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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur eigensicheren, redundanten Stromversorgung von Feldgeräten in der Automatisierungstechnik in einem explosionsgeschützten Bereich gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 beziehungsweise 2.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung weist mindestens zwei Versorgungskreise zur Bereitstellung der Strom/Spannungsversorgung und eine Schutzeinrichtung zur eigensicheren Leistungsbegrenzung des von den Versorgungskreisen dem Verbraucher im explosionsgeschützten Bereich zugeführten Stroms auf, wobei die Versorgungskreise als Teil der Schutzeinrichtung jeweils Einrichtungen zur Stromregelung und/oder -begrenzung aufweisen.
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Derartige Vorrichtungen sind bekannt und werden bei Anlagen eingesetzt, bei denen Teile der Betriebsmittel im explosionsgeschützten Bereich betrieben werden. Die Versorgungsvorrichtungen können in Ein-/Ausgabebausteine integriert sein, und als Bindeglied zwischen einer externen Recheneinheit einer speicherprogrammierbaren Steuerung und Sensoren und/oder Aktuatoren im explosionsgeschützten Bereich angesehen werden.
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Betriebsmittel in Anlagenteilen, die als explosionsgeschützter Bereich deklariert sind, müssen bestimmte Anforderungen erfüllen, die in der europäischen Norm EN 500 20 niedergelegt sind. Eine in EN 500 20 aufgeführte Möglichkeit, Betriebsmittel im explosionsgefährdeten Bereich zu betreiben, ist die sogenannte „Eigensicherheit“. Hierbei wird die zugeführte Energie so begrenzt, dass kein zündfähiger Funke entstehen kann. Um die Energie zu begrenzen, müssen sowohl Strom als auch Spannung begrenzt werden. Die Möglichkeiten, dies im Einzelnen zu realisieren, sind ebenfalls durch die EN 500 20 geregelt.
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Bezüglich des explosionsgefährdeten Bereichs ist in Europa die Unterscheidung in sogenannte Zonen üblich. Unterschieden werden hier Zone 0, Zone 1 und Zone 2, wobei sich die schärfsten Anforderungen für Zone 0 ergeben, da hier von einer permanent explosionsfähigen Atmosphäre ausgegangen wird. In diesem Bereich ist ausschließlich eine resistive Begrenzung des Stroms gestattet. Es werden also lediglich Widerstände, jedoch keine elektronischen Begrenzungen zur Strombegrenzung anerkannt. Das heißt, dass bei einem Ein-/Ausgabebaustein, bei dem ein Strom im explosionsgeschützten Bereich in Zone 0 geführt werden soll, dieser Strom durch einen oder mehrere Widerstände begrenzt werden muss, wobei der oder die Widerstände ebenfalls bestimmte Voraussetzungen zu erfüllen haben.
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Die Funktionalität oder Verfügbarkeit von Ein-/Ausgabebausteinen lässt sich auch im explosionsgeschützten Bereich erheblich vergrößern, wenn diese redundant versorgt werden. Das heißt, der Stromkreis im explosionsgeschützten Bereich (Zone 0,1 oder 2), welcher auch als Feldkreis bezeichnet wird, ist an wenigstens zwei Versorgungskreise gleicher Funktion angeschlossen, wobei ein Versorgungskreis aktiv und der zweite Versorgungskreis in Bereitschaft ist. Tritt in der aktiven Vorrichtung ein Fehler auf, so kann automatisch eine Umschaltung auf das zweite Gerät erfolgen, ohne dass es zu einer signifikanten Störung des Prozesses kommt.
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Auch bei einer solchen redundanten Versorgung von Ein/Ausgabebausteinen im explosionsgeschützten Bereich müssen selbstverständlich die jeweiligen Sicherheitserfordernisse erfüllt werden, beispielsweise das Sicherheitsniveau der „Eigensicherheit“. Die Eigensicherheit kann beispielsweise dadurch aufrechterhalten bleiben, dass eine Umschaltung zwischen den beiden Versorgungskreisen ausgeführt wird, so dass jeweils nur ein Versorgungskreis mit dem explosionsgeschützen Bereich verbunden ist. Damit es nicht zu einer fehlerhaften Parallelschaltung der beiden Versorgungskreise kommt, bei welcher die „Eigensicherheit“ wegen der Addition der Ströme der beiden Module nicht mehr gegeben wäre, besteht bei dieser Realisierung eine Sicherheitsanforderung an die eingesetzte Umschalteinrichtung.
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Hierdurch werden zusätzliche Komponenten benötigt, was mit einer Steigerung des konstruktionsmäßigen Aufwands und der Kosten verbunden ist. Die Vorrichtung zur redundanten Strom-Spannungsversorgung selbst kann so ausgelegt sein, dass sie zumindest in Zone 1 oder Zone 2 eingesetzt werden darf.
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Aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 94 21 001 U1 ist eine Anschlusseinheit zur elektrischen Kopplung redundanter Baugruppen mit externer Kommunikationsschnittstelle bekannt, die aus parallelgeschalteten aufsteckbaren Einheiten bestehen, welche zur Aufnahme von strombegrenzenden Schaltmitteln ausgebildet sind.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 101 35 980 C1 eine Anordnung zum Anschluss von dezentral und prozessnah angeordneten Feldgeräten an eine entfernte zentrale Einrichtung bekannt, welche eine konfigurationsbestimmende Steckeinheit aufweist, die zur redundanten Verbindung von Ein-/Ausgabebaugruppen geeignet ist und im Falle der Parallelschaltung einen Strombegrenzungswiderstand aufweisen kann.
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Beiden bekannten Einrichtungen ist gemein, dass der gemeinsame Strombegrenzungswiderstand den Strom im Feldkreis bei redundanter Verbindung von Ein-/Ausgabebaugruppen zwar auf zulässige Werte begrenzt, jedoch bei Ausfall einer der redundanten Baugruppen nicht mehr für alle Anwendungsfälle die nötige Speisestromstärke zum Betrieb des angeschlossenen Feldgeräts bereitgestellt wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 198 14 097 C1 eine Anordnung zur redundanten Spannungsversorgung von Zweileiter-Messumformern bekannt bei der die redundanten Messumformerversorgungseinheiten durch Dioden voneinander entkoppelt sind und jeweils nur eine Messumformerversorgungseinheit den Zweileiter-Messumformer speist während die jeweils andere Messumformerversorgungseinheit in einem Funktionsüberwachungsmodus betrieben wird. Nachteilig ist die notwendige Umschaltprozedur bei Ausfall der speisenden Messumformerversorgungseinheit auf die redundante Messumformerversorgungseinheit.
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Ferner ist bei redundanter Speisung des angeschlossenen Feldgeräts über einen gemeinsamen singulären Strombegrenzungswiderstand zu berücksichtigen, dass der Schleifenstrom im Versorgungskreis auch bei redundanter Stromversorgung auf zulässige Werte zu begrenzen ist und dass die Verlustleistung über dem singulären Strombegrenzungswiderstand in der redundanten Stromversorgungseinrichtung im zulässigen Kurzschlussfall in der feldgeräteseitigen Leiterschleife nicht zu einer unzulässigen Überlastung der resistiven Strombegrenzung in der Stromversorgungseinrichtung führt.
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Aus der
DE 101 52 653 A1 ist eine eigensichere, redundante Stromversorgung für einen oder mehrere Verbraucher bekannt, bei der die Verbraucher durch die Feldgeräte in dem Versorgungskreis gebildet sind. Bei dieser Anordnung arbeiten die redundanten Stromversorgungseinheiten auf einem gemeinsamen Strombegrenzungswiderstand, welcher gleichzeitig als Stromsensor für den Schleifenstrom in dem Versorgungskreis ausgebildet ist. In Abhängigkeit vom Spannungsabfall über dem gemeinsamen Strombegrenzungswiderstand werden Stromregler/Strombegrenzer in den redundanten Stromversorgungseinheiten so eingestellt, dass der Summenstrom, welcher gleich dem Schleifenstrom im Versorgungskreis ist, den zulässigen Maximalstrom nicht übersteigt.
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Zwar gelingt es mit der vorgeschlagenen Anordnung, den Schleifenstrom im Versorgungskreis auch bei redundanter Stromversorgung auf zulässige Werte zu begrenzen, jedoch lässt die vorgeschlagene Anordnung außer Betracht, dass die Verlustleistung über dem Strombegrenzungswiderstand in der redundanten Stromversorgungseinrichtung im zulässigen Kurzschlussfall in der feldgeräteseitigen Leiterschleife zu einer unzulässigen Überlastung der resistiven Strombegrenzung in der Stromversorgungseinrichtung führt.
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Darüber hinaus ist es auch als nachteilig anzusehen, dass der Strombegrenzungswiderstand, welcher als Messwiderstand für die Stromregler/Strombegrenzer vorgesehen ist, in jener Zuleitung zum Feldgerät angeordnet werden muss, die an die Stromregler/Strombegrenzer angeschlossen ist.
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Die
DE 31 50 398 A1 offenbart eine eigensichere Stromversorgungseinrichtung, welche sowohl eine Strombegrenzung ermöglicht, als auch bei noch höherer Belastung - beispielsweise einem Kurzschluss - ein sogenanntes Foldback-Verhalten aufweist, um die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom auf einen vorgegebenen Wert zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltungsanordnung für redundant gespeiste Feldgeräte anzugeben, welche sich selbst vor Überlastung schützt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensmäßig mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe vorrichtungsgemäß mit den Mittel des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur eigensicheren, redundanten Stromversorgung von Feldgeräten mit einem gemeinsamen Strombegrenzungswiderstand in der Masche des Feldgeräts, wobei das Feldgerät über eine Verbindungsleitung an Feldgeräteanschlussklemmen der Stromversorgungsvorrichtung angeschlossen ist.
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Die Erfindung geht ferner von der Tatsache aus, dass zum bestimmungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts eine Mindestspannung erforderlich ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen zu messen, mit einem Referenzwert zu vergleichen, und dass die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom jeder Stromversorgungseinheit in Abhängigkeit von der Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen reduziert wird, wenn die Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen den Referenzwert unterfällt, wobei der Ausgangsstrom jeder Stromversorgungseinheit in Abhängigkeit von der Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen auf einen Prüfstrom reduziert wird, der geringer ist als ein Speisestrom des Feldgeräts.
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Vorrichtungsgemäß weist jede Stromversorgungseinheit Leistungsbegrenzungsmittel auf, welche mit Hilfe eines Messverstärkers in Abhängigkeit von der Differenz der Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen und einer Referenz eingestellt werden. Dabei reduzieren die Leistungsbegrenzungsmittel den Ausgangsstrom jeder Stromversorgungseinheit in Abhängigkeit von der Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen auf einen Prüfstrom, der geringer ist als der Speisestrom des Feldgeräts.
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Die Leistungsbegrenzungsmittel sind durch eine regelbare Spannungsquelle und/oder einen Stromregler oder eine aktive Strombegrenzung gebildet.
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Grundsätzlich lassen sich drei Betriebszustände der Stromversorgungsvorrichtung unterscheiden:
- In einem ersten Betriebszustand ist kein Feldgerät an den Feldgeräteanschlussklemmen angeschlossen; die Stromversorgungsvorrichtung befindet sich im Leerlauf. Die Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen ist etwa gleich der Speisespannung der Stromversorgungseinheiten. Es fließt kein Schleifenstrom, die Leistung am Feldgeräteanschluss ist Null.
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In einem zweiten Betriebszustand ist ein Feldgerät angeschlossen und im bestimmungsgemäßen Betrieb. Die Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen ist etwa die Differenz aus Speisespannung und Spannungsabfall über dem Strombegrenzungswiderstand. Die Messspannung über den Feldgeräteanschlussklemmen ist jedenfalls größer als die erforderliche Mindestspannung.
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In einem dritten Betriebszustand liegt ein Fehler vor, der durch Nebenschluss, Kurzschluss, Feldgerätdefekt oder ähnlichem hervorgerufen sein kann. In diesem Betriebszustand ist die Spannung über den Feldgeräteanschlussklemmen unter die erfordeliche Mindestspannung zum bestimmungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts abgesunken. Bei Unterschreitung dieser Mindestspannung liegt jedenfalls ein Fehler vor. Das Unterschreiten dieser Mindestspannung wird durch Vergleich mit dem Referenzwert erkannt.
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Auf diese Unterschreiten wird in einer ersten Ausprägung der Erfindung der Ausgangsstrom der Stromversorgungseinheiten reduziert. In einer zweiten Ausprägung der Erfindung wird die Speisespannung der Stromversorgungseinheiten reduziert und in einer dritten Ausprägung sowohl die Speisespannung als auch der Ausgangsstrom der Stromversorgungseinheiten.
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In jeder Ausprägung wird die an den Feldgeräteanschlussklemmen zu Verfügung gestellte Leistung vermindert. Darüber hinaus wird die Leistung am Strombegrenzungswiderstand reduziert. Auf diese Weise wird auch der Strombegrenzungswiderstand vor Überlastung geschützt.
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Bei Verminderung der Speisespannung werden auch die stromreduzierenden Schaltelemente der Stromversorgungseinheiten vor thermischer Überlastung geschützt.
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Dabei wird die Verlustleistung auf den Strombegrenzungswiderstand, die regelbare Spannungsquelle und die Einrichtungen zur Stromregelung bzw. aktiven Strombegrenzung in beiden redundanten Stromversorgungseinheiten verteilt. Dementsprechend ist für den Strombegrenzungswiderstand eine Bauform zulässig, die in einem miniaturisierten Gehäuse untergebracht werden kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine Vorrichtung zur eigensicheren, redundanten Stromversorgung von Feldgeräten 3 dargestellt, welche aus mindestens zwei gleichartigen Stromversorgungseinheiten 11 und 12 sowie einer Verbindungsschaltung 2 besteht.
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Jede Stromversorgungseinheit 11 und 12 weist eine regelbare Spannungsquelle 111 und 121 sowie einen Stromregler / eine aktive Strombegrenzung 112 und 122 auf. Die Stromversorgungseinheiten 11 und 12 sind ausgangsseitig mit der Verbindungsschaltung 2 verbunden und elektrisch parallelgeschaltet.
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Die Verbindungsschaltung 2 weist den Strombegrenzungswiderstand 21 sowie Feldgeräteanschlussklemmen 22 zum Anschluss eines Feldgeräts 3 über eine Verbindungsleitung 4 auf. Über den Feldgeräteanschlussklemmen 22 der Verbindungsschaltung 2 fällt eine Spannung 23 ab, welche die Betriebsspannung des Feldgeräts 3 repräsentiert.
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Jede Stromversorgungseinheit 11 und 12 weist einen Messverstärker 114, 124 auf, in dem der Messwert der Spannung 23 mit einem Referenzwert 113, 123 verglichen wird. Sobald die Spannung 23 den Referenzwert 113, 123 unterschreitet, wird mit dem Stromregler / die aktive Strombegrenzung 112 und 122 der Ausgangsstrom der jeweiligen Stromversorgungseinheit 11 und 12 und damit den Schleifenstrom reduziert.
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Darüber hinaus wird die Spannung der regelbare Spannungsquelle 111 und 121 vermindert. Infolge der verminderten Spannung der regelbare Spannungsquelle 111 und 121 sinkt der Spannungsabfall über dem Stromregler / die aktive Strombegrenzung 112 und 122 und dem Strombegrenzungswiderstand 21. Bei gleichem Strom vermindert sich dementsprechend die Verlustleistung auf diesen Schaltelementen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Spannung der regelbaren Spannungsquelle 111 und 121 im Fehlerfall auf einem Wert oberhalb der Mindestspannung zum bestimmungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts 3 eingestellt. Somit ist bei einer temporären Störung im Feldkreis 3, 4 ein automatischer Wiederanlauf des Feldgeräts 3 gewährleistet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Spannung der regelbaren Spannungsquelle 111 und 121 im Fehlerfall sprungförmig reduziert und nach Beseitigung des Fehlers rampenförmig angehoben.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Ausgangsstrom jeder Stromversorgungseinheit 11, 12 in Abhängigkeit von der Spannung 23 über den Feldgeräteanschlussklemmen 22 auf einen Prüfstrom zu reduzieren, der geringer ist als der Speisestrom des Feldgeräts 3. Insbesondere bei einem Feldgerät 3, welches als Zweileiter-Messumformer ausgebildet ist und über eine 4..20 mA-Stromschleife versorgt wird und mit einer übergordneten Einrichtung kommuniziert, sind 4 mA für die Versorgung des Messumformers und 16 mA für die Spanne der Messwertübertragung vorgesehen. Der vorgeschlagene Prüfstrom ist größer als der für die Versorgung des Messumformers nötige Strom, beispielsweise >4 mA, aber kleiner als der zulässige Schleifenstrom, beispielsweise < 20 mA. Vorteilhafterweise beträgt der Prüfstrom etwa ein Fünftel des zulässigen Schleifenstroms. Demnach ist die auf den Strombegrenzungswiderstand 21 entfallende Verlustleistung auf etwa 4% gegenüber der Verlustleistung bei Begrenzung auf den zulässigen Schleifenstrom reduziert. Die auf den Stromregler / die aktive Strombegrenzung 112 und 122 entfallende Verlustleistung sinkt proportional.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindungsschaltung
2 als konfigurationsbestimmende Steckeinheit gemäß der
DE 101 35 980 C1 ausgebildet, welche sowohl eine singuläre als auch eine redundante Versorgung desselben Feldgeräts
3 erlaubt.
Besonders vorteilhaft wird die vorgeschlagene Vorrichtung zur eigensicheren, redundanten Stromversorgung mit Feldgeräten kombiniert, wie sie in der
DE 10 2005 047 894 B4 beschrieben sind. Dabei ist vorgesehen, den Schleifengleichstrom messwertunabhängig ausgehend vom Minimalwert in Richtung des Maximalwerts zu erhöhen und dabei die Eingangsspannung über den Innenwiderstand des Messumformers zu messen. Unterschreitet die Eingangsspannung einen vorgebbaren Schwellwert, der größer ist als die zur Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit erforderliche Mindesteingangsspannung, bevor der Schleifenstrom seinen Maximalwert erreicht hat, wird dieser Zustand als Fehler bewertet. Bei erkanntem Fehler wird der Schleifengleichstrom soweit reduziert, dass die Eingangsspannung mindestens den vorgebbaren Schwellwert erreicht, und dadurch ein Fehler signalisiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 11, 12
- Stromversorgungseinheit
- 111, 121
- Spannungsquelle
- 112, 122
- Stromregler / aktive Strombegrenzung
- 113, 123
- Referenz
- 114, 124
- Messverstärker
- 2
- Verbindungsschaltung
- 21
- Strombegrenzungswiderstand
- 22
- Feldgeräteanschlussklemme
- 23
- Spannung
- 3
- Feldgerät
- 4
- Verbindungsleitung
