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Die Erfindung betrifft ein Feldbuskommunikationsmodul, das in einem Feldbus dazu dient, Datensignale einer angeschlossenen Sensorik zu empfangen. Derartige Feldbuskommunikationsmodule werden in Automatisierungssystemen zum Datenaustausch mit übergeordneten Instanzen wie Speicherprogrammierbaren Steuerungen SPS eingesetzt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Feldbus-System, das durch die Implementierung des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls verbessert wird.
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Aus
DE200 20 502 U1 ist eine Umschalteinrichtung bekannt, die mit einer ersten und einer zweiten Leitung verbunden ist, über die jeweils ein medizinisches Gerät mit Strom versorgt wird. Die Umschalteinrichtung und das medizinische Gerät sind miteinander über einen Feldbus verbunden, so dass zwischen diesen eine Kommunikation möglich ist. Ein Abfall der Netzqualität in der ersten Leitung wird durch einen Mikrocontroller in der Umschalteinrichtung erkannt und über den Feldbus eine Warnung an das medizinische Gerät ausgegeben. Das medizinische Gerät ist dazu ausgebildet, einen Betriebszustand einzunehmen, in dem ein kurzfristiger Spannungsausfall hinnehmbar ist. Nach einem Umschalten auf eine Stromversorgung über die zweite Leitung wird der gewöhnliche Betrieb des medizinischen Geräts fortgesetzt.
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DE 10 2009 005 431 A1 offenbart ein Bussystem mit einem Master, der über eine primäre Busleitung mit Buskopplern verbunden ist. Die Buskoppler weisen sekundäre Busleitungen auf, über die jeweils ein Feldgerät mit einem Buskoppler verbunden ist. Im Buskoppler ist eine Trenneinrichtung abgeordnet, die als elektromagnetischer Übertrager mit zwei Spulen oder als Optokoppler ausgebildet ist. Die Trenneinrichtung gewährleistet eine galvanische Trennung zwischen der primären und sekundären Busleitung. Der Buskoppler ist mit einer Steuerungselektronik versehen, die dazu ausgebildet ist, eine Spannungsversorgung ein- und auszuschalten. An diese Spannungsversorgung sind auch die Feldgeräte über die sekundäre Busleitung angeschlossen.
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Aus
DE 10 2009 009 049 U1 ist eine Anzeigenhinterleuchtung bekannt, die über einen KNX/EIB-Bus angesteuert wird. Die Anzeigenhinterleuchtung ist über einen Spannungswandler oder ein Netzteil mit Strom versorgbar. Die Umschaltung der Spannungsversorgung erfolgt dabei über eine Transistorschaltung oder über eine Schalteinheit, die als IC-Baustein ausgebildet ist.
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Die Offenlegungsschrift
US 2009/0073957 A1 offenbart einen Datenknoten, an den eine Mehrzahl an Netzwerkgeräten, insbesondere Voice-over-IP-Telefone, angeschlossen sind. Der Datenknoten erhält von einem entfernt liegenden Datenknoten über eine gemeinsame Leitung mit Daten und Strom versorgt. Ferner ist der Datenknoten mit einer unabhängigen Spannungsversorgung verbunden. Der Datenknoten verfügt über einen internen Schalter, der dazu ausgebildet ist, zwischen beiden Spannungsquellen umzuschalten. Das Umschalten erfolgt dabei durch einen Befehl von einer Steuereinheit, die mittels zweier Erfassungsgeräte erkennt, welche der beiden Spannungsquellen momentan dazu geeignet ist, die erforderliche Spannung für den Datenknoten bereitzustellen. Die Steuereinheit greift hierzu auf ein entsprechendes internes Programm zurück.
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Aus
DE 10 2011 015 323 A1 ist ein AS-Interface-Gerät bekannt, das über eine Datenentkopplung verfügt. Das AS-Interface-Gerät weist ein Verarbeitungsteil auf, das über eine externe Gleichstromquelle mit Strom versorgt wird. Ferner verfügt das AS-Interface-Gerät über ein AS-i-Kommunikationsteil, das mit dem AS-i-Netz verbunden ist. Die Leitungen des AS-i-Netzes und der externen Gleichstromquelle sind miteinander unter Zwischenschaltung einer Datenentkopplung miteinander verbunden. Das Verarbeitungsteil verfügt über eine Schaltersteuerung, die dazu ausgebildet ist einen Schalter zu betätigen, der dazu ausgebildet ist, die Verbindung zwischen den Leitungen der externen Gleichstromquelle und dem AS-i-Netz zu unterbrechen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 198 25 824 A1 offenbart einen Zweileiter-Umsetzer, der zur Kommunikation zwischen einem Prozessleitsystem und einem digitalen Feldgerät geeignet ist. Der Zweileiter-Umsetzer ist als Zweileitergerät mit einem ersten und einem zweiten Leitungspaar versehen, die jeweils eine Verbindung zwischen dem Umsetzer und dem Prozessleitsystem beziehungsweise dem digitalen Feldgerät herstellen. Das erste und zweite Leitungspaar sind dazu geeignet, eine Stromversorgung zu gewährleisten und gleichzeitig digitale Signale zu übertragen. Ferner ist eine Feldeinheit, die zum Feldgerät gehört, mit einem Regler ausgestattet, der über zwei Leitungen Hilfsenergie und Signale einer Sensoreinheit überträgt. Der Zweileiter-Umsetzer nach
DE 198 25 824 A1 ist dazu geeignet, ein Stromsignal einer Stärke von 4 mA bis 20 mA mit hochfrequenten Signalen zu überlagern.
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Aus
DE 10 2011 107 734 A1 ist ein bistabiles Sicherheitsrelais bekannt, das in einer Schaltvorrichtung verwendet wird, die eine sicherheitsrelevante Funktion in einem Automatisierungssystem bereitstellt. Das bistabile Relais ist dazu ausgebildet, ein erstes und ein zweites Kontaktpaar mindestens eines Ausgangsstromkreises zu öffnen und zu schließen. Das bistabile Relais ist dazu mit Masse und umschaltbar mit den Potentialen eines Eingangssignalanschlusses und eines Hilfsenergieanschlusses verbunden. Über den Hilfsenergieanschluss wird Energie aus einem Energiespeicher oder von einer Hilfsenergieversorgungseinrichtung bereitgestellt. Ferner ist das bistabile Relais mit einer Steuerungs- und Testeinrichtung gekoppelt.
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Es sind ferner AS-Interface-Module bekannt, an denen Feldgeräte angeschlossen sind, die mittels zweier unterschiedlicher Energiequellen betrieben werden können. Derartige AS-Interface-Module werden von der Pepperl+Fuchs GmbH unter der Bezeichnung VAA-4E4A-KE-ZEJQ/E2L hergestellt. Darin ist ein drahtgebundener Sensor über eine Plus-Ader und eine Minus-Ader mit einer Geräteversorgung eines AS-Interface-Bussystems, kurz AS-i-Bus, verbunden. Mittels eines zweipoligen Öffners kann die Spannungsversorgung des Sensors durch die Geräteversorgung des AS-i-Busses getrennt werden und außerhalb des AS-Interface-Moduls eine zusätzliche Spannungsquelle angeschlossen werden.
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Es besteht Bedarf an einem Kommunikationsmodul für einen Feldbus, das dazu geeignet ist, eine Sensorik aus unterschiedlichen Energiequellen mit Strom zu versorgen, das ein hohes Maß an Fehlerrobustheit aufweist, und das mit einfachen Komponenten in kosteneffizienter Weise hergestellt werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Kommunikationsmodul bereitzustellen, das gegenüber den bekannten Kommunikationsmodulen in den vorgenannten Punkten verbessert ist.
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Die Aufgabenstellung wird durch das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul in seinen Ausführungsformen und durch das erfindungsgemäße Feldbus-System gelöst. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul weist einen ersten Anschluss auf, über den es mit mindestens einem Feldgerät verbunden ist. Der erste Anschluss dient dazu, für das Feldgerät die Versorgungsspannung bereitzustellen, die für den Betrieb des Feldgeräts erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul weist auch einen zweiten Anschluss auf, der dazu ausgebildet ist, die für das Feldgerät erforderliche Versorgungsspannung bereitzustellen. Der zweite Anschluss ist mit einer Geräteversorgung eines Feldbusses gekoppelt, über den die vom Feldgerät erfassten Daten oder Befehle an die Feldgeräte an bzw. von einer übergeordnete Instanz eines Feldbus-Systems, insbesondere einer Speicherprogrammierbare Steuerung, weitergeleitet werden. Die Stromstärke, die über den zweiten Anschluss bereitgestellt wird, ist durch die für den Betrieb des mindestens einen Feldgeräts erforderliche Stromstärke definiert und veränderlich. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul ist ferner mit einem dritten Anschluss versehen, der dazu ausgebildet ist, auch eine Versorgungsspannung bereitzustellen. Die Versorgungsspannung am dritten Anschluss wird von einer Hilfsenergiequelle bereitgestellt, die sich außerhalb des Feldbuskommunikationsmoduls befindet. Auch die über die Hilfsenergiequelle und den dritten Anschluss bereitgestellte Stromstärke ist durch die für den Betrieb des Feldgeräts erforderliche Stromstärke definiert und veränderlich. Ein nicht-verbundener Anschluss ist somit vom Feldgerät galvanisch getrennt. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul verwirklicht damit eine galvanische Trennung, die dem jeweiligen Schaltzustand der Schaltvorrichtung folgt.
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Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul weist eine Schaltvorrichtung auf, die dazu geeignet ist, jeweils wahlweise zwischen dem ersten Anschluss, dem zweiten und dritten Anschluss eine elektrische Verbindung herzustellen. Die Schaltvorrichtung weist zwei Schaltstücke auf, die derart mechanisch miteinander gekoppelt sind, dass beide Schaltstücke zwangsweise immer zusammen gleichsinnig betätigt werden. Dabei ist einstellbar, ob der erste Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden wird, oder der erste Anschluss mit dem dritten Anschluss. Durch die jeweilige Betätigung der Schaltvorrichtung ist damit einstellbar, ob das am ersten Anschluss angeschlossene Feldgerät über den zweiten Anschluss von der Geräteversorgung des Feldbusses mit elektrischer Energie versorgt wird oder über den dritten Anschluss von der Hilfsenergiequelle. Dabei ist die Schaltvorrichtung als Wechselkontakt mit mindestens zwei Schaltstellungen ausgebildet. In einer ersten Schaltstellung liegt eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss vor. In der zweiten Schaltstellung liegt eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss vor.
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Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul stellt in einfacher Weise eine Möglichkeit zur Verfügung auszuwählen, mittels welcher angeschlossenen Energiequelle, nämlich der Geräteversorgung des Feldbus oder einer Hilfsenergiequelle, das Feldgerät zu betreiben ist. Dabei liegen zu keinem Zeitpunkt die elektrischen Potentiale von zwei Energiequellen an, so dass eine Störung der Kommunikation im Feldbus und/oder eine Beschädigung der Geräteversorgung, die mit dem zweiten bzw. dritten Anschluss verbunden ist, vermieden wird. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul verwirklicht damit eine galvanische Trennung, die dem jeweiligen Schaltzustand der Schaltvorrichtung folgt. Ferner ist das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul mit einfachen standardisierten elektrischen Komponenten kosteneffizient herstellbar. Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Lösung, auf mehrfache Leitungen zum Feldgerät zu verzichten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls ist mindestens einer der ersten, zweiten oder dritten Anschlüsse als eine zweipolige elektrische Verbindung ausgebildet, die jeweils eine Plus-Ader und eine Minus-Ader umfasst. Ein zweipoliger Anschluss erlaubt es, mittels des Wechselkontakts die Plus-Ader und die Minus-Ader gleichzeitig umzuschalten, so dass ein nicht-verbundener Anschluss vom Feldgerät komplett galvanisch getrennt ist. Dadurch wird beim Feldbuskommunikationsmodul die Robustheit gegen Fehler weiter erhöht und eine Störung der Kommunikation im Feldbus und eine eventuelle Beschädigung des Feldgeräts oder des Feldbuskommunikationsmoduls in einem Fehlerfall vermieden. Insgesamt erhöht das Feldbuskommunikationsmodul die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und damit die Wirtschaftlichkeit eines Automatisierungssystems.
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Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul kann derart ausgebildet sein, dass das Feldgerät als drahtgebundener Sensor oder als drahtgebundener Aktor ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der drahtgebundene Sensor ein Zweidraht-Sensor. Alternativ kann der drahtgebundene Sensor ein Dreidraht-Sensor sein, der dazu geeignet ist, über eine dritte Leitung Schaltsignale, wie zum Beispiel ein Aktivierungssignal oder ein Deaktivierungssignal, zu empfangen. Dabei ist die dritte Leitung mit einem Signaleingang des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls verbunden. Der Aktor kann beispielsweise als Elektromotor oder als Magnetspule ausgebildet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Feldbuskommunikationsmodul mit einer Mehrzahl an Feldgeräten verbunden. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul weist ein breites Einsatzspektrum auf und kann in einfacher Weise an eine Vielzahl an Anwendungen angepasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltvorrichtung, die als Wechselkontakt ausgebildet ist, ein Double Pole Double Throw-, kurz DPDT-Wechselschalter. Ein DPDT-Wechselschalter erlaubt es, zwischen jeweils beiden Adern des zweiten und dritten Anschlusses umzuschalten und dabei den zweiten vom dritten Anschluss galvanisch zu trennen. Der DPDT-Wechselschalter erlaubt ferner ein zuverlässiges gleichzeitiges Umschalten, so dass eine zu öffnende elektrische Verbindung an beiden Adern im Wesentlichen gleichzeitig getrennt wird und bei der herzustellenden elektrischen Verbindung beide Adern im Wesentlichen gleichzeitig geschlossen werden. Insgesamt wird durch den DPDT-Wechselschalter ein hohes Maß an Schaltpräzision und Robustheit erzielt und ein zugehöriges Feldbus-System weiter verbessert. Alternativ kann die Schaltvorrichtung als Double Pole Centre Off-, kurz DPCO-Wechselschalter, ausgebildet sein. Der DPCO-Wechselschalter erlaubt ein zuverlässiges gleichzeitiges Umschalten, so dass eine zu öffnende elektrische Verbindung an beiden Adern im Wesentlichen gleichzeitig getrennt wird und bei der herzustellenden elektrischen Verbindung beide Adern im Wesentlichen gleichzeitig geschlossen werden. Zusätzlich weist der DPCO-Wechselschalter eine Mittelstellung auf, in der der erste Anschluss vom zweiten und dritten Anschluss getrennt ist. Dadurch ist das mindestens eine mit dem Feldbuskommunikationsmodul verbundene Feldgerät gezielt und zuverlässig in eine inaktive Stellung schaltbar. Ein DPCO-Wechselschalter erweitert das Funktionsspektrum des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls und damit des zugehörigen Feldbus-Systems.
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In einer alternativen Ausführungsform des beanspruchten Feldbuskommunikationsmoduls ist die Schaltvorrichtung, die als Wechselkontakt dient, als Relais ausgebildet. Dabei kann das Relais monostabil oder bistabil sein. Das Bedienelement zur Ansteuerung des Relais kann an einer Frontfläche des Feldbuskommunikationsmoduls angeordnet sein, so dass eine gute Zugänglichkeit für einen Benutzer gegeben ist. Dadurch kann die Position des Relais im Gehäuse des Feldbuskommunikationsmoduls an weitere Anforderungen angepasst werden. Derartige Anforderungen können die elektromagnetische Verträglichkeit EMV oder eine Reduzierung von Leiterbahnlängen im Feldbuskommunikationsmodul sein. Ein vorzugsweise im Bodenbereich des Feldbuskommunikationsmoduls angeordnetes Relais kann dadurch mit reduziertem Verdrahtungsaufwand angesteuert werden. Eine aufwendige Verdrahtung an einem schwer zugänglichen Seiten- oder Bodenbereich des Feldbuskommunikationsmoduls kann somit verzichtet werden. Vorzugsweise ist das monostabile Relais derart im Feldbuskommunikationsmodul eingebaut, dass in einer stabilen Lage des monostabilen Relais der erste Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Dadurch fällt bei einem Ausfall der Versorgungsspannung am dritten Anschluss durch die Hilfsenergiequelle die Schaltvorrichtung in eine Stellung, in der das Feldgerät über den zweiten Anschluss durch die Geräteversorgung des Feldbusses versorgt wird. Ein Feldgerät, das gegen die maximal in einer Geräteversorgung eines Feldbusses auftretenden Ströme unempfindlich ist, wird dadurch zwangsweise in einen sicheren Zustand gebracht. Ein sprunghafter Lastanstieg, und damit eine eventuelle Überlastung des Feldgeräts durch die Hilfsenergiequelle bei einem Reaktivieren des Feldgeräts wird vermieden. Ein monostabiles Relais verbessert dadurch die Ausfallsicherheit des Feldgeräts.
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Alternativ kann das Relais, das als Wechselkontakt dient, bistabil ausgebildet sein. Das bistabile Relais verbleibt ohne elektrische Versorgung entweder in einer Stellung, in der der erste Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, oder in einer Stellung, in der der erste Anschluss mit dem dritten Anschluss verbunden ist. Bei einem Feldgerät, das für den bestimmungsgemäßen Betrieb eine hohe Stromstärke erfordert und mit der Hilfsenergiequelle verbunden ist, ist es vorteilhaft, wenn die bestehende Verbindung zwischen dem ersten und dritten Anschluss bei einer kurzfristigen Unterbrechung der Versorgungsspannung bestehen bleibt. Ein selbsttätiges Umschalten auf eine Versorgung über die Geräteversorgung des Feldbusses führt zu einer Überlastung des Feldbusses, die zu einer weitgehenden Störung der Kommunikation oder einer Beschädigung im Feldbus-System führen kann. In einem solchen Fall kann ein selbsttätiges Wiederanfahren einer Anlage, die mit einem Feldbuskommunikationsmodul ausgestattet ist, unmöglich werden. Gleichermaßen ist es von Vorteil, wenn eine bestehende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss bei einer kurzfristigen Unterbrechung der Versorgungsspannung weiter bestehen bleibt. Ein selbsttätiges Umschalten auf die Versorgung über die Hilfsenergiequelle kann dazu führen, dass der Energiebedarf der Feldgeräte im vorliegenden Betriebszustand für die Geräteversorgung am zweiten Anschluss zu hoch wird und die Kommunikation mit dem Feldbus gestört wird, die Geräteversorgung beschädigt wird, oder ein Systemausfall eintritt. Ein bistabiles Relais als Schaltvorrichtung verbessert die Fehlertoleranz der Energieversorgung des Feldgeräts und erhöht die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls.
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Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul kann ferner mit einem monostabilen oder bistabilen Relais versehen sein, das eine zweifache Change-Over-Kontaktanordnung, kurz, 2xCO-Kontaktanordnung, aufweist. Eine 2xCO-Kontaktanordnung entspricht in ihrer Schaltlogik einem DPDT-Wechselschalter und verwirklicht die gleichen technischen Vorteile wie ein DPDT-Schalter. Im Einzelnen gewährleistet die 2xCO-Kontaktanordnung ein hohes Maß an Schaltpräzision und Robustheit und kann mit einfachen elektrischen Komponenten in besonders kosteneffizienter Weise verwirklicht werden. Ferner kann das monostabile oder bistabile Relais auch mit einer höheren Anzahl an Change-Over-Anordnungen ausgebildet sein, beispielsweise einer 3xCO-Kontaktanordnung oder einer 4xCO-Kontaktanordnung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das monostabile oder bistabile Relais über die Geräteversorgung des Feldbusses mit elektrischer Energie versorgt. Ein Feldbus ist auf eine hohe Verfügbarkeit ausgelegt und stellt eine zuverlässige Energiequelle dar. Ferner erfordert ein Relais zur Betätigung lediglich geringe elektrische Leistungen, so dass durch die elektrische Versorgung mittels des Feldbusses auf eine separate Stromversorgung verzichtet werden kann. Alternativ kann die Stromversorgung des Relais auch über die Hilfsenergiequelle erfolgen. Das Schalten eines Relais erfordert keine komplexen Steuersignale, so dass zur elektrischen Steuerung des Relais auf aufwendige Befehlsgeber verzichtet werden kann. Dadurch werden die Komplexität und die damit einhergehende Fehleranfälligkeit reduziert und folglich die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls weiter gesteigert.
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Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul kann zusätzlich einen Anschluss für eine Signalleitung aufweisen, die eine Verbindung zwischen dem Feldgerät und dem Feldbus herstellt, über die ein Signal und/oder ein Befehl an oder vom Feldgerät übertragen werden kann. Die Signalleitung kann zur Ansteuerung des Feldgeräts oder als Rückkanal vom Feldgerät an den Feldbus dienen. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul kann auch für Feldgeräte eingesetzt werden, die mit dem Feldbus Signale, Befehle und/oder Daten austauschen und kann damit an eine Vielzahl von Anwendungsfällen angepasst werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Feldbuskommunikationsmoduls ist die Geräteversorgung des Feldbusses auch als Signalleitung ausgebildet. Das Bereitstellen der Versorgungsspannung und der Kommunikation zwischen der übergeordneten Instanz des Feldbusses und dem Feldgerät erfolgt damit in einer Leitung, in der ein Befehlssignal und/oder ein Datensignal auf die vorliegende Versorgungsspannung moduliert wird. Das Feldbuskommunikationsmodul wird dadurch weiter baulich vereinfacht und platzsparend.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Feldbus, zu dem das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul eine Verbindung herstellt, ein AS-i-Bus. Entsprechend ist das Feldbuskommunikationssystem als AS-i-Feldbus-Kommunikationsmodul ausgebildet. Ein AS-i-Feldbus stellt einen Versorgungsstrom von bis zu circa 200 mA pro Feldbuskommunikationsmodul zur Verfügung. Automatisierungssysteme mit einer hohen Anzahl von Feldgeräten erfordern entsprechend hohe Stromstärken und damit erhöhte Versorgungsleistungen. Das Umschalten auf eine Hilfsenergiequelle bei einer hohen bereitzustellenden Stromstärke erlaubt es, eine erhöhte Anzahl an Feldgeräten an ein einziges Feldbuskommunikationsmodul anzuschließen und gleichzeitig in Dauerbetrieb zu nehmen. Dadurch kann die Datenverarbeitungskapazität des AS-i-Feldbuskommunikationsmoduls stärker ausgenutzt werden, ohne dass die bereitzustellende Stromstärke oder Versorgungsleistung für die Feldgeräte hierbei eine Begrenzung darstellt. Das erfindungsgemäße Feldbuskommunikationsmodul erlaubt eine effizientere Ausnutzung vorhandener technischer Ressourcen in einem Automatisierungssystem und erhöht damit dessen Wirtschaftlichkeit.
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Die Vorteile des beschriebenen Feldbuskommunikationssystems können in besonders vorteilhafter Weise in einem erfindungsgemäßen Feldbus-System genutzt werden. Das erfindungsgemäße Feldbus-System umfasst mindestens ein Feldgerät, das als drahtgebundener Sensor oder als drahtgebundener Aktor ausgebildet sein kann. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Feldbus-System eine Steuereinheit, die über den Feldbus mit dem mindestens einen Feldgerät verbunden ist. Die Steuereinheit stellt eine übergeordnete Instanz dar, beispielsweise eine Speicherprogrammierbare Steuerung, die über ein Feldbuskommunikationsmodul mit dem Feldgerät Daten und Befehle austauscht. Der Feldbus weist dabei eine Geräteversorgung auf, die dazu geeignet ist, eine Versorgungsspannung bei einer für den Betrieb erforderlichen Stromstärke für das mindestens eine Feldgerät bereitzustellen. Das Feldbuskommunikationsmodul ist in das Feldbus-System integriert, so dass der Datenverkehr zwischen dem mindestens einen Feldgerät auf der einen Seite und der Steuereinheit auf der anderen Seite über das Feldbuskommunikationsmodul abgewickelt wird. Dabei ist das Feldbuskommunikationsmodul in einer seiner Ausführungsformen ausgebildet, so dass die oben skizzierten Vorteile für das Feldbus-System erzielt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen näher beschrieben, die in den Figuren abgebildet sind. Dabei zeigt
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1 schematisch einen Aufbau einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls,
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2 schematisch einen Aufbau einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls,
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3 schematisch einen Aufbau des erfindungsgemäßen Feldbus-Systems.
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Aus 1 geht der Aufbau einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls 10 hervor. Das Feldbuskommunikationsmodul 10 weist einen ersten Anschluss 12 auf, der eine Plus-Ader 17 und eine Minus-Ader 18 umfasst. Der erste Anschluss 12 ist mit Anschlussklemmen 23 ausgebildet, an die ein nicht näher dargestelltes Feldgerät 20, 33 anschließbar ist. Die Plus-Ader 17 und die Minus-Ader 18 gehören zur Feldgerätverdrahtung 21, über die eine Versorgungsspannung 24 bereitgestellt wird. Die für den Betrieb des Feldgeräts erforderliche Versorgungsspannung 24 ist konstant, jedoch ist die bereitgestellte Stromstärke betriebsabhängig in ihrer Höhe veränderlich und entspricht dem elektrischen Leistungsbedarf des Feldgeräts 20, 33. Die Feldgerätverdrahtung 21 stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 12 und einer Schaltvorrichtung 26 her, die ein wahlweises einstellbares Verbinden mit einem zweiten Anschluss 14 oder einem dritten Anschluss 16 erlaubt. Die Schaltvorrichtung 26 dient als Wechselkontakt 28 und ist als DPDT-Wechselschalter 35 ausgebildet. Alternativ kann die Schaltvorrichtung 26 auch als DPCO-Wechselschalter 36 ausgebildet sein. Die Schaltvorrichtung 26 ist fest mit der Feldgeräteverdrahtung 21 des Feldgeräts 20, 33 gekoppelt und weist zwei Schaltstücke 25 auf. Ein Schaltstück 25 ist dazu ausgebildet, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Plus-Ader 17 der Feldgerätverdrahtung 21 und den Plus-Adern 17 herzustellen, die jeweils zu einer Geräteversorgung eines Feldbusses 11 oder zu einer Hilfsenergiequelle 30 führen. Ein weiteres Schaltstück 25 ist dazu ausgebildet, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Minus-Ader 18 der Feldgerätverdrahtung 21 und den Minus-Adern 18 herzustellen, die jeweils zu Geräteversorgung des Feldbusses 11 oder zur Hilfsenergiequelle 30 führen. Die Schaltstücke 25 sind mechanisch miteinander gekoppelt, so dass beide Schaltstücke 25 zwangsweise immer zusammen gleichsinnig betätigt werden. Der DPDT-Wechselschalter 35 als Schaltvorrichtung 26 stellt dadurch in Abhängigkeit seiner Schaltstellung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 12 und dem zweiten Anschluss 14 oder dem dritten Anschluss 16 her. Über die Plus-Ader 17 und die Minus-Ader 18 des zweiten Anschlusses 14 wird in 1 die Versorgungsspannung 24 an den Anschlussklemmen 23 für das Feldgerät 20, 33 dargestellt. Die Versorgungsspannung 24 wird der Geräteversorgung des Feldbusses 11 entnommen, der neben der Energieversorgung auch einen Austausch von nicht näher dargestellten Daten 22 zwischen dem Feldgerät 20, 33 und einer nicht näher dargestellten Steuereinheit 34 ermöglicht. Die vom Feldbus 11 bereitgestellte Versorgungsspannung 24 ist konstant, jedoch ist die bereitgestellte Stromstärke betriebsabhängig in ihrer Höhe veränderlich und ist an den Leistungsbedarf des Feldgeräts 20, 33 anpassbar.
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Die als Wechselkontakt 28 dienende Schaltvorrichtung 26 ist derart umschaltbar, dass die in 1 skizzierte elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 12 und dem zweiten Anschluss 14 geöffnet wird und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung mit dem dritten Anschluss 16 herstellbar ist. Nach einem derartigen Umschalten liefert die Hilfsenergiequelle 30 eine veränderliche Versorgungsspannung 24, mit der das Feldgerät 20, 33 betrieben wird. Der DPDT-Wechselschalter 26 ist bistabil und verbleibt selbsttätig in seiner zuletzt eingenommenen Stellung. Dadurch ist der Aufbau gemäß 1 robust gegen einen Ausfall der Versorgungsspannung 24. Beim DPDT-Wechselschalter 35 werden beide Schaltstücke 25 im Wesentlichen verzögerungsfrei gleichsinnig bewegt, so dass bei einem Umschalten die zu verbindende Plus-Ader 17 und Minus-Ader 18 gleichzeitig elektrisch kontaktiert werden. Dadurch wird ein schnelles und präzises Umschalten ermöglicht. Bei einem solchen Umschalten werden auch die zu öffnenden elektrischen Verbindungen an beiden Adern 17, 18 im Wesentlichen gleichzeitig gelöst. Durch die vollständige und gleichzeitige Trennung der entsprechenden Verbindung wird vermieden, dass gleichzeitig die Potentiale des zweiten Anschlusses 14 und des dritten Anschlusses 16 gleichzeitig am Feldgerät 20, 33 anliegen und dessen Kommunikation stören oder eine Beschädigung hervorrufen.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls 10 schematisch abgebildet. Das Feldbuskommunikationsmodul 10 weist einen ersten Anschluss 12 auf, der eine Plus-Ader 17 und eine Minus-Ader 18 umfasst. Der erste Anschluss 12 ist dazu ausgebildet, an Anschlussklemmen 23, an die ein nicht näher dargestelltes Feldgerät 20, 33 anschließbar ist. Die Plus-Ader 17 und die Minus-Ader 18 gehören zur Feldgerätverdrahtung 21, über die eine Versorgungsspannung 24 bereitgestellt wird. Die Versorgungsspannung 24 ist konstant, jedoch ist die bereitgestellte Stromstärke in ihrer Höhe veränderlich und entspricht dem elektrischen Leistungsbedarf des Feldgeräts 20, 33. Die Feldgerätverdrahtung 21 stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 12 und einer Schaltvorrichtung 26 her, die ein wahlweises einstellbares Verbinden mit einem zweiten Anschluss 14 oder einem dritten Anschluss 16 erlaubt. Die Schaltvorrichtung 26 dient als Wechselkontakt 28 und ist als bistabiles Relais 27 ausgebildet. Alternativ kann die Schaltvorrichtung 26 auch als monostabiles Relais 27 ausgebildet sein. Das bistabile Relais 27 ist über eine Kontaktierung mit dem Feldbus 11 verbunden, der eine Spannung zum Betrieb des Relais 27 bereitstellt. Die Schaltvorrichtung 26 ist fest mit der Feldgerätverdrahtung 21 des Feldgeräts 20, 33 gekoppelt und weist zwei Schaltstücke 25 auf. Ein Schaltstück 25 ist dazu ausgebildet, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Plus-Ader 17 der Feldgerätverdrahtung 21 und den Plus-Adern 17 herzustellen, die jeweils zu einer Geräteversorgung eines Feldbusses 11 oder einer Hilfsenergiequelle 30 führen. Ein weiteres Schaltstück 25 ist dazu ausgebildet, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Minus-Ader 18 der Feldgerätverdrahtung 21 und den Minus-Adern 18 herzustellen, die jeweils zu einem Feldbus 11 oder einer Hilfsenergiequelle 30 führen. Die Schaltstücke 25 sind mechanisch miteinander gekoppelt, so dass beide Schaltstücke 25 zwangsweise immer zusammen gleichsinnig betätigt werden. Die Schaltvorrichtung 26 verwirklicht das Prinzip eines mechanischen Wechselschalters 29. Das bistabile Relais 27 als Schaltvorrichtung 26 stellt dadurch in Abhängigkeit seiner Schaltstellung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 12 und dem zweiten Anschluss 14 oder dem dritten Anschluss 16 her. Über die Plus-Ader 17 und die Minus-Ader 18 des zweiten Anschlusses 14 wird in 1 die Versorgungsspannung 24 an den Anschlussklemmen 23 für das Feldgerät 20, 33 dargestellt. Die Versorgungsspannung 24 wird der Geräteversorgung des Feldbusses 11 entnommen, der auch einen Austausch von nicht näher dargestellten Daten 22 zwischen dem Feldgerät 20, 33 und einer nicht näher dargestellten Steuereinheit 34 ermöglicht. Die von der Geräteversorgung des Feldbusses 11 bereitgestellte Versorgungsspannung 24 ist konstant, die bereitgestellte Stromstärke jedoch betriebsbedingt in ihrer Höhe veränderlich, und damit an den Leistungsbedarf des Feldgeräts 20, 33 anpassbar.
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Das als Wechselkontakt 28 dienende Relais 27 ist derart elektrisch betätigt umschaltbar, dass die in 2 skizzierte elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 12 und dem zweiten Anschluss 14 geöffnet wird und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung mit dem dritten Anschluss 16 herstellbar ist. Nach einem derartigen Umschalten liefert die Hilfsenergiequelle 30 eine Versorgungsspannung 24, mit der das Feldgerät 20, 33 betrieben wird. Das bistabile Relais 27 verbleibt selbsttätig in seiner zuletzt eingenommenen Stellung. Ein eigenständiges Rückfallen in eine andere Schaltstellung wird verhindert. Insbesondere wird verhindert, dass bei kurzzeitigem Ausfall des Feldbus 11 die elektrische Versorgung des Feldgeräts 20, 33 von der Hilfsenergiequelle 30 auf die Geräteversorgung des Feldbusses 11 umgestellt wird. Bei einer Reaktivierung der Geräteversorgung des Feldbusses 11 würde das Feldgerät 20, 33 seine Versorgungsspannung 24 und die erforderliche Stromstärke dabei über den Feldbus 11 beziehen, so dass die Geräteversorgung des Feldbusses 11 überlastet wird, und im Zuge dessen die Kommunikation im Feldbus gestört werden kann oder eine Beschädigung eintreten kann. Dadurch ist der Aufbau gemäß 1 robust gegen einen elektrischen Ausfall innerhalb des nicht näher dargestellten Feldbus-Systems 32. Das bistabile Relais 27 kann von einer nicht näher dargestellten Steuereinheit 34 eines Feldbus-Systems 32 zeitlich exakt angesteuert werden. Dadurch wird die Einbindung des erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmoduls 10 in ein Feldbus-System erleichtert und das nutzbare Funktionsspektrum erweitert.
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Bei einem Umschalten des bistabilen Relais 27 werden auch die zu öffnenden elektrischen Verbindungen an beiden Adern 17, 18 im Wesentlichen gleichzeitig gelöst. Durch die vollständige und gleichzeitige Trennung der entsprechenden Verbindung wird vermieden, dass die Potentiale des zweiten Anschlusses 14 und dritten Anschlusses 16 gleichzeitig am Feldgerät 20, 33 anliegen und auf dessen Kommunikation einwirken oder eine Beschädigung verursachen.
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In 3 ist schematisch der Aufbau des erfindungsgemäßen Feldbus-Systems 32 dargestellt. Das Feldbus-System 32 umfasst eine Steuereinheit 34, die als übergeordnete Instanz verwendet wird, die den Betrieb der weiteren Komponenten im Feldbus-System koordiniert. Die Steuereinheit 34 ist mittels eines Feldbus 11 mit einem erfindungsgemäßen Feldbuskommunikationsmodul 10 verbunden und tauscht mit dem Feldbuskommunikationsmodul 10 Daten 22 aus, die durch Pfeile abgebildet sind. Die Daten 22 umfassen Messdaten von einem drahtgebundenen Sensor 20 und Befehle an einen drahtgebundenen Aktor 33 und/oder vom Feldbuskommunikationsmodul 10 selbst. Der drahtgebundene Aktor 33 und der drahtgebundene Sensor 20 sind jeweils über eine Feldgerätverdrahtung 21 mit dem Feldbuskommunikationsmodul 10 verbunden. Ferner ist das Feldbuskommunikationsmodul 10 mittels einer Verkabelung 19, die eine Plus-Ader 17 und eine Minus-Ader 18 umfasst, mit einer Hilfsenergiequelle 30 verbunden. Eine Geräteversorgung des Feldbusses 11 und die Hilfsenergiequelle 30 sind dazu ausgebildet, eine Versorgungsspannung 24 bei einer veränderlichen Stromstärke bereitzustellen, die zum Betrieb der Feldgeräte 20, 33 erforderlich ist. Das Feldbuskommunikationsmodul 10 ist mit einer Schaltvorrichtung 26 versehen, die als Wechselkontakt 28 dient. Die Schaltvorrichtung 26 ist dazu ausgebildet, einen ersten Anschluss 12 am Feldgerät 20, 33 wechselweise mit einem zweiten Anschluss 14 der Geräteversorgung des Feldbusses 11 und einem dritten Anschluss 16 an der Hilfsenergiequelle 30 elektrisch leitend zu verbinden.
