DE10351356A1

DE10351356A1 - Verfahren zur Identifikation von analogen Messsignalgebern und zugehörige Anordnung

Info

Publication number: DE10351356A1
Application number: DE10351356A
Authority: DE
Inventors: Jürgen RUPP
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-23
Also published as: EP1680771A1; US7564251B2; US20070035316A1; WO2005045783A1

Abstract

Einzelne Messsignalgeber haben jeweils einen unterschiedlich spezifischen Signaltyp. Entsprechend müssen sie an die analogen Messeingänge angeschlossen werden. Gemäß der Erfindung wird eine einstellbare Spannung mit einstellbarer Strombegrenzung oder es wird ein einstellbarer Strom mit einstellbarer Spannungsbegrenzung verwendet, die Spannung oder der Strom werden an den Messsignalgeber angeschlossen und das zugehörige Signal wird erfasst und entsprechend dem Typ des Messsignalgebers klassifiziert. Es kann somit eine automatisierte Integration des Messsignalgebers erfolgen. Die zugehörige Anordnung kann Teil der gesamten Baugruppe sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Identifikation von analogen Messsignalgebern in Schaltungen der Mess- und Automatisierungstechnik, wobei die einzelnen Messsignalgeber einen jeweils spezifischen Signaltyp aufweisen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Anordnung.
Geräte der Mess- und Automatisierungstechnik verfügen häufig über analoge Messeingänge. Gebräuchliche Signaltypen sind dabei +/–10 V, +/–20 mA, 4 bis 20 mA, 50 mV (Thermoelemente) oder Widerstandsmessungen, beispielweise für PT 100 oder PT 1000. Derzeit wird der Signaltyp meist manuell an den Automatisierungseinrichtungen eingestellt, sei es hardwaremäßig mit Schaltern/Codiersteckern oder softwaremäßig mit elektronischen Schaltern. Eine Falscheinstellung führt in der Regel zur Fehlfunktion, im schlimmsten Fall sogar zur Zerstörung des Messeinganges.
Beim Stand der Technik wird also der Signaltyp vorgegeben. Um Fehler und Beschädigungen zu vermeiden, muss dabei die richtige Einstellung überprüft werden.
Von letzterem ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem Messsignalgeber automatisch erkannt werden können. Daneben soll eine zugehörige Anordnung geschaffen werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Anordnung ist Gegenstand des Patentanspruches 13. Weiterbildungen des Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der Erfindung ist es möglich, den Signaltyp automatisch zu erkennen und die richtige Einstellung ebenfalls automatisch vorzunehmen bzw. bei einer falschen Einstellung einen Warnhinweis zu generieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem Ausmessen des angeschlossenen Gebers, wobei unterschiedliche Strom-Spannungskennlinien der Gebertypen erkannt werden. Zum Ausmessen eignet sich sowohl eine einstellbare Spannungsquelle mit ebenfalls einstellbarer Strombegrenzung als auch eine einstellbare Stromquelle mit einstellbarer Spannungsbegrenzung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 und 2 Prinzipschaltbilder der Messvorrichtung zum Ausmessen von Geberkennlinien,
3 eine Übersicht unterschiedlicher Kennlinien und
4 und 5 Abklingkurven bei Abklingvorgängen von Thermoelementen mit gleichpoliger und mit gegenpoliger Reaktion.
In den 1 und 2 sind Prinzipschaltbilder der Messelektronik wiedergegeben. Es bedeuten 1 eine einstellbare Spannungsquelle und 2 eine einstellbare Strombegrenzung, 3 eine einstellbare Stromquelle und 4 eine einstellbare Spannungsbegrenzung, wobei Anschlüsse für den auszumessenden Geber vorhanden sind. Beide Alternativen sind äquivalent. Zum Ausmessen eignet sich sowohl eine einstellbare Spannungsquelle mit ebenfalls einstellbarer Strombegrenzung als auch eine einstellbare Stromquelle mit einstellbarer Spannungsbegrenzung. Zum Ausmessen der Kennlinie ist die Spannung oder der In der 3 sind Kennlinien 11 bis 16 der relevanten Signaltypen von Messwertgebern außer Thermoelementen, auf die weiter unten eingegangen wird zusammengefasst: Aufgetragen ist der Geberstrom I in Milli-Ampere (mA) auf der Abszisse und die Geberspannung U in Volt (V) auf der Ordinate. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich alle Kennlinien unterscheiden und somit eindeutig detektierbar sind. Bei den Spannungs-Stromgebern ist der am schlechtesten zu erkennende Fall eines Null-Signals aufgezeigt. Bei einem Signal ungleich Null werden die entsprechenden Flanken verschoben. Bei unipolaren Gebern knickt die Kennlinie schon bei Null ab. Ein Verhalten, was ebenfalls eindeutig detektiert werden kann.
Zur Erkennung von Thermoelementen müssen die Abklingkurven ausgewertet werden. Die Erkennung von Thermoelementen erfolgt über die Reaktion des Elementes auf eine Anregung mit Strom. In den 4 und 5 sind die Oszillogramme einer solchen Anregung mit unterschiedlicher Polarität gezeigt, wobei die Abszisse die Zeit in sec und die Ordinate die Spannung in Volt wiedergibt. Deutlich sind die große Zeitkonstante des Abklingvorganges und die Umkehrung der Polarität in 5 zu erkennen.
Nachfolgend werden im Einzelnen die unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten angegeben.
Die kennzeichnende Eigenschaft von Spannungsgebern entsprechend Kennlinie 15 ist, dass sie dem Messeingang eine definierte Spannung einprägen, bis an die Stromgrenze, die von der technischen Realisierung mit elektronischen Schaltkreisen herrührt. Gebräuchliche Geber haben meist einen Ausgangsspannungsbereich von 0 bis 10 V oder (bipolar) von +/–10 V. Der maximale Strom, den diese Geber treiben können, liegt meist im Bereich von 5 mA bis etwa 50 mA. Das beschriebene Verfahren erkennt einen solchen Spannungsgeber, indem es einen veränderlichen Strom in den Geber einprägt (z.B. von –100 mA bis +100 mA). Dabei wird die Spannung an den Klemmen überwacht.
Ist ein Spannungsgeber angeschlossen, wird dieser die Klemmenspannung im Bereich seiner Stromtreibfähigkeit nahezu konstant halten, da der Innenwiderstand klein ist und dann an der Stromgrenze sprunghaft Spannungen aufbauen. Alternativ kann auch eine veränderliche Spannungsquelle mit Strombegrenzung zum Ausmessen verwendet werden. In diesem Fall wird die Stromaufnahme des Gebers beim Überschreiten der Geberspannung schlagartig umschalten.
Die kennzeichnende Eigenschaft von Stromgebern entsprechend Kennlinie 16 ist, dass sie dem Messeingang einen definierten Strom einprägen bis an ihre Spannungsgrenze, die von der technischen Realisierung mit elektronischen Schaltkreisen herrührt. Gebräuchliche Geber haben meist einen Ausgangsstrombereich von 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA oder (bipolar) von +/–20 mA. Die maximale Spannung, den diese Geber treiben können, ist meist kleiner als +/–15 V. Das beschriebene Verfahren erkennt einen solchen Stromgeber, indem es einen veränderlichen Strom in den Geber einprägt, z.B. von –100 mA bis +100 mA. Dabei wird die Spannung an den Klemmen überwacht. Ist ein Stromgeber angeschlossen, wird dieser die Klemmenspannung im Bereich seines Ausgangsstromes sprunghaft zwischen den maximalen Ausgangsspannungswerten umschalten. Das Ausmessen der Kennlinie 16 kann auch durch Aufschalten einer veränderlichen Spannungsquelle und Überwachung des Ausgangsstromes erfolgen.
Widerstandsgeber können ebenfalls mit einer veränderlichen Spannungs- oder Stromquelle detektiert werden. Hier ergibt sich angenähert lineare Kennlinien 13 bzw. 14 über den gesamten Bereich. Aus der Steigung können dabei noch unterschiedliche Typen, z.B. PT100 oder PT1000, unterschieden werden. Vierleitermessung ist ebenfalls möglich, indem das Testsignal auf die Versorgungsleitungen aufgeschaltet wird, die anderen Leitungen zum Ausmessen verwendet werden.
Leitungskurzschlüsse entsprechend Kennlinie 12 haben das gleiche Verhalten wie eine Spannungsquelle von 0 V mit niedrigem Innenwiderstand mit dem Unterschied, dass über den Messbereich keine Strombegrenzung auftritt.
Ein Leitungsbruch entsprechend Kennlinie 11 hat das gleiche Verhalten wie ein Stromgeber mit 0 mA Ausgangsstrom, d.h. hohem Innenwiderstand, mit dem Unterschied, dass über den Messbereich keine Spannungsbegrenzung auftritt.
Thermoelemente haben ein Verhalten, das zunächst einer relativ hochohmigen Spannungsquelle, einem weit entfernten Leitungskurzschluss oder auch einem niederohmigen Widerstandsgeber (PT100) ähnelt. Die Unterscheidung wird durch gezielte Anregung des thermoelektrischen Effektes mit einem eingespeisten Strom erreicht. Dieser Strom verursacht ein Aufheizen eines Verbindungspunktes, z.B. der Messstelle, und ein Abkühlen des anderen Punktes, z.B. der Ausgleichsstelle. Der Ort des Aufheizens/Abkühlens wird durch Umpolen des Erregungsstromes getauscht, womit der Peltier-Effekt ausgenutzt wird.
Nach Abschalten des Erregungsstromes kann die Reaktion des Thermoelementes detektiert werden, die sich als abklingende Spannungsquelle mit einer Zeitkonstante von etwa einer bis 10 Sekunden und mehr äußert, womit sich alternativ gemäß 4 die Kennlinie 41 oder gemäß 5 die Kenlinie 51 ergeben. Die Polarität ist in Abhängigkeit der thermischen Zeitkonstante der beiden thermoelektrischen Übergänge bei 4 gleich zur Erregerspannung bei 5 entgegengesetzt.
Die automatische Erkennung des Signaltyps von Messwertgebern hat folgende Vorteile:

– Vermeidung von Zerstörungen an den Messeingängen
– Vermeidung von Fehlfunktionen in der Anlage und damit Vermeidung von Schäden in der Anlage
– kürzere Inbetriebnahmezeiten durch automatische Diagnose
– Erkennung von Fehlern in angeschlossenen Messumformern, Leitungsbruch und Kurzschluss
– Detektion von normalen, handelsüblichen Gebern ohne spezifische Erweiterung ist möglich.

Das Erkennen bzw. die Identifikation der Messsignalgeber kann in der Praxis unmittelbar bei deren Anwendung erfolgen. Dazu kann die Messanordnung als separate Vorrichtung realisiert sein oder aber auch bereits in die zu verwendende Baugruppe integriert sein. Es ergeben sich somit für die Praxis erhebliche Vereinfachungen, da vom Personal keine separate Überprüfung der einzelnen Messsignalgeber erfolgen muss, sondern ohne Prüfung die Kontaktierung erfolgen kann. Die Überprüfung erfolgt dann in der Anlage mit den Baugruppen.

Claims

Verfahren zur Identifikation von analogen Messsignalgebern in Schaltungen der Mess- und Automatisierungstechnik, wobei die einzelnen Messsignalgeber einen jeweils spezifischen Signaltyp aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten: – es wird entweder eine einstellbare Spannung mit einstellbarer Strombegrenzung oder aber es wird ein einstellbarer Strom mit einstellbarer Spannungsbegrenzung verwendet, – die Spannung oder der Strom werden an den Messsignalgeber angeschlossen und – das zugehörige Signal wird erfasst und entsprechend dem Typ des Messsignalgebers klassifiziert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsgeber mit einem Ausgangsspannungsbereich von 0 bis 10 V oder bipolar von +/–10 V erkannt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stromgeber mit einem Ausgangsstrombereich von 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA oder bipolar von +/–20 mA erkannt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandsgeber aufgrund der angenähert linearen Kennlinie erkannt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Widerstandsgebern eine Vierleitermessung erfolgt, indem das Testsignal auf die Versorgungsleitungen aufgeschaltet wird und die anderen beiden Leitungen zum Ausmessen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungskurzschlüsse dadurch erkannt werden, dass eine Spannungsquelle von 0 V mit niedrigem In nenwiderstand ohne Strombegrenzung im Messbereich detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungsbrüche dadurch erkannt werden, dass ein Stromgeber mit 0 mA Ausgangsstrom und hohem Widerstand detektiert wird, wobei keine Spannungsbegrenzung auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von Thermoelementen eine hochohmige Spannungsquelle, ein weit entfernter Leitungskurzschluss und/oder ein niederohmiger Widerstandsgeber vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem eingespeisten Strom eine gezielte Anregung des thermoelektrischen Effektes erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom ein Aufheizen eines Verbindungspunktes, insbesondere des Messpunktes, und ein Abkühlen eines anderen Punktes, insbesondere der Ausgleichstelle, bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Umpolen des Erregungsstromes der Ort des Aufheizens/Abkühlens getauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten des Erregungsstromes die Reaktion des Thermoelementes als Abklingkurve detektiert wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12 für die Anwendung bei einem beliebigen Messsignalgeber, dessen Messsignaltyp bekannt ist, gekennzeichnet durch eine einstellbare Spannungsquelle (1) mit vorgebbarer Strombegrenzung (2) oder einer einstellbaren Stromquelle (3) mit vorgebbarer Spannungsbegrenzung (4), die alternativ zum Messen von Signalen an den Messsignalgeber anschließbar sind, und mit Mitteln zur Diskriminierung der gemessenen Signalkurven.
Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Integration in eine vorhandene Baugruppe.