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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von Automatisierungskomponenten, umfassend einen Master zur Steuerung und Spannungsversorgung wenigstens eines mit dem Master elektrisch verbundenen Slaves, wobei dem Master eine Spannungsquelle und dem Slave ein Verbraucher zugeordnet ist.
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Der Master stellt in einem solchen Automatisierungssystem eine Kopfstation dar, mit der die Slaves verbunden sind und mit der sie kommunizieren. Sowohl der Master als auch die Slaves müssen hierbei selbstverständlich mit einer Stromversorgung versehen werden, so dass die Komponenten die für sie vorgesehenen Aufgaben erfüllen können. Ebenfalls müssen die Komponenten miteinander kommunizieren können, wofür es bekannt ist, eine Kommunikationsleitung vorzusehen, die bedarfsweise auch eine Funkstrecke oder auch eine optische Verbindung sein kann.
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Allerdings besteht das Problem, dass Automatisierungsumgebungen große Ausmaße annehmen können, bei denen das Hinzufügen von Leitungen für Kommunikation, Energieversorgung und dergleichen mehr sehr kostenintensiv ist, so dass der Wunsch besteht, den Materialeinsatz für Kabelstränge zwischen den Komponenten möglichst gering zu halten, mithin auch die verwendeten Leitungsquerschnitte so weit wie möglich zu reduzieren.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von Automatisierungskomponenten zu schaffen, welche die Anzahl und den Umfang benötigter Leitungen zur Versorgung und Kommunikation so weit wie möglich reduziert und es gleichzeitig ermöglicht, die Automatisierungskomponenten zentral in einen sicheren Nothalt-Zustand zu versetzen.
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Dies gelingt durch eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von Automatisierungskomponenten gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere, sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Vorrichtung können den sich anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Spannungsversorgung des oder der Slaves über den Master erfolgt. Dazu weist der Master eine Spannungsquelle auf, welche den Slaves ihre Spannung über eine Verbindungsleitung bereitstellt. Auf der Seite des Masters befindet sich hierbei ein Sicherheitsrelais, mit dem eine spannungsführende Leitung der Verbindungsleitung mit einer Sicherheitsleitung der Verbindungsleitung kurzgeschlossen werden kann. Einem elektrischen Verbraucher des Slaves stehen hierdurch sowohl die spannungsführende Leitung als auch die Sicherheitsleitung zur Spannungsversorgung zur Verfügung. Die Leitungsstärke, also Materialdicke, der Sicherheitsleitung und auch der spannungsführenden Leitung kann so dimensioniert werden, dass diese gemeinsam für die Versorgung des Verbrauchers ausreichend sind. Dies spart die Verwendung eines größeren Querschnitts ein. Eine niederohmige Leitung schließt den Stromkreis und komplettiert die wenigstens dreiadrige Verbindungsleitung, welche erfindungsgemäß vorgesehen ist.
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In einem Notfall wird ein Alarm ausgelöst, welcher den Master dazu veranlasst, das Sicherheitsrelais zu betätigen, welches daraufhin die Sicherheitsleitung kopfseitig von der spannungsführenden Leitung trennt und mit der niederohmigen Leitung, beispielsweise eine Masseleitung, verbindet. Da in dem Slave eine Verbindung der Sicherheitsleitung mit der spannungsführenden Leitung noch besteht, entsteht ein Kurzschluss und am Verbraucher liegt keine Spannung mehr an. Hierdurch kann vom Master aus ein Nothalt aller Slaves ausgelöst werden, was in dieser einfachsten Ausgestaltung unweigerlich dazu führen wird, dass eine Sicherung auslöst und das System abgestellt wird.
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In einem ersten Schritt der Konkretisierung kann es sinnvoll sein, wenn die niederohmige Leitung einen größeren Querschnitt aufweist als die Sicherheitsleitung oder die spannungsführende Leitung. In dem Fall, dass die letzteren beiden Leitungen parallel geschaltet sind, ergibt sich hieraus eine gleichmäßigere Auslastung der Zuleitung und der Ableitung.
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In jedem Fall ist es sinnvoll, wenn für den Fall eines Kurzschlusses eine Sicherung vorgesehen ist. Diese kann insbesondere in der Kopfstation angeordnet sein, so dass bei einem Kurzschluss sofort eine Stilllegung der Leitung erreicht wird.
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Ergänzend kann aber zur Vermeidung einer solchen vollständigen Stilllegung der Leitung jedem Slave eine Diode zugeordnet sein, welche derart zwischen der Sicherheitsleitung und der spannungsführenden Leitung angeordnet ist, dass die Diode einen Stromfluss von der spannungsführenden Leitung zu der Sicherheitsleitung sperrt. Wird die Sicherheitsleitung dann auf das Potenzial der niederohmigen Leitung gezogen, entsteht kein Kurzschluss, aber dem Verbraucher steht nur noch eine Leitung, nämlich die eigentliche spannungsführende Leitung, zur Spannungsversorgung zur Verfügung. Hierdurch wird der Slave nicht außer Betrieb gesetzt, sondern lediglich die bereitgestellte Stromstärke reduziert. Dies führt insbesondere bei Leistungselektronik dazu, dass diese nicht mehr ausreichend versorgt werden kann und dadurch abgestellt wird. sparsamere Komponenten, wie etwa Kommunikationselemente, Sensoren und Auswerteelektronik stehen hingegen auch mit dem verringerten Leitungsquerschnitt noch zur Verfügung und können in diesem Betriebsmodus weiter betrieben werden.
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Mit einigem Vorteil kann nicht nur den Verbrauchern der Slaves, sondern auch dem Master ein Kommunikationsmodul zugeordnet sein, welches sowohl mit den Verbrauchern der Slaves, als auch mit einem Sicherheitsmodul kommuniziert, welches in jedem der Slaves vorgesehen sein kann. Ein solches Sicherheitsmodul kann insbesondere über die Sicherheitsleitung mit dem Master kommunizieren, indem der Spannungspegel als Signal genutzt wird oder Nachrichtenpakete über die Sicherheitsleitung im Multiplex-Verfahren versandt werden. Solche Nachrichtenpakete können insbesondere bei der Feststellung eines Fehlerfalls auch diesen an den Master weitermelden und das Auslösen des Sicherheitsrelais bewirken.
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Hierzu kann das Sicherheitsmodul insbesondere schaltungstechnisch zwischen der Sicherheitsleitung und der niederohmigen Leitung angeordnet sein. Bedarfsweise kann dem Sicherheitsmodul auch ein Spannungswandler zugeordnet sein, der eine feste vorgegebene Spannung ausgibt.
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Mit einigem Vorteil kann der Master über einen Konnektor an seinem Ausgang mit dem Slave lösbar verbunden sein. Aufgrund der lediglich drei erforderlichen Adern der Verbindungsleitung erfordert auch der Konnektor als solcher nur eine sehr geringe Komplexität. Ein entsprechender Konnektor ist auch eingangsseitig am Slave vorgesehen. Hier kann ein Hintereinanderschalten von Slaves ermöglicht werden, indem die Anschlüsse des Konnektors nochmals auf einen oder mehrere weitere Konnektoren vervielfältigt werden, was logisch zwar eine Reihe ergibt, aber schaltungstechnisch eine Parallelschaltung darstellt. Solange die Stromstärke der Leitungen hierfür ausreichend ist, kann auf diese Weise eine Kette von mehreren Slaves gleicher Spannung aufgebaut werden, die als gemeinsame Automatisierungsumgebung eingerichtet sind.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 ein Prinzipschaltbild einer Automatisierungsumgebung mit einem Master als Kopfstation und mehreren hintereinander mit diesem verbundenen Slaves, sowie
- 2 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Masters und eines mit diesem verbundenen Slaves.
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Automatisierungsumgebung. Die Kopfstation wird von einem Master 1 gebildet, der über eine Verbindungsleitung 4 mit einem Slave 2 elektrisch leitend verbunden ist. Der Slave 2 ist seinerseits über eine weitere Verbindungsleitung 4 mit einem weiteren Slave 3 verbunden, wobei die Verbindung zwischen dem Slave 2 und dem weiteren Slave 3 schaltungstechnisch eine Parallelschaltung der beiden Slaves 2 und 3 darstellt.
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Die Verbindungsleitung 4 besteht hierbei aus drei einzelnen Adern, nämlich einer spannungsführenden Leitung 5, einer niederohmigen Leitung 6 und einer Sicherheitsleitung 7. Die Funktion dieser Kombination an verschiedenen Komponenten einer Automatisierungsumgebung wird in der nachfolgenden 2 näher erläutert.
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Die 2 zeigt hierzu exemplarisch nur einen Master 1 und einen Slave 2. Dem Master 1 selbst ist eine Spannungsversorgung zugeordnet, welche die spannungsführende Leitung 5 und die niederohmige Leitung 6, vorzugsweise eine Masseleitung, speist. Die im Master 1 mündende Sicherheitsleitung 7 kann über ein Sicherheitsrelais 8 alternativ entweder mit der spannungsführenden Leitung 5, beispielsweise einer Gleichstromleitung, wiederum beispielsweise mit 12 Volt Spannung, oder mit der potenzialfreien Masseleitung verbunden werden. Im gezeigten Betriebszustand ist die Sicherheitsleitung 7 mit der spannungsführenden Leitung 5 verbunden. Diese drei Adern werden über eine Verbindungsleitung 4 an einen dreipoligen Konnektor 9 des Slaves angelegt, der wiederum mit einem parallelgeschalteten weiteren Konnektor 10 verbunden ist. An diesem weiteren Konnektor 10 kann dann der in 1 gezeigte weitere Slave 3 angeschlossen werden, der baugleich ist und an den seinerseits wiederum weitere Slaves angeschlossen werden können.
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Neben der Parallelschaltung des weiteren Konnektors 10 ist an der spannungsführenden Leitung 5 jedoch auch ein Verbraucher 11 angehängt. Er wird über die spannungsführende Leitung versorgt, benötigt für seine vollständige Versorgung jedoch eine weitere Leitung, um die benötigte Stromstärke zu erreichen. Aus diesem Grund ist die eingangsseitig über das Sicherheitsrelais mit der spannungsführenden Leitung 5 verbundene Sicherheitsleitung 7 unter Zwischenschaltung einer Diode 12 unmittelbar vor dem Verbraucher 11 nochmals mit der spannungsführenden Leitung 5 verbunden, so dass dem Verbraucher im Prinzip von der Spannungsversorgung bei dem Master bis zum Verbraucher selbst zwei Leitungen 5 und 7 zur Verfügung stehen. Diese beiden Leitungen 5 und 7 sind so dimensioniert, dass sie für die Versorgung des Verbrauchers ausreichend sind. Insbesondere sind die beiden Leitungen 5 und 7 so dimensioniert, dass große Verbraucher durch sie ebenfalls versorgt sind, während kleinere Verbraucher oder Teile eines als Gesamtschaltung betrachteten Verbrauchers auch bereits nur über die spannungsführende Leitung 5 versorgt werden können.
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Zwischen der Sicherheitsleitung 7 und der niederohmigen Leitung 6 ist zudem ein Sicherheitsmodul geschaltet, welches auf zwei Arten genutzt werden kann.
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Gemäß einer ersten Nutzungsvariante wird im Falle einer Fehlfunktion oder einer sonstigen Alarmierung ein Auslösesignal über die Sicherheitsleitung 7 an den Master 1 geschickt, welcher dieses Auslösesignal mit einem nicht dargestellten Kommunikationsmodul empfängt. Dieses wird eine Auslösung des Sicherheitsrelais 8 bewirken, welches nun die Sicherheitsleitung 7 von der spannungsführenden Leitung 5 löst und stattdessen mit der niederohmigen Leitung 6 verbindet. Der Verbraucher 11 ist nunmehr nur noch über die spannungsführende Leitung 5 mit Spannung versorgt, welche lediglich für Module zur Kommunikation und Sensorauswertung ausreicht, nicht aber für den Betrieb von Aktoren.
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Eine zweite Nutzungsvariante sieht vor, dass aufseiten des Masters 1 eine Alarmierung stattfindet, welche zur Auslösung des Sicherheitsrelais 8 führt, womit der Spannungspegel der Sicherheitsleitung 7 auf das Niveau der niederohmigen Leitung 6 gebracht wird. Diese Pegelinformation wird nun vom Sicherheitsmodul 14 dazu genutzt, den Verbraucher 11 über einen nicht dargestellten Mechanismus innerhalb jedes Slaves 2, 3 stillzulegen.
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Dadurch ist der Slave 2, 3 in einen hinsichtlich des Betriebs sicheren Modus versetzt, der alle mechanischen Betriebsmittel anhält. Kommunikation und Analyse können jedoch weiter betrieben werden, da aufgrund der Diode 12 die Spannung am Verbraucher 11 nicht abfällt. Nach Behebung der aufgetretenen Störung kann der Betrieb durch Rücksetzen des Sicherheitsrelais 8 wieder aufgenommen werden.
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Vorstehend beschrieben ist somit eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung von Automatisierungskomponenten, welche die Anzahl und den Umfang benötigter Leitungen zur Versorgung und Kommunikation so weit wie möglich reduziert und es gleichzeitig ermöglicht, die Automatisierungskomponenten zentral in einen sicheren Nothalt-Zustand zu versetzen. Dies gelingt, indem eine Sicherheitsleitung im Normalbetrieb für die Spannungsversorgung eingesetzt wird, die im Sicherheitsfall von der Spannungsversorgung abgezogen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Master
- 2
- Slave
- 3
- weiterer Slave
- 4
- Verbindungsleitung
- 5
- spannungsführende Leitung
- 6
- niederohmige Leitung
- 7
- Sicherheitsleitung
- 8
- Sicherheitsrelais
- 9
- Konnektor
- 10
- weiterer Konnektor
- 11
- Verbraucher
- 12
- Diode
- 13
- Spannungswandler
- 14
- Sicherheitsmodul
