt 12 mA. Diese Leistung wird ebenfalls vollständig in dem H1-Nur-Bussteuerungskartengehäuse abgeleitet und die Gesamtverlustleistung, welche durch die MAUs verursacht wird, wird als Voltage on Fieldbus VFB * 2 * 12 mA (z. B. 672 mW bei 28 V) berechnet. In diesem Fall ist die maximale erlaubte Gesamtverlustleistung in dem Feldbus H1-Bussteuerungskartengehäuse 7,5 W bei 70° C Umgebungstemperatur. Dieses Wärmeabfuhrdesignkriterium kann mit den neuen hierin beschriebenen Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen erfüllt werden. Weiterhin stellen die bestehenden Implementierungen der Feldbus H1-Nur-Bussteuerungskarte einen diskreten Eingang pro Segment bereit, und diese Eingänge können bei dem hierin beschriebenen neuen integrierten Design verwendet werden, um Fehlfunktionen der Energieversorgung anzuzeigen.
Zusätzlich zu Verlustleistung und Signalqualität ist der Schaltkreisplatz ein wichtiger Gesichtspunkt beim Entwerfen der hierin beschriebenen Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtungen. Es wird angenommen, dass eine maximale Verlustleistung von 7,5 W in einem herkömmlichen Feldbus H1-Bussteuerungskartengehäuse zu einem Temperaturanstieg von 70° C auf 85° C innerhalb des Kartengehäuses führt. Weiterhin wird angenommen, dass der Bussteuerungsschaltkreis eine mittlere Verlustleistung von ca. 3 W (12 V * 250 mA) aufweist. Jede der zwei integrierten Feldbus MAUs der Bussteuerungskarte zieht einen Strom von 12 mA aus dem Feldbusnetzwerk, was in einer zusätzlichen Verlustleistung in dem Kartengehäuse von 0,672 W bei 28 V oder 0,72 W bei 30 V Feldbusspannung für beide Feldbus MAUs resultiert. Folglich kann die maximale Verlustleistung für jede der beiden integrierten Feldbusenergieversorgungen so hoch sein wie 1,914 W, erzeugend eine Ausgangsspannung von 28 V oder 1,89 W erzeugend eine Ausgangsspannung von 30 V. Folglich erzeugt der hierin vorgeschlagene gemeinsame Energieregelungsimpedanzaufbau eine Ausgangsspannung von 28 bis 30 V bei einem maximalen Ausgangsstrom von 450 mA, resultierend in einer minimalen Leistung von 12,6 W, die dem Feldbussegment zugeführt wird. Die maximale resultierende Verlustleistung in dem integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungskartengehäuse wird ca. 7,18 W betragen, wobei 2 * 1,93 W für die Feldbusenergieversorgungen einschließlich der Diagnostik verwendet wird, 2 * 0,16 W wird für die Spannungsbetrieb MAUs verwendet und 3 W wird für den Bussteuerungsschaltkreis verwendet. Dies lässt einen Spielraum von ca. 320 mW bis zur maximalen erlaubten Verlustleistung von 7,5 W innerhalb des Kartengehäuses. Die maximale Verlustleistung in der Anschlussleiste wird ca. 0,53 W (2 * 1,3 Ohm * 450 mA²) betragen. Die Ausgangsspannung der Energieversorgung ist sicher auf 32 V begrenzt entsprechend dem IEC60079-15 Standard und dem IEC60079-11 Standard. Diese Grenze kann durch die Anwendung von Sicherheitsfaktoren auf die Spannungsbegrenzungskomponenten erreicht werden und durch Anwendung der geeigneten Entfernungen in dem Layout. Dieser Aufbau erlaubt auch die Verwendung der integrierten Steuerungs- und Energieversorgungskarte in Verbindung mit bewährten Segmentschutzeinrichtungen für Ex ic oder Ex nL bewertete Anwendungen.
Die Energieversorgungseffizienz einer herkömmlichen Energieversorgung für ein Feldbusnetzwerk beträgt üblicherweise 90% bei Raumtemperatur und 24 V Eingangsspannung. Die Effizienz beträgt im schlimmsten Fall ca. 87,5% über dem spezifizierten Eingangsspannungsbereich zwischen 19,2 und 35 Volt und Temperaturbereich zwischen -40° C und 70° C. Wenn die Leistungskonditionierungsinduktivität in dem integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungskartengehäuse eingebaut ist, muss die Verlustleistung der Leistungskonditionierungsinduktivitäten bei der Berechnung der Kartenverlustleistung berücksichtigt werden. Dies ist nicht der Fall, wenn die Leistungskonditionierungsinduktivitäten in der Anschlussleiste eingebaut sind.

In dem Fall, dass die Leistungskonditionierungsinduktivitäten in dem Gehäuse angeordnet sind, beträgt der Serienwiderstand der Leistungskonditionierungsinduktivität typischerweise 1 Ohm (± 30% über der Temperatur), abhängig von der Größe der Konditionierungsspule. Die untenstehende Tabelle 1 zeigt einige Beispiele für Eingangsspannungs-/Strompaare, die angemessen sind für die integrierte Bussteuerung und Energieversorgung. Die dargestellten Verluste sind Verluste innerhalb des integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungsgehäuses. Tabelle 1

Induktivität in Anschlussleiste?	Nein	Ja	Nein	Ja
Ausgangsspannung	26 - 28 V	26 - 28 V	28 - 30 V	28 - 30 V
Ausgangsstrom	420 mA	450 mA*	400 mA	445 mA
Schlimmstfall Energieversorgungsverluste	1,68 W	1,80 W	1,71 W	1,91 W
Schlimmstfall Energieregelungsverluste	0,23 W	0,00 W	0,21 W	0,00 W
Schlimmstfall Gesamtverluste pro Versorgung	1,91 W	1,80 W	1,92 W	1,91 W
* Der maximale Ausgangsstrom ist durch die Größe der Konditionierungsinduktivität begrenzt.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist es möglich, eine ausreichende Wärmeableitung in dem Gehäuse bereitzustellen, wenn die Leistungskonditionierungsinduktivität (z. B. die Impedanzeinrichtung 98) in dem Gehäuse der Karte 72 vorgesehen ist.
Wie oben erläutert wurde, gibt es zwei allgemeine Konzepte zur Erzeugung einer geeigneten Feldbusimpedanz in einer Energieversorgung, um die DC-Spannung von dem AC-Bussignal zu entkoppeln, einschließlich der Verwendung eines aktiven Gyratorschaltkreises und der Verwendung einer passiven 5 mH Impedanzinduktivität. Der aktive Gyratorschaltkreis benötigt einen typischen Spannungsabfall von ca. 2,5 V, um eine akzeptable Busimpedanz bereitzustellen, sogar wenn nur ein Abschluss 100 auf dem Bus aktiv ist. Höchstwahrscheinlich benötigen Standardschaltkreise einen noch größeren Spannungsabfall, insbesondere bei höherem Strombedarf. Diese Tatsache führt zu einem typischen Leistungsverlust von 1 W (2,5 V * 400 mA) für den aktiven Gyratorschaltkreis verglichen mit einer wesentlich kleineren Verlustleistung in der passiven 5 mH Induktivität von typischerweise 0,16 W (1 Ohm * 400 mA²).
Darüber hinaus spart eine gemeinsame Busimpedanzkonfiguration eine Induktivität (und Induktivitäten stellen einen erheblichen Beitrag zu den Kosten dar). Die Signalqualität sowohl der gemeinsamen als auch der parallelen Busimpedanz ist gut, so dass die Verfügbarkeit der Energie in beiden passiven Konfigurationen hoch ist. Die Verwendung einer gemeinsamen Busimpedanzinduktivität mit redundanten Lötverbindungen stellt dieselbe Verfügbarkeit bereit wie die Verwendung von redundanten Induktivitäten, die mit hohen Impedanzfehlfunktionen des Leistungskonditionierers verbunden sind. Jedoch wird ein Kurzschluss zwischen Wicklungen in einer Induktivität immer eine Unterbrechung der Buskommunikation verursachen, weil die resultierende Impedanz Null ist, wenn eine Induktivität in einer parallelen Busimpedanzkonfiguration kurzgeschlossen wird. Die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses zwischen Wicklungen oder der mechanische Bruch eines Induktivitätskerns ist nur halb so groß, wenn eine gemeinsame Busimpedanzkonfiguration im Gegensatz zur Verwendung einer parallelen Busimpedanzkonfiguration verwendet wird.
Die Installation der Leistungskonditionierungsinduktivität in der Anschlussleiste reduziert zusätzlich die Verlustleistung in der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungskarte, wodurch eine höhere Ausgangsleistung oder ein reduzierter Temperaturanstieg innerhalb des Gehäuses ermöglicht wird, und wodurch eine höhere Verfügbarkeit bereitgestellt wird. Im Ergebnis kann es das Beste sein, eine gemeinsame Induktivität in der Anschlussleiste zu verwenden, wenn hierzu Platz in der Anschlussleiste vorhanden ist. Sofern es aus irgendeinem Grund möglich ist, die Induktivität innerhalb der Anschlussleiste anzuordnen, kann es notwendig sein, die Impedanz derart zu steuern, dass die Feldbusimpedanz unbeeinflusst von der Redundanzkonfiguration bleibt. Diese Konfiguration kann durch aktives Schalten zwischen den Induktivitäten in den redundanten Energieversorgungen oder durch die Verwendung von Oder-Elementen in den Energieversorgungen zur Steuerung der Impedanz, erreicht werden.
Wie oben ausgeführt wurde, verwendet der vorgeschlagene Aufbau der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungskarte galvanisch getrennte Energieversorgungen, die regulierte Ausgangsspannungen von üblicherweise 30 V erzeugen, um die Feldbussegmente mit Energie zu versorgen, und 5 V, um die internen Schaltkreise und den Spannungsmodus-Feldbus-MAU mit Energie zu versorgen. Wie oben weiterhin festgestellt wurde, wird die Überwachung der Feldbusenergie durch einen sekundärseitigen Mikrocontroller in dem Gehäuse durchgeführt. Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Hardwarestatus werden kontinuierlich überwacht und jeder Fehlerzustand wird der Bussteuerung über einen galvanisch getrennten diskreten Ausgang (oder einer optionalen seriellen Verbindung zur Übertragung detaillierterer Diagnoseinformationen) angezeigt. Eine rote LED für jedes Segment zeigt einem Anwender zusätzlich den Status jeder Feldbusenergieversorgung an. Weiterhin wird das Feldbussignal unter Verwendung einer Spannungsmodus-MAU verarbeitet, die, wie oben festgestellt wurde, die Verlustleistung in dem integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungskartengehäuse im Vergleich zu einer herkömmlichen Strommodus-MAU reduziert. Die Spannungsmodus-MAU verbessert auch die Jittertoleranz. Folglich ermöglicht diese Konfiguration ein Ansteigen der Ausgangsleistung der Feldbusenergieversorgungen.
Es kann, sofern gewünscht, eine erweiterte Diagnostikfunktionseinrichtung, wie beispielsweise ein Pepperl+Fuchs erweitertes Diagnosemodul Advanced Diagnostic Module (ADM) für FOUNDATION^®-Feldbus als ein eigenständiges Modul verwendet werden, welches mit einem energiebetriebenen Feldbusnetzwerk verkabelt sein kann. In diesem Fall kann ein Satz Anschlüsse in der integrierten Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung vorgesehen sein, um eine Verbindung des ADM unmittelbar in die integrierte Karte zu ermöglichen. Diese Verwendung könnte entweder als ein diskreter Eingang bereitgestellt werden, der den Alarmstatus des ADM kommuniziert oder als eine Verbindung mit dem seriellen Kommunikationsanschluss der integrierten Karte.
Obwohl der vorangegangene Text eine detaillierte Beschreibung von vielen verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung bereitstellt, sollte klar sein, dass der Schutzbereich der Erfindung durch die Worte der Ansprüche definiert ist, die am Ende dieses Patents aufgeführt sind. Die detaillierte Beschreibung wird nur als beispielhaft angesehen und beschreibt nicht jede mögliche Ausführungsform der Erfindung, weil das Beschreiben jeder möglichen Ausführungsform unpraktisch wäre, wenn nicht unmöglich. Vielfältige alternative Ausführungsbeispiele könnten implementiert werden, entweder unter Verwendung von derzeitiger Technologie, oder von Technologie, die nach dem Anmeldetag dieses Patents entwickelt wird, was immer noch in den Schutzbereich der Ansprüche fallen würde, welche die Erfindung definieren. Auch wenn die hierin beschriebene integrierte Bussteuerungs- und Energieversorgungseinrichtung für die bestimmte Ausführung mit einem Feldbus H1-Netzwerk beschrieben wurde, könnte sie folglich beispielsweise mit anderen busbasierten E/A-Kommunikationsnetzwerken verwendet werden, die die Energieversorgung über einen Bus einschließen oder bereitstellen einschließlich beispielsweise ASI und DeviceNet-Netzwerke.
Folglich können viele Modifikationen und Variationen in die hierin beschriebenen und dargestellten Techniken und Strukturen gemacht werden, ohne vom Sinngehalt und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Entsprechend sollte verstanden werden, dass die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen nur beispielhaft und nicht beschränkend hinsichtlich des Schutzumfangs der Erfindung wirken.

Claims

Ein Kommunikationsnetzwerksteuerungssystem zur Verwendung für das Bereitstellen eines Bussteuerungssignals und eines Energiesignals auf einem Bus (64) eines Kommunikationsnetzwerks, umfassend: eine Anschlussleiste (74R, 174R, 274R), umfassend einen oder mehrere Eingänge und umfassend einen Ausgang (94, 194, 294) zur Verbindung mit dem Bus (64) des Kommunikationsnetzwerks; eine erste Bussteuerungseinrichtung umfassend: ein erstes Gehäuse (86A, 186A, 286A); eine erste in dem ersten Gehäuse (86A, 186A, 286A) angeordnete Bussteuerung (80A, 180A, 280A), wobei die erste Bussteuerung (80A, 180A, 280A) eine erste Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88A, 188A, 288A) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um busbasierte Kommunikationssignale auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen; und eine erste Anschlussleiste (74R, 174R, 274R), die in dem ersten Gehäuse (86A, 186A, 286A) angeordnet ist, wobei die erste Busenergieversorgung (82A, 182A, 282A) ein erstes Energiesignal für den Bus (64) erzeugt und einen ersten Busenergieversorgungsausgang (90A, 190A, 290A) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um das erste Energiesignal auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen; und eine zweite Bussteuerungseinrichtung umfassend: ein zweites Gehäuse (86B, 186B, 286B); eine in dem zweiten Gehäuse (86B, 186B, 286B) angeordnete zweite Bussteuerung (80B, 180B, 280B), wobei die zweite Bussteuerung (80B, 180B, 280B) eine zweite Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88B, 188B, 288B) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um busbasierte Kommunikationssignale auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen; und eine zweite Busenergieversorgung (82B, 182B, 282B) die in dem zweiten Gehäuse (86B, 186B, 286B) angeordnet ist, wobei die zweite Busenergieversorgung (82B, 182B, 282B) ein zweites Energiesignal für den Bus (64) erzeugt und einen zweiten Busenergieversorgungsausgang (90B, 190B, 290B) zur Verbindung mit einem der Eingänge der Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) umfasst, um das zweite Energiesignal auf dem Bus (64) über die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) bereitzustellen; wobei die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) die erste Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88A, 188A, 288A) und die zweite Bussteuerungs-Eingangs-/Ausgangsleitung (88B, 188B, 288B) mit dem Bus (64) elektrisch koppelt und den ersten Busenergieversorgungsausgang (90A, 190A, 290A) und den zweiten Busenergieversorgungsausgang (90B, 190B, 290B) mit dem Bus elektrisch koppelt.
Kommunikationsnetzwerksteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Anschlussleiste eine Busimpedanzeinrichtung (98) mit einem Eingang und einem Ausgang umfasst, und wobei der erste und der zweite Busenergieversorgungsausgang (90B, 190B, 290B) mit dem Eingang der Busimpedanzeinrichtung (98) gekoppelt ist und der Ausgang der Busimpedanzeinrichtung (98) mit dem Bus (64) verbunden ist, wobei die Busimpedanzeinrichtung (98) vorzugsweise ein passives Induktivitätsnetzwerk umfasst.
Kommunikationsnetzwerksteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Bussteuerungseinrichtung eine erste Busimpedanzeinrichtung (198A) umfasst, die zwischen den ersten Busenergieversorgungsausgang (190A) und einen der Eingänge der Anschlussleiste (174R) geschaltet ist, um das erste Energiesignal zu konditionieren, wobei die zweite Bussteuerungseinrichtung eine zweite Busimpedanzeinrichtung (198B) umfasst, die zwischen den zweiten Busenergieversorgungsausgang (190B) und einen der Eingänge der Anschlussleiste (174R) zur Konditionierung des zweiten Energiesignals geschaltet ist und wobei die Anschlussleiste (174R) das konditionierte erste und zweite Energiesignal zusammen mit dem Bus (64) verbindet.
Kommunikationsnetzwerksteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Bussteuerungseinrichtung eine erste Busimpedanzeinrichtung (298A) umfasst, zur Kopplung zwischen dem ersten Busenergieversorgungsausgang (290A) und einem der Eingänge der Anschlussleiste (274R) über eine erste externe elektrische Verbindung zur Konditionierung des ersten Energiesignals, wobei die zweite Bussteuerungseinrichtung eine zweite Busimpedanzeinrichtung (298B) umfasst, zur Kopplung zwischen dem zweiten Busenergieversorgungsausgang (290B) und einem der Eingänge der Anschlussleiste (274R) über eine zweite externe elektrische Verbindung zur Konditionierung des zweiten Energiesignals, und wobei die Anschlussleiste (274R) eine dritte Busimpedanzeinrichtung (298R) aufweist, zur Verbindung mit der ersten Busenergieversorgung (282A) und der zweiten Busenergieversorgung (282B), ohne dass die erste Busenergieversorgung (282A) durch die erste Busimpedanzeinrichtung (298A) konditioniert ist und ohne dass die zweite Busenergieversorgung (282B) durch die zweite Busimpedanzeinrichtung (298B) konditioniert ist.
Kommunikationsnetzwerksteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Anschlussleiste (74R, 174R, 274R) eine Busabschlusseinrichtung (100) zur Impedanzanpassung an den Bus aufweist.