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Die Erfindung betrifft ein Automatisierungssystem mit einer Endgerätesteuerung zur Ansteuerung eines elektrischen Endgeräts sowie mit einem elektrischen Endgerät, insbesondere einer Sensoranordnung, das über eine elektrische Leitungsanordnung mit der Endgerätesteuerung verbunden ist, wobei das Endgerät eine Schutzeinrichtung umfasst, die zur Blockierung von elektromagnetischen Störungen innerhalb eines vorgebbaren Störungsspektrums ausgebildet ist.
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Aus der
DE 100 22 869 A1 ist ein Sensorelement auf GMR-Basis mit integrierter Signalvorverstärkung bekannt, das mit einer Auswerteschaltung über eine Versorgungs- und Signalleitung verbunden und das ein Steckerendgehäuse umfasst, in dem sich eine Ausgangsstufe befindet, die neben einer Signalverstärkung und Aufbereitung eine Kippstufe mit vergrößertem Spannungshub, ein Netzteil, einen Kurzschlussschutz, ein Verpolschutzelement, einen EMV-Schutz und eine Leistungsendstufe enthält.
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Die
EP 1 689 056 A1 offenbart ein Überspannungsschutzgerät für Antennenanlagen, mit einem Gehäuse, mit mehreren in dem Gehäuse angeordneten Überspannungsschutzelementen und mit mehreren, der Anzahl der Überspannungsschutzelemente entsprechenden Eingängen und Ausgängen, wobei jeweils ein Überspannungsschutzelement zwischen einem Eingang und einem Ausgang angeordnet ist, so dass ein an die Ausgänge angeschlossenes elektronisches Gerät vor Überspannungen geschützt ist.
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Aus der
US 4,862,311 ist ein Überspannungsschutz für den Einsatz an einem Datenkabel bekannt. Der Überspannungsschutz ist zwischen das Datenkabel und das Gerät, an das das Daten-Kabel für gewöhnlich angeschlossen ist, elektrisch eingeschleift. Das Gerät weist eine Chassis-Masse auf. Der Überspannungsschutz enthält erste und zweite Anschlüsse, die für den Anschluss an das Gerät und das Daten-Kabel ausgebildet sind sowie eine Schutzschaltung und ein Erdpotential. Eine Schutzschaltung ist zwischen dem Datenkabelanschluss und dem Geräteanschluss ausgebildet und mit dem Erdpotential verbunden. Das Erdpotential steht in elektrischer Verbindung mit dem leitfähigen Gehäuse des Gerätesteckers. Der Überspannungsschutz ist so ausgelegt, dass das Erdpotential in elektrische Verbindung mit der Chassis-Masse gebracht wird, wenn der Überspannungsschutz zwischen das Datenkabel und das Gerät eingeschleift wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Automatisierungssystem bereitzustellen, das in einfacher Weise an unterschiedliche Einsatzbedingungen im Hinblick auf das Auftreten verschiedener elektromagnetischer Störimpulse angepasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird für ein Automatisierungssystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Schutzmodul in die elektrische Leitungsanordnung zwischen die Endgerätesteuerung und das Endgerät elektrisch eingeschleift ist, das eine Schutzschaltung umfasst, in der wenigstens zwei Leitungspfade der elektrischen Leitungsanordnung mittels eines Schutzelements gekoppelt sind, um elektromagnetische Störungen, die außer halb des vorgebbaren Störungsspektrums liegen, vor einer Weiterleitung an das elektrische Endgerät zu blockieren.
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Bei der Endgerätesteuerung kann es sich beispielsweise um eine speicherprogrammierbare Steuerung oder um einen Feldbusteilnehmer, der über ein Feldbussystem mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung im Datenaustausch steht, oder um ein Messgerät handeln. Die Endgerätesteuerung dient zur Bereitstellung von elektrischer Energie an ein Endgerät, das beispielsweise einen Sensor umfassen kann, der seinerseits ein von einer gemessenen physikalischen Größe abhängiges Signal an die Endgerätesteuerung bereitstellt und damit eine Messwertermittlung in der Endgerätesteuerung ermöglicht.
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Die Aufgabe des Schutzmoduls besteht somit darin, bei bestimmten Einsatzbedingungen für das Automatisierungssystem einen zusätzlichen Schutz für das oder die mit der Endgerätesteuerung verbundenen Endgeräte zu bieten. Der zusätzliche Schutz gegenüber elektromagnetischen Störungen basiert darauf, dass im Endgerät bereits Schutzmaßnahmen für elektromagnetische Störungen getroffen sind, die aufgrund der Auslegung dieser Schutzmaßnahmen jedoch nur innerhalb des vorgebbaren Störungsspektrums wirksam sind. Um die Schutzmaßnahmen im Endgerät zu ergänzen, ist im Schutzmodul eine Schutzschaltung ausgebildet, bei der wenigstens zwei Leitungspfade der elektrischen Leitungsanordnung mittels eines Schutzelements gekoppelt sind. Je nach Ausgestaltung der Schutzschaltung kann diese auch unterschiedliche Schutzelemente zwischen gleichen Leitungspfaden und/oder gleiche oder verschiedene Schutzelemente zwischen unterschiedlichen Leitungspfaden umfassen.
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Die Schutzschaltung, also die Kombination von Schutzelementen, die an den wenigstens zwei Leitungspfaden der Leitungsanordnung angeordnet sind, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die im Endgerät bereits bestehenden Schutzmaßnahmen ergänzt. Diese Ergänzung kann beispielsweise nur punktuell oder über einen Teil des Störungsspektrums vorgesehen sein, um in einfacher und kostengünstiger Weise eine verbesserte Schutzfunktion gegenüber elektromagnetischen Störungen gewährleisten zu können. Wenn beispielsweise das Auftreten von elektromagnetischen Störungen innerhalb eines bestimmten Ausschnitts des Störungsspektrums bei einer Anwendung für das Automatisierungssystem bekannt ist, jedoch außerhalb dieses Ausschnitts des Störungsspektrums keine elektromagnetischen Störungen vorliegen, die zusätzliche Maßnahmen am Endgerät erfordern würden, so kann ein entsprechend angepasstes Schutzmodul zwischen die Endgerätesteuerung und das Endgerät elektrisch eingeschleift werden. Alternativ kann die Schutzschaltung auch derart ausgebildet sein, dass sie einen breitbandigen Zusatzschutz über das gesamte zu berücksichtigende Störungsspektrum gewährleistet.
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Durch die Verwendung entsprechender Schutzmodule kann somit eine gezielte Anpassung des Automatisierungssystems an unterschiedliche Einsatzbedingungen erzielt werden, ohne dass hierfür eine aufwendige und kostenintensive Ausrüstung der Endgeräte gegen ein breites Spektrum von elektromagnetischen Störungen vorgesehen werden muss.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Schutzschaltung für eine Blockierung einer Weiterleitung elektromagnetischer Störungen an das elektrische Endgerät ausgebildet ist, die als elektromagnetische Entladung eine Spannung von 8000 Volt und/oder als Burstimpuls eine Spannung von 2000 Volt und/oder als Überspannung eine Spannung von 30 Volt und/oder einen Surge-Impuls, insbesondere gemäß IEC 61000-4-5, überschreitet und in die Leitungsanordnung einkoppelbar sind und somit außerhalb des vorgebbaren Störungsspektrums des Endgeräts liegen. Vorzugsweise ist das Schutzmodul derart ausgebildet ist, dass es lediglich diejenigen elektromagnetischen Störungen blockiert, die oberhalb des vorgebbaren Störungsspektrum des Endgeräts angesiedelt sind, da in diesem Fall ein synergistisches Zusammenwirken zwischen den Schutzmaßnahmen im Endgerät und der Schutzschaltung im Schutzmodul erreicht werden kann. Während die Schutzmaßnahmen im Endgerät für ein Abfangen von niedrigschwelligeren elektromagnetischen Störungen ausgebildet sind und dadurch auch elektromagnetische Störungen zuverlässig abfangen können, die weit unterhalb der Obergrenzen des vorgebbaren Störungsspektrums liegen, ist das Schutzmodul dazu eingerichtet, die höherschwelligeren elektromagnetischen Störungen zu blockieren und muss nicht zusätzlich dazu eingerichtet sein, auch niedrigschwelligere elektromagnetischen Störungen zu blockieren.
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In gleicher Weise gilt dies, wenn die Schutzschaltung für eine Blockierung einer Weiterleitung elektromagnetischer Störungen an das elektrische Endgerät ausgebildet ist, welche die in den Normen EN610004-3 und/oder EN610004-4 und/oder EN60947-2-2 festgelegten Grenzwerte für elektromagentische Störeinstrahlung und somit das vorgebbare Störungsspektrum des Endgeräts überschreiten.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Leitungsanordnung elektrische Versorgungsleitungen und elektrische Signalleitungen umfasst und dass zumindest ein Schutzelement zwischen zwei Versorgungsleitungen und/oder zwischen einer Signalleitung und einer Versorgungsleitung angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Leitungsanordnung wenigstens eine Erdungsleitung umfasst und dass ein Schutzelement zwischen einer Versorgungsleitung oder einer Signalleitung und der Erdungsleitung angeordnet ist. Hierdurch können elektromagnetische Störungen, die in eine Signalleitung oder in eine Versorgungsleitung eingekoppelt werden, über die Erdungsleitung abgeleitet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Schutzelement als Suppressordiode ausgebildet ist. Eine Suppressordiode dient zur Ableitung von kurzzeitigen Überspannungsimpulsen und weist eine ähnliche Charakteristik wie eine Zener-Diode auf, von der sie sich jedoch dadurch unterscheidet, dass sie verglichen mit Zenerdioden eine steilere Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen und damit auch bei hohen Strömen eine schnelle Ableitung des Störimpulses gewährleistet ist. Derartige Suppressordioden werden auch als TAZ-Dioden (Transient Absorption Zener Diode) oder TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor Diode) bezeichnet.
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Ergänzend oder alternativ ist vorgesehen, dass wenigstens ein Schutzelement als Kondensator ausgebildet ist. Ein Kondensator bildet zusammen mit der Leitungsinduktivität und dem Leitungswiderstand der Versorgungleitung oder Signalleitung als Tiefpassfilter, der hochfrequente Störimpulse filtert. Dadurch werden Spannungsspitzen abgeschwächt.
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Bevorzugt umfasst das Schutzmodul einen, insbesondere als M8-Steckverbinder oder als M12-Steckverbinder, ausgebildeten Eingangsstecker bzw. eine Eingangsbuchse und einen, insbesondere als M8-Steckverbinder oder als M12-Steckverbinder, ausgebildeten Ausgangsstecker bzw. eine Ausgangsbuchse für eine Einschleifung in die Leitungsanordnung. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Schutzmodul in einfacher Weise zwischen die Endgerätesteuerung und das Endgerät elektrisch eingeschleift werden kann, ohne dass hierzu Veränderungen an der Verkabelung der Endgerätesteuerung oder des Endgeräts vorgenommen werden müssen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzmodul ein Modulgehäuse umfasst, an dem die Schutzschaltung und/oder der Eingangsstecker und/oder der Ausgangsstecker einteilig ausgebildet sind, insbesondere in MID-Technik. Das Modulgehäuse kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, insbesondere im Kunststoffspritzgussverfahren, und mit elektrischen Leiterbahnen, beispielsweise in MID-Technik (molded interconnect device) ausgebildet sein. Bei der MID-Technik werden elektrische Leiterbahnen an oder in dem umgebenden Kunststoffmaterial ausgebildet, beispielsweise durch additive oder subtraktive Beschichtungsverfahren, bei denen bereichsweise eine Metallisierung aufgetragen oder lokal entfernt wird, um die Leiterbahnen zu bilden. In nachfolgenden Bearbeitungsschritten werden elektrische Bauelemente an den Leiterbahnen angeordnet und/oder Befestigungsmittel für die Festlegung von Steckverbindern in das Modulgehäuse eingebracht. Vorzugsweise ist das Modulgehäuse derart geformt, dass es zusammen mit einem separat ausgebildeten Gehäusedeckel einen Hohlraum bestimmt, in dem beispielsweise die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente der Schutzschaltung angeordnet sind. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Automatisierungssystems mit einer Endgerätesteuerung, einem Endgerät und einem zwischengeschalteten Schutzmodul.
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In der 1 ist ein Automatisierungssystem 1 schematisch dargestellt, wie es exemplarisch zur automatisierten Ermittlung eines physikalischen Messwerts und gegebenenfalls zur Steuerung oder Regelung einer Bewegung eines Aktors eingesetzt werden kann.
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Das Automatisierungssystem 1 umfasst eine Endgerätesteuerung 2, die zur Ansteuerung eines elektrischen Endgeräts 3 ausgebildet ist. Ferner sind exemplarisch ein elektrisches Endgerät 3 und ein zwischen die Endgerätesteuerung 2 und das Endgerät 3 eingeschleiftes Schutzmodul 4 als weitere Komponenten des Automatisierungssystems 1 vorgesehen. Das Automatisierungssystem 1 kann noch weitere, nicht näher dargestellte Komponenten wie Aktoren und weitere Endgeräte umfassen.
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Das dargestellte Endgerät 3 ist exemplarisch als Sensoranordnung ausgebildet und umfasst eine Sensorschaltung 5 und einen daran angekoppelten Sensor 6, bei dem es sich beispielsweise um einen Temperatursensor handeln kann. Die Sensorschaltung 5 des Endgeräts 4 ist über eine elektrische Leitungsanordnung 7 mit der Endgerätesteuerung 2, die sich abschnittsweise zwischen dem Endgerät 3 und dem Schutzmodul 4 sowie zwischen dem Schutzmodul 4 und der Endgerätsteuerung 2 erstreckt.
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Das Endgerät 3 umfasst eine Schutzeinrichtung 8, die exemplarisch aus zwei Kondensatoren 9, 10 gebildet ist. Die Schutzeinrichtung 8 ist zur Blockierung von elektromagnetischen Störungen innerhalb eines vorgebbaren Störungsspektrums ausgebildet ist. Exemplarisch sind die beiden Kondensatoren 9, 10 der Schutzeinrichtung 8 zwischen einer Versorgungsleitung 11 und einer Erdungsleitung 12 bzw. zwischen einer Signalleitung 15 und der Erdungsleitung 12 angeordnet.
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Im Schutzmodul 4 ist eine Schutzschaltung 16 ausgebildet, die exemplarisch eine als gedruckte Schaltung ausgeführte Leiterplatte 17 mit darauf ausgebildeten elektrischen Leitungspfaden 18, 19, 20 sowie zwischen den Leitungspfaden 18, 19, 20 angeordnete Schutzelemente 21, 22, 23, 24 umfasst. An Außenoberflächen des Schutzmoduls 4 sind jeweils Steckverbinder 25, 26 angeordnet, die für eine elektrische Kopplung mit der elektrischen Leitungsanordnung 7 vorgesehen sind, die an der Endgerätesteuerung 2 und am Endgerät 3 angebracht sind. Innerhalb des Schutzmoduls 4 stehen die Steckverbinder 25, 26 über Kabel 27, 28, 29 elektrisch mit der Leiterplatte 17 in Verbindung. Dabei bilden die Leitungspfade 18, 19, 20 die elektrischen Verbindungen zwischen den den jeweiligen Steckverbindern 25, 26 zugeordneten Kabeln 27, 28, 29.
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Die den zwischen den Leitungspfaden 18, 19, 20 ausgebildeten Schutzelemente 21 und 22 sind als Suppressordioden ausgebildet. Die Schutzelemente 23 und 24 sind als Kondensatoren ausgebildet. Der Leitungspfad 18 dient als Versorgungsleitung und kann mit einem elektrischen Versorgungspotential, beispielsweise einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt werden. Der Leitungspfad 19 dient als Signalleitung und stellt das vom Sensor 6 bereitgestellte elektrische Signal an die Endgerätesteuerung 2 zur Verfügung. Der Leitungspfad 20 ist als Erdungs- oder Massepfad ausgebildet. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Schutzelemente 21, 22, 23 und 24 jeweils an einem Ende mit dem Leitungspfad 20 und am anderen Ende mit einem der Leitungspfade 18 oder 19 verbunden sind.
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Die Schutzelemente 21, 22, 23 und 24 sind so dimensioniert und elektrisch verschaltet, dass sie elektromagnetische Störungen, die in die elektrische Leitungsanordnung 7 eingekoppelt werden, an einer Weiterleitung an das elektrische Endgerät 3 hindern, um dort Beschädigungen zu vermeiden.
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Vorzugsweise sind im Endgerät 3 Schutzmaßnahmen, exemplarisch in Form der Schutzeinrichtung 8, vorgesehen, die elektromagnetische Störungen im Rahmen des vorgebbaren Störungsspektrums von dem Sensor 6 fernhalten. Für elektromagnetische Störungen, die abseits des vorgebbaren Störungsspektrums liegen, sind die Schutzelemente 21, 22, 23 und 24 im Schutzmodul 4 vorgesehen. Somit ergänzen sich die Schutzmaßnahmen innerhalb und außerhalb des Endgeräts 3 in synergistischer Weise.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10022869 A1 [0002]
- EP 1689056 A1 [0003]
- US 4862311 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 61000-4-5 [0012]
- Normen EN610004-3 [0013]
- EN610004-4 [0013]
- EN60947-2-2 [0013]
