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Die Erfindung betrifft die eigensichere, redundante Stromversorgung von Feldgeräten in der Automatisierungstechnik in einem explosionsgeschützten Bereich.
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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 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 einen 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 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. 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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Schließlich 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 zu einer unzulässigen Überlastung der resistiven Strombegrenzung in der Stromversorgungseinrichtung führt.
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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 mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den 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.
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Erfindungsgemäß ist in der Masche des Feldgeräts ein Stromsensor vorgesehen, dessen Ausgangssignal mit Einrichtungen zur Stromregelung bzw. aktiven Strombegrenzung in beiden redundanten Stromversorgungseinheiten verbunden ist. Der Stromsensor ist als Diode in Flussrichtung ausgeführt. Die Flussspannung der Diode ist dabei ein Maß für den Maschenstrom des Feldkreises. Die Flussspannung der Diode verringert den Spannungsabfall über dem Strombegrenzungswiderstand und entlastet diesen beim Erreichen des zulässigen Grenzwerts des Maschenstroms des Feldkreises.
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Der mit Hilfe des Stromsensors erfasste Maschenstrom des Feldkreises ist gleich dem Summenstrom der von den redundanten Stromversorgungen gelieferten Teilströmen unabhängig von deren individuellen Stromstärken.
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Sobald der Maschenstrom des Feldkreises den zulässigen Grenzwert erreicht, begrenzen die Einrichtungen zur Stromregelung bzw. aktiven Strombegrenzung in beiden redundanten Stromversorgungseinheiten jeweils den individuellen Ausgangsstrom der jeweiligen Stromversorgungseinheit. Dabei wird die Verlustleistung auf den Strombegrenzungswiderstand 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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Vorteilhafterweise ist der Ort des Stromsensors in der Stromschleife frei wählbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Stromsensor in analogen Eingabebaugruppen ausgebildet, den als aufgeprägten Strom vom Feldgerät übertragenen Messwert zu erfassen. Dadurch sind separate Mittel zur Erfassung des vom Feldgerät aufgenommenen und übertragenen Messwerts verzichtbar.
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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 Spannungquelle 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, einen Stromsensor 22 sowie Anschlussmittel zum Anschluss eines Feldgeräts 3 auf. Der Stromsensor 22 der Verbindungsschaltung 2 ist mit dem Stromregler/der aktiven Strombegrenzung 112 und 122 jeder Stromversorgungseinheit 11 und 12 verbunden.
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Jeder Stromregler/jede aktive Strombegrenzung 112 und 122 weist einen Messverstärker auf, in dem der Messwert des Stromsensor 22 mit einem Referenzwert verglichen wird. Bei positiver Regelabweichung, wenn der Strom-Messwert größer ist als der Referenzwert, reduziert der Stromregler/die aktive Strombegrenzung 112 und 122 seinen Ausgangsstrom und damit den Schleifenstrom.
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Bei negativer Regelabweichung, wenn der Strom-Messwert kleiner ist als der Referenzwert, schaltet der Stromregler/die aktive Strombegrenzung 112 und 122 ab. Eine solche Funktion gelingt mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker mit einer Diode im Rückkopplungszweig auf die Referenzspannung.
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Energetisch ist der Spannungsabfall über der Diode während des normalen Betriebszustands zu vernachlässigen, da dieser den unvermeidlichen Spannungsabfall über dem Strombegrenzungswiderstand 21 vermindert.
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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.
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Weitere Ausführungsformen können andere geeignete Stromsensoren aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 11, 12
- Stromversorgungseinheit
- 111, 121
- Spannungquelle
- 112, 122
- Stromregler/aktive Strombegrenzung
- 2
- Verbindungsschaltung
- 21
- Strombegrenzungswiderstand
- 22
- Stromsensor
- 3
- Feldgerät
