DE10220708A1 - Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus - Google Patents
Speisesystem für einen eigensicheren FeldbusInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus in explosionsgefährdeten Betriebsanlagen, bestehend aus einem Feldbusspeisegerät (1) und einer Mehrzahl von parallel an eine gemeinsame zweiadrige Feldbusleitung (3) angeschlossenen Feldgeräten (2). Zur Erhöhung der Anzahl der an denselben Feldbus anschaltbaren Feldgeräte (2), unter Aufrechterhaltung der Schutzart Eigensicherheit, wird vorgeschlagen, den Isolationswiderstand der zweiadrigen Feldbusleitung (3) in Abhängigkeit vom Induktivitätsbelag der Feldbusleitung (3) derart herabzusetzen, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag und dem Isolationswiderstand eine vorgebbare minimale Zeitkonstante mindestens erreicht.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus in explosionsgefährdeten Betriebsanlagen.
- Derartige eigensichere Feldbusse sind insbesondere in der chemischen Industrie gebräuchlich.
- Feldbusse sind elektrische Einrichtungen zur Kommunikation zwischen im explosionsgefährdeten Bereich, dem sogenannten Feldbereich, angeordneten Feldgeräten wie Sensoren, Aktoren und Messumformern einerseits und im nicht- explosionsgefährdeten Bereich, dem sogenannten Wartenbereich, angeordneten Steuerungs- und Regelungssystemen andererseits. Üblicherweise ist ein Feldbus als Zweidrahtleitung ausgeführt, die gleichzeitig zur Übertragung der Speiseleistung der angeschlossenen Feldgeräte dient. Die Kommunikation erfolgt dabei digital, beispielsweise mittels FSK-Modulation.
- Zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen sind an elektrische Betriebsmittel besondere Anforderungen gestellt, um einen möglichen Explosionsunfall auszuschließen. Bei der Installation und Inbetriebnahme von elektrotechnischen Einrichtungen und Ausrüstungen sowie bei Wartungsarbeiten an elektrotechnischen Einrichtungen und Ausrüstungen in verfahrenstechnischen Anlagen, die sich aufgrund ihrer Zweckbestimmung in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre befinden, ist die Beachtung einschlägiger Rechtsvorschriften wie die "Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen - ElexV" und die europäischen Normen zum Explosionsschutz EN 50 014 ff verbindlich.
- Aufgrund dieser Rechtsvorschriften ist es ausschließlich bei eigensicheren Stromkreisen, die als Zündschutzart "Eigensicherheit" den Regeln der EN 50 020 unterliegen, gestattet, während des laufenden Betriebes elektrische Leitungen bedingungslos ab- und anzuklemmen, zu erden sowie kurzzuschließen.
- Eigensichere Stromkreise sind daher leistungsbegrenzt und somit zum Anschluss von Geräten und Einrichtungen mit einem den vorgegebenen Grenzwert übersteigenden Leistungsbedarf ungeeignet.
- Bei allen anderen Zündschutzarten ist vor der Manipulation an elektrischen Stromkreisen die gesamte Anlage soweit spannungsfrei zu schalten, dass metallische Bauteile der betreffenden Stromkreise spannungslos sind. Dabei wird der Fortgang des auf der verfahrenstechnischen Anlage ablaufenden Prozesses für die Zeitspanne zwischen Spannungsfreischaltung und Wiederinbetriebnahme unterbrochen. Anschließend ist der Prozess neu anzufahren. Diese Unterbrechungen werden von Betreibern derartiger verfahrenstechnischer Anlagen als überaus störend empfunden.
- Bekannt ist der sogenannte Profibus-PA der Profibus-Nutzerorganisation e. V. in Karlsruhe, insbesondere durch das Dokument "Profibus Richtlinie/Inbetriebnahmeleitfaden", Best.-Nr. 2.091, Ausgabe 1.1, September 1996, und basierend auf dem PTB-Bericht W-53 "Untersuchungen zur Eigensicherheit bei Feldbus-Systemen (FISCO-Modell)", der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig, März 1993.
- Wegen der anwenderseitig geforderten geräteherstellerunabhängigen Interoperabilität zwischen den elektrischen Betriebsmitteln hat sich der Profibus-PA als Quasi- Industriestandard etabliert.
- Beim Profibus-PA sind in einem Bussegment ausgehend von einem Feldbusspeisegerät eine Mehrzahl von Feldgeräten parallel an eine gemeinsame zweiadrige Busleitung angeschlossen. Infolge der oben bereits erwähnten Leistungsbegrenzung ist die Anzahl der an einem Bussegment betreibbaren Feldgeräte auf wenige Stück begrenzt.
- Die Leistungsbegrenzung resultiert aus den elektrischen Eigenschaften einer Zweidrahtleitung, die unvermeidbar mit einem Induktivitätsbelag und einem Kapazitätsbelag behaftet ist. Beim in einem eigensicheren Stromkreis zugelassenen Kurzschluss der Busleitungen führt die gespeicherte Energie des Kapazitätsbelags zu einem Schließfunken. Beim Öffnen des Kurzschlusses führt die gespeicherte Energie des Induktivitätsbelags zu einem Öffnungsfunken. Die elektrische Leistung in einem eigensicheren Stromkreis ist soweit reduziert, dass die Funkenenergie des Schließfunken und des Öffnungsfunken jeweils sicher unterhalb der Zündenergie bleibt, die zur Zündung der umgebenden explosionsgefährdeten Atmosphäre führt.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für den bekannten Feldbus ein Speisesystem anzugeben, das die parallele Anschaltung von mehr Feldgeräten als bisher unter Aufrechterhaltung der Schutzart Eigensicherheit gestattet.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
- Der Erfindung liegt die Erfahrung zugrunde, dass die aus dem Kapazitätsbelag resultierende Funkenenergie beim Kurzschluss der zweiadrigen Feldbusleitungen bei üblichen Adernquerschnitten bereits durch den Leitungswiderstand wirksam begrenzt wird.
- Das Wesen der Erfindung besteht nunmehr darin, dass der Isolationswiderstand der zweiadrige Busleitung in Abhängigkeit vom Induktivitätsbelag der Busleitung derart herabgesetzt ist, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag und dem Isolationswiderstand eine vorgebbare minimale Zeitkonstante mindestens erreicht.
- Übliche Isolationswiderstände konfektionierter Leitungen, wie sie als Feldbusleitungen verwendet werden, liegen bei etwa 1012 Ω.m und sind somit praktisch vernachlässigbar, womit der üblichen Forderung nach möglichst verlustfreier Energieübertragung Rechnung getragen wird.
- Entgegen dem allgemeinen Entwicklungstrend der Fachwelt nach höheren Isolationswiderständen ist es Gegenstand der Erfindung, den Isolationswiderstand für Feldbusleitungen definiert herabzusetzen.
- Der reduzierte und somit nicht mehr vernachlässigbare Isolationswiderstand begrenzt in Abhängigkeit von seiner Dimension die aus dem Induktivitätsbelag resultierende Funkenenergie beim Öffnen eines Kurzschlusses zwischen den zweiadrigen Feldbusleitungen. Im einzelnen ist vorgesehen, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag und dem Isolationswiderstand eine vorgebbare minimale Zeitkonstante mindestens erreicht. Je kleiner der Isolationswiderstand desto größer ist bei vorgegebenem Induktivitätsbelag die Zeitkonstante und umso geringer ist die aus dem Induktivitätsbelag resultierende Funkenenergie beim Öffnen eines Kurzschlusses zwischen den zweiadrigen Feldbusleitungen.
- Durch eine geeignete Dimensionierung des Isolationswiderstands in Abhängigkeit von dem Induktivitätsbelag der Feldbusleitung ist unter Aufrechterhaltung der Schutzart Eigensicherheit ein höherer Strom durch die Feldbusleitung als bisher zulässig, der die parallele Anschaltung von mehr Feldgeräten an denselben Feldbusstrang ermöglicht.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Feldbussystems
- Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zur Ermittlung des induktiven Zündverhaltens
- Fig. 3 ein Ersatzschaltbild zur Ermittlung des kapazitiven Zündverhaltens
- In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Feldbussystems dargestellt. Ausgehend von einem Feldbusspeisegerät 1 ist eine Mehrzahl von Feldgeräten 2 über eine zweiadrige Feldbusleitung 3 mit dem Feldbusspeisegerät 1 verbunden. Das Feldbusspeisegerät 1 ist im Wartenbereich angeordnet, der als nicht-explosionsgefährdeter Bereich angesehen wird. Die Feldgeräte 2 sind im explosionsgefährdeten Bereich, dem sogenannten Feldbereich, angeordnet und sind parallel an die Feldbusleitung 3angeschlossen. Die Feldgeräte 2 können als Sensoren, Aktoren und/oder Messumformer ausgeführt sein.
- Über die Feldbusleitung 3 werden die Speiseleistung für die Feldgeräte 2 und die Signale zur Kommunikation der Feldgeräte 2 mit Steuerungs- und Regelungssystemen im Wartenbereich übertragen.
- Die Feldbusleitung 3 ist elektrisch im wesentlichen durch einen Leitungswiderstand, einen Isolationswiderstand, einen Induktivitätsbelag und einen Kapazitätsbelag gekennzeichnet, die über die Länge der Feldbusleitung 3 verteilt sind und deren Dimension von der Länge der Feldbusleitung 3 abhängig ist.
- Zur Ermittlung des induktiven Zündverhaltens ist in Fig. 2 aus Anschaulichkeitsgründen ein Ersatzschaltbild mit konzentrierten Bauelementen gezeigt. Dazu ist an einem Ende der Feldbusleitung 3 das Feldbusspeisegerät 1 und an dem anderen Ende ein Funkenprüfgerät 4 angeschlossen. Die Ersatzschaltung des Feldbusspeisegeräts 1 besteht aus einer Spannungsquelle 11 und einem Innenwiderstand RI mit dem Bezugszeichen 12. Das Funkenprüfgerät 4 besteht aus einem Schalter 41, der an die beiden Adern der Feldbusleitung 3 angeschlossen ist. Zur Nachbildung der explosionsgefährdeten Atmosphäre im Feldbereich ist das Funkenprüfgerät 4 in Umgebung des Schalters 41 mit einem explosionsfähigen Prüfgasgemisch definierter Menge gefüllt.
- Für das induktive Zündverhalten des Feldbusses sind der Induktivitätsbelag L mit dem Bezugszeichen 31, der Leitungswiderstand RL mit dem Bezugszeichen 34 und der Isolationswiderstand Riso mit dem Bezugszeichen 33 maßgeblich.
- Bei geschlossenem Zustand des Schalters 41 stellt sich ein Schleifenstrom I0 ein, der von der Spannung U0, vom Innenwiderstand RI der Spannungsquelle 11 und vom Leitungswiderstand RL abhängig ist.
I0 = U0/(RI + RL)
- Beim Öffnen des Schalters 41 steigt die Induktionsspannung UL = L.dIL/dt des Induktivitätsbelags L sprungförmig an. Infolge des erfindungsgemäß reduzierten Isolationswiderstands Riso wird die Induktionsspannung UL nur im Teilerverhältnis Riso/(Riso + RI + RL) im reduzierten Umfang am Schalter 41 wirksam. Demzufolge verteilt sich die im Induktivitätsbelag L gespeicherte Energie auf den Isolationswiderstand Riso und den Öffnungsfunken im Funkenprüfgerät 4. Die Funkenenergie am Schalter 41 sinkt im Maße der Reduzierung des Isolationswiderstands Riso. Unter Aufrechterhaltung einer Grenzfunkenenergie am Schalter 41 ist ein größerer Schleifenstrom I0 zulässig, der während des bestimmungsgemäß ungestörten Betriebes zur Speisung einer größeren Anzahl von Feldgeräten 2 geeignet ist.
- Das Zeitverhalten für das induktive Zündverhalten des Feldbusses wird durch die Zeitkonstante τL = L/Riso beschrieben. Je größer die Zeitkonstante τL ist, umso gedämpfter ist die Entladung der im Induktivitätsbelag L gespeicherten Energie. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zeitkonstante τL einen vorgebbaren Minimalwert mindestens erreicht.
- Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in Fig. 3 ein Ersatzschaltbild mit konzentrierten Bauelementen zur Ermittlung des kapazitiven Zündverhaltens gezeigt.
- Für das kapazitive Zündverhalten des Feldbusses sind der Kapazitätsbelag C mit dem Bezugszeichen 32 und der Leitungswiderstand RL mit dem Bezugszeichen 34 maßgeblich.
- Ausgehend vom geöffneten Zustand des Schalters 41 liegt über dem Kapazitätsbelag C die Spannung U0 der Spannungsquelle 11 an. Beim Schließen des Schalters 41 entlädt sich die im Kapazitätsbelag C gespeicherte Energie in dem Schließfunken im Funkenprüfgerät 4. Der Maschenstrom wird durch den Leitungswiderstand RL gedämpft.
- Das Zeitverhalten für das kapazitive Zündverhalten des Feldbusses wird durch die Zeitkonstante τC = C.RL beschrieben. Je größer die Zeitkonstante τC ist, umso gedämpfter ist die Entladung der im Kapazitätsbelag C gespeicherten Energie.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitkonstanten τL und τC für das induktive und das kapazitive Zündverhalten höchstens um eine Zehnerpotenz unterscheiden; 0,1τL < τC < 10τL.
- Insbesondere ist vorgesehen, dass die Zeitkonstanten τL und τC für das induktive und das kapazitive Zündverhalten gleich sind; τL = τC. Damit wird erreicht, dass der zeitliche Verlauf der Entladung der Funkenenergie bei Kurzschluss - Schließen des Schalters 41 - und dessen Aufhebung - Öffnen des Schalters 41 - unabhängig von der Art der gespeicherten Energie gleich ist. Bezugszeichenliste 1 Feldbusspeisegerät
11 Spannungsquelle
12 Innenwiderstand
2 Feldgerät
3 Feldbusleitung
31 Induktivitätsbelag
32 Kapazitätsbelag
33 Isolationswiderstand
34 Leitungswiderstand
4 Funkenprüfgerät
41 Schalter
Claims (3)
1. Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus in explosionsgefährdeten
Betriebsanlagen bestehend aus einem Feldbusspeisegerät und einer Mehrzahl von
parallel an eine gemeinsame zweiadrige Feldbusleitung angeschlossenen
Feldgeräten
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Isolationswiderstand (33) der zweiadrige Feldbusleitung (3) in
Abhängigkeit vom Induktivitätsbelag (31) der Feldbusleitung (3) derart
herabgesetzt ist, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag (31) und dem
Isolationswiderstand (33) eine vorgebbare minimale Zeitkonstante mindestens
erreicht.
2. Speisesystem nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass die vorgebbare Zeitkonstante im Bereich des 0,1- bis 10-fachen des Produkts
aus dem Kapazitätsbelag (32) und dem Leitungswiderstand (34) der zweiadrige
Feldbusleitung (3) liegt.
3. Speisesystem nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet,
dass die vorgebbare Zeitkonstante mit dem Produkt aus dem Kapazitätsbelag (32)
und dem Leitungswiderstand (34) der zweiadrige Feldbusleitung (3) übereinstimmt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
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DE10220708B4 DE10220708B4 (de) | 2008-08-07 |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2002
- 2002-05-10 DE DE2002120708 patent/DE10220708B4/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
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EP0666631A2 (de) * | 1994-02-04 | 1995-08-09 | MANNESMANN Aktiengesellschaft | Speisesystem für einen Feldbus |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
W. Borst: Der Feldbus in der Maschinen- und Anlagentechnik, Francis-Verlag GmbH & Co. KG, München 1992, S. 58-64 * |
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