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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis mit einer Überspannungsschutz-Überwachungseinrichtung, die insbesondere - aber nicht ausschließlich - zur Überwachung von in Feldbusschaltkreisen angewendeten Überspannungsschutz-Einheiten zum Einsatz kommt.
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Feldbus (oder Feldbussystem) ist der Begriff für eine ganze Familie von Computer-Netzwerk-Protokollen, die für eine verteilte Steuerungsregelung in Echtzeit verwendet werden, die nun in der Norm IEC 61158 („Digital data communication for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems“) weltweit standardisiert sind. Ein komplex automatisiertes, industrielles Betriebssystem, zum Beispiel für eine Kraftstoff-Raffinerie, benötigt in der Regel eine Organisationshierarchie in den Steuerungseinrichtungen, um zu funktionieren. In dieser Hierarchie gibt es an der obersten Stelle eine Benutzerschnittstelle (HMI = Human Machine Interface), über die ein Operator das System überwachen oder betreiben kann. Diese Schnittstelle ist normalerweise über ein nicht-zeitkritisches Kommunikationssystem (beispielsweise Ethernet) mit einer mittleren Übertragungsschicht speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) verknüpft. Am unteren Ende der Steuerungskette befindet sich der Feldbus, der die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) mit den Komponenten verbindet, die die eigentliche Arbeit tun, wie Sensoren (Messfühler), Stellglieder (Aktoren), Elektromotoren, Konsolenleuchten, Schalter, Ventile und Schaltschützen.
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Ein Feldbus wird häufig in eigensicheren Umgebungen eingesetzt, wie beispielsweise in leicht entflammbaren Atmosphären, insbesondere in der Gaseinstufungsklassifizierung IIC - Wasserstoff und Azetylen - und nachstehend beispielsweise für die Gasgruppen IIB und IIA in Bezug auf Gas und/oder Staub. Der Einsatz des Feldbusprotokolls, der Feldinstrumente und der Feldbusgeräte in einer solchen Umgebung wird durch einen elektrischen Kommunikationsschaltkreis ferngesteuert und überwacht, der häufig in demselben elektrischen Schaltkreis wie die Energieversorgung für den Betrieb der Feldinstrumente bereitgestellt wird.
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Sämtliche elektronischen Einrichtungen - nicht nur die in einem Feldbusschaltkreis - müssen einen Schutz vor Überspannungen entsprechend den diesbezüglichen, den Einrichtungstyp betreffenden Normvorschriften haben. Daher ist die Bereitstellung einer Überspannungsschutz-Einrichtung in einem elektrischen Schaltkreis allgemein bekannt, der an die betreffende elektronische Einheit die benötigte Energie und/oder Kommunikation liefert. Diesbezügliche Überspannungsschutz-Einrichtungen funktionieren zum Schutz der sensiblen Elektronik vor Spannungs- und/oder Stromüberlastungen, die durch Ereignisse auftreten können, wie z. B. aufgrund elektrostatischer Entladung (ESD), Leitungsrückführung [Gegen-EMK], sekundären Blitzeinschlägen, Kreuzkopplung aus Hochspannungsleitungen, Spannungsspitzen- und anderer, transienter Auswirkungen. Solche Ereignisse bezeichnet man als „schnelle transiente, elektrische Störgrößen“ gemäß den IEC 61000-4-2 und IEC 61000-4-4 Standards, in denen normierte Richtlinien für Überspannungsschutz-Einrichtungen festgelegt sind.
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Diese schnellen transienten, elektrischen Störgrößen können ein Gleichtakt-Modus sein, das heißt, sie wirken sich im Schaltkreis sowohl auf positiver als auch auf negativer Seite auf die gleiche Art und Weise aus, oder sie können einen Differential-Modus aufweisen, das heißt, die Ereignisse wirken sich auf nur einer Seite des Schaltkreises aus, die sich zur anderen unterscheidet. Um einen Gleichtakt-Modus-Überspannungsschutz bereitzustellen, muss eine Geräteeinheit mit Masse verbunden werden, wogegen für einen Differential-Modus-Überspannungsschutz eine Einrichtung benötigt wird, die in dem Schaltkreis montiert sein sollte. Eine schnelle transiente, elektrische Störgröße ist in der Regel ein Stromstoß oder eine Spannungsspitze, aber es kann auch eine anhaltende Überspannungsbelastung sein. Diese Störung kann sich auf jede Komponente in einem Schaltkreis auswirken, wobei sie irgendwo im Inneren des Schaltkreises auftreten kann oder aber auch von einer beliebigen Aufwärts- oder Abwärtsrichtung im Schaltkreis herstammen könnte. Zum Beispiel können Zener-Dioden in einer isolierenden Barriere oder eine Nebenschluss-Sperrschicht in einer Feldbus-Anordnung sowohl einer Netzüberspannung als auch einer Feldkabelüberspannung ausgesetzt sein.
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Die meisten der bekannten Überspannungsschutz-Einrichtungen sind Nebenschluss-Schaltungen mit einem Nebenschlusswiderstand in den Energie- und/oder Kommunikationsbussen eines Schaltkreises und mit einer Nebenschlussmöglichkeit einer jeden Verbindung zur Masse hin. Die Schutzkomponenten selbst sind überwiegend schnell agierende Halbleiterelemente, spannungsabhängige Widerstände bzw. Varistoren (MOV = Metall-Oxid-Varistoren), mit einem Gasentladungsgemisch für hochohmige Stromanschlüsse, Induktoren, Widerständen, Kondensatoren und so weiter, die in einer bestimmten Weise für entsprechende Bestleistungen und hohe Kapazitäten angeordnet sind.
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Auf alle Fälle weisen das Überspannungsschutzelement - oder eine Reihe von Überspannungsschutz-Komponenten - in einem Schaltkreis einen gemeinsamen Störungspunkt für Ausfälle auf. Einige der Schutzkomponenten wirken nur einmalig, da von diesen nicht zu erwarten ist, dass sie nach einer ersten Überspannung noch funktionieren. Aber es gibt auch andere Komponenten, von denen man erwartet, dass sie gemäß einer bestimmten Norm-Anforderung die Elektronik vor Überspannungsspitzen bis zu einer vorgegebenen Störungsanzahl schützen. In wenigen Fällen erwartet man von diesen Komponenten, dass sie nach einer Überspannungsspitze lediglich die Zielelektronik schützen und keine höherohmige Impedanz zeigen. Doch in allen Fällen wird - wenn das System ausfällt - die Schutzkomponente entweder an exponierter Stelle ausfallen oder den Schaltkreis belasten. Der letztgenannte Fall würde für einen Feldbusschaltkreis einen allgemeinen Ausfall bedeuten und alle Einrichtungen in dem Schaltkreis gingen „verloren“. In der Regel reagieren Zener-Dioden mit einem Kurzschluss, während ein Überspannungsbegrenzer (TVS = Transient Voltage Suppressor) verhindert, dass die Komponenten in einen offenen Stromkreis, Kurzschluss oder in eine niederohmige Impedanz gelangen.
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Eine ausfallende Überspannungsschutz-Einrichtung könnte auch noch andere, brisante Auswirkungen auf ein IEC61158-2 Feldbus-Signal oder -Netzwerk hervorrufen.
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Doch das eigentliche Problem bei den bekannten Überspannungsschutz-Einrichtungen besteht darin, dass niemals erfasst wird, ob sie schon einmal mit Überspannung belastet worden sind. Die tatsächliche Anzahl der Überspannungsschutzeingriffe, die ein Gerät erfahren hat, wird nie bekannt, selbst eine scheinbar harmlose, statische Entladung nicht. Infolgedessen gibt es bisher keinen Weg, um den tatsächlichen Betriebszustand einer Überspannungsschutz-Einrichtung ermitteln zu können.
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Zum Stand der Technik wird auf die Druckschriften
JP 2004 -
273 362 A und
DE 602 25 246 T2 hingewiesen.
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Wenn darüber hinaus eine Überspannungsschutz-Einrichtung zertifiziert oder spezifiziert worden ist, dass sie einer Reihe von schnellen transienten, elektrischen Störgrößen standhalten kann, ist man nie ganz sicher, wie viele Störgrößen bereits stattgefunden haben. Dies stellt ein besonderes Problem dar, wenn diese Einrichtung für den Schaltkreis eine gemeinsame Störausfallstelle darstellt und in keinen Belastungszustand zurückkehren kann, wie dies bei Feldbus-Anordnungen oft der Fall ist, weil ein solches Ausfallrisiko nicht quantitativ bestimmbar ist. Infolgedessen kann auch keine effektive, präventive oder proaktive Instandhaltung und Wartung durchgeführt werden.
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Potentialfreie Vorrichtungen, wie Akku- bzw. Batterie-Ausrüstungen, können zur Minimierung der Auswirkungen von Gleichtakt-Überspannungen beitragen. Allerdings besitzen die meisten elektronischen Geräte eine Art Pfad zur Masse bzw. Erdung hin, auch wenn diese kapazitiv gekoppelt ist. Außerdem kann ein Ungleichgewicht ein Problem darstellen und daher führt ein Gleichtakt-Spannungsstoß in vielen Fällen zu differenzierten Überspannungsmodusauswirkungen. Beispielsweise kann im Differential-Modus ein Kabelbruch oftmals eine hohe Klemmenspannung bzw. Endspannung aufgrund der Leitungsrückführung bzw. EMK-Gegenwirkung der Kabel und / oder irgendeiner induktiven Last bewirken, wenn keine Schutzdioden eingesetzt werden oder wenn sie ausfallen. Bei Energiequellen mit hoher Impedanz, wie beispielsweise im Feldbus, wird die Gegen-EMK nicht effektiv abgeblockt.
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Bekanntermaßen werden die Ausgangsanschlüsse eines elektrischen Schaltkreises überwacht, um weitreichende, diagnostische Informationen zu erhalten, insbesondere in Feldbussystemen, die in verfahrenstechnischen Betriebsanlagen eingesetzt werden. Eine Reihe von erfassten Übergangsstromabschaltungen könnte zum Beispiel ein Anzeichen für einen intermittierenden Kabelbruch sein, und diese Information kann weiterverwendet werden, um den Betreiber einer Anlage vor einer möglichen Anlagenexplosion zu warnen, die durch einen Lichtbogenfunken hervorgerufen werden könnte.
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Jedoch derzeit ist nicht bekannt, dass solch generellen Überwachungssysteme zur Erfassung von schnellen transienten, elektrischen Störgrößen eingesetzt werden können, da sie für die allgemein bekannten Einrichtungen in Bezug auf das Aufspüren bzw. Abtasten zu schnell sind. Dies wäre nur möglich, wenn die Elektronikeinheiten erheblich erweitert und die Sensorensysteme mit höheren Geschwindigkeiten aufgerüstet würden, jedoch wäre dies sehr komplex und teuer.
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Gelöst wird das Problem durch einen Schaltkreis gemäß Patentanspruch 1.
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Der elektrische Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Energieversorgung, eine Nutzlast und eine Überspannungsschutz-Einrichtung, die zum Schutz der Nutzlast und / oder der Energieversorgung vor schnellen transienten, elektrischen Störgrößen gemäß den Anforderungen der IEC 61000-4-2 oder 4-Norm ausgelegt ist und die einen Belastungsschwellen-Grenzwert (Schwellspannung) aufweist, wobei der elektrische Schaltkreis des Weiteren eine Überwachungseinrichtung umfasst, die zum Überwachen des Stroms in der genannten Überspannungsschutz-Einrichtung und zum Erfassen von Verstößen in der Schwellspannung aufgrund von schnellen transienten, elektrischen Störgrößen konzipiert ist.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Überwachungseinrichtung bereit, die speziell die ankommenden Stromvorgänge in der Überspannungsschutz-Einrichtung überwacht, so dass bekannt wird, falls sie einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße ausgesetzt ist.
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In einer Variante gemäß der Erfindung kann die Überspannungsschutz-Einrichtung eine Differential-Modus-Einheit sein. In einer erfindungsgemäßen Alternative kann die Überspannungsschutz-Einrichtung eine Gleichtakt-Modus-Einheit sein. Positiv zu bewerten ist dabei die Tatsache, dass beide Varianten zur Verfügung stehen können.
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Die Überwachungseinrichtung kann die elektromagnetischen oder elektrostatischen Felder, die aufgrund des durch die Überspannungsschutz-Einrichtung fließenden Stroms hervorgerufen werden, entweder durch induktive oder durch kapazitive Überwachung als Erfassungsmittel nutzen. Diesbezüglich kann die Überwachungseinrichtung eine Spulenverdrahtung oder ein Platinenleiterzug, der um die Überspannungsschutz-Einrichtung axial gewickelt wird, und / oder eine Leiterbahn oder ein Platinenleiterzug in der Überspannungsschutz-Einrichtung sein. Alternativ dazu kann die Überwachungseinrichtung eine Spulenverdrahtung, ein Platinenleiterzug oder ein kapazitives Element sein, die parallel zur Überspannungsschutz-Einrichtung und / oder als Leiterbahn oder Platinenleiterzug in der Überspannungsschutz-Einrichtung angeordnet sind.
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Wenn eine axiale Wicklung zum Einsatz kommt, führt dies zu einer hohen Ansprechspannung. Allerdings wird die Überspannungsschutz-Einrichtung und deren Leiterbahn oder Platinenleiterzug bei Führung eines hohen Wechsel- oder Übergangsstroms ein großes, elektromagnetisches Feld zeigen, welches daraufhin erfasst werden kann. Wenn anstelle dessen eine gegenseitig gekoppelte Induktionsspule oder ein kapazitives Element, die parallel angeordnet oder ausgerichtet werden, zum Einsatz kommen, erkennen diese das hochohmige, elektrostatische Feld, das erzeugt wird, wenn die Überspannungsschutz-Einrichtung und deren Leiterbahn oder Platinenleiterzug einen hohen Wechsel- oder Übergangsstromstoß führen. In beiden Fällen ist es das elektromagnetische oder elektrostatische Feld, das die Überspannungsschutzkomponente und / oder deren Verdrahtung oder Leiterbahn erzeugt, die zum Erfassen des Spannungsspitzenanstiegs angewendet werden. Positiv sei angemerkt, dass eine solche Messanordnung zugleich ermöglicht, die Größe, Dauer und die weiteren Charakteristiken der Spannungsspitze zu messen.
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Außerdem können in Bezug auf die Erfassung verschiedene andere Verfahren zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann die Überwachungseinrichtung einen Sensor aufweisen, der zum Erfassen einer Änderung von einem physikalischen Zustand in der Überspannungsschutz-Einrichtung ausgelegt ist, wobei der physikalische Zustand eine oder mehrere der folgenden Möglichkeiten sein kann: ein magnetischer Zustand oder ein optisch erfassbarer, physikalischer Zustand. Eine optische Erfassung könnte mit Hilfe von schnellen, optischen Sensoren ausgeführt werden, die so ausgerichtet sind, dass sie eine stattgefundene Gasentladung durch eine im Einsatz befindliche Überspannungsschutz-Einrichtung erfassen können. Weitere, indirekte Erfassungsverfahren können Hall-Effekt-Halbleiter oder Stromsonden aufweisen.
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Die Überwachungseinrichtung kann außerdem einen Sensor umfassen, der mit der Überspannungsschutz-Einrichtung und/oder einer Leiterbahn oder einem Platinenleiterzug der Überspannungsschutz-Einrichtung direkt verbunden ist, zum Beispiel mithilfe der einen oder mit mehreren der folgenden Komponenten: einem Transformator, einem Kondensator, einem Widerstand oder einem Halbleiter.
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Bei Ausführung der Überwachung kann jedoch ein Ausgang der Überwachungseinrichtung mit einer diagnostischen Einrichtung angeschlossen sein, die geeignet ist, aus Rohdaten, die vom Ausgang empfangen wurden, zu erkennen, ob die genannte Schwellspannung während des Betriebs einer Störung unterliegt. Die Diagnoseeinrichtung kann ausgelegt sein, um menschlich wahrnehmbare Daten, die aus den genannten Rohdaten abgeleitet wurden, einem Anlagen-Anwender zu präsentieren. Dies kann vor Ort durchgeführt werden, wobei jede menschlich wahrnehmbare Methode anwendbar ist, die einen akustischen oder optischen Alarm auslösen kann. Jedoch in einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die Diagnoseeinrichtung eine Feld basierende Kommunikationseinheit und eine Anwender-Schnittstelle [Mensch-Maschine-Schnittstelle] an einem separaten Ort umfassen. Die Kommunikationseinheit kann zum Senden von maschinenlesbaren Kommunikationsdaten an die Anwender-Schnittstelle ausgelegt sein, die aus den Rohdaten abgeleitet wurden, und die Anwender-Schnittstelle kann angepasst werden, um die maschinenlesbaren Kommunikationsdaten in menschlich wahrnehmbare Daten zu konvertieren. Die Kommunikation zwischen der Kommunikationseinheit und der Anwender-Schnittstelle kann mittels Funk, Leitung, magnetischer, optischer oder physikalischer IEC 61158-2 Schicht oder mittels Software-Anpassung etc. erfolgen. Die Anwender-Schnittstelle kann ein Handheld-Gerät sein, das im Feldbereich zum Einsatz kommt, oder sie kann eine Betriebszentrale sein, die vom Feldbereich entfernt angeordnet ist.
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Die minimal menschlich wahrnehmbaren Informationen, die für eine Anwendung erforderlich sind, erfolgen als Hinweis dessen, dass eine schnelle transiente, elektrische Störgröße eingetreten ist und dass in besagter Schwellspannung ein Verstoß vorliegt. Es versteht sich jedoch, dass aus den während des Betriebs gesammelten Rohdaten selbstverständlich weitaus mehr Informationen in Erfahrung gebracht werden können. Daher umfassen die menschlich wahrnehmbaren Daten mehrere der folgenden Faktoren:
- i) die Erfassung eines Verstoßes gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße;
- ii) die Anzahl wie oft gegen besagte Schwellspannung ein Verstoß aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße erfasst worden ist;
- iii) die Frequenz von Verstößen in besagter Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße;
- iv) die Erfassung einer Stromspitze zwischen einem Trigger-Pegel und besagter Schwellspannung;
- v) das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Verstößen, die gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße erfasst worden sind;
- vi) die Charakteristiken eines Verstoßes gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße, die eine oder mehrere Eigenschaften in Bezug auf deren Dauer, Größe, Amplitude, Integralform oder Wellenform beinhalten können.
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Der vorgenannte Faktor i) ist für alle Ausführungsformen wichtig, wird aber insbesondere für die Überspannungsschutz-Einrichtungen angewendet, die nur für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind. Sobald eine Störung in besagter Schwellspannung erfasst worden ist, wird ein Alarm ausgelöst, und die Überspannungsschutz-Einrichtung kann anschließend zur Vermeidung des Risikos von künftigen Fehlern ersetzt werden, sofern sie nicht bereits ganz ausgefallen ist.
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Im Hinblick auf den vorstehend genannten Faktor ii) findet diese Anwendung bei Überspannungsschutz-Einrichtungen statt, wobei die Überspannungsschutz-Einrichtungen dazu bestimmt sind, einer vorgegebenen Anzahl von schnellen transienten, elektrischen Störgrößen standzuhalten. Die Diagnoseeinrichtung zählt die Anzahl von erfassten Störungen in der Schwellspannung und diese Informationen können dem Anwender auf nutzbringende Weise übermittelt werden. Beispielsweise kann die Anwender-Schnittstelle die tatsächliche Anzahl der erfassten Störungen anzeigen und diese mit zunehmender Dringlichkeit ankündigen, wie zum Beispiel mit verschiedenen Farben oder in Textform.
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Der vorstehend erwähnte Faktor iii), der die Frequenz von Verstößen in besagter Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße betrifft, kann in der Zeitspanne zwischen den Störungen auf die Leistung in der Überspannungsschutz-Einrichtung einwirken oder als Hinweis auf einen wahrscheinlichen Zeitpunkt des Eintretens von künftigen Störungen hilfreich sein. Wenn beispielsweise einmal in sechs Monaten eine Störung auftritt - im Hinblick auf die ersten zwei bis fünf Verstöße - kann davon ausgegangen werden, dass das nächste Auftreten nicht vor ‚n‘ Monaten erfolgt. Diese Informationen können zum Planen von Wartungs- und Reparaturarbeiten verwendet werden. Wenn festgestellt wird, dass die Frequenz kürzer wird und innerhalb eines vorgegebenen, unteren Grenzwertes liegt, kann dem Anwender viel früher ein spezieller Warnhinweis präsentiert werden, der anzeigt, dass in Kürze ein Häufigkeitsfehler einen Ausfall in der Überspannungsschutz-Einrichtung verursachen könnte. Wenn andererseits eine Störung sehr selten auftritt und darüber hinaus einen vorgegebenen, oberen Grenzwert nicht erreicht, zum Beispiel nur einmal jährlich, dann kann dem Anwender ein spezieller Status-Bericht präsentiert werden, der darauf hinweist, dass Wartungs- oder Reparaturarbeiten für die Überspannungsschutz-Einrichtung auf einen viel späteren Zeitpunkt oder nach einer höheren Anzahl von Störungen verlegt werden können. Wenn außerdem ein Datenbündel von Störungen während bestimmter und bekannter Ereignisse auftritt, kann dem Anwender eine Nachricht übermittelt werden, in welcher die Uhrzeit und das Datum der Verstöße angegeben sind, und diese Informationen können auf bevorstehende Wartungsarbeiten, Motoren- und Pumpenstarts, Routinekalibriervorgänge etc. zueinander in Beziehung gesetzt bzw. korreliert werden. Außerdem kann auf weitere Dinge, wie beispielsweise bekannt gewordene Blitzschläge, mit Querverweis reagiert werden.
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Der vorstehend genannte Faktor iv), der die Erfassung einer Stromspitze zwischen einem Trigger-Pegel und besagter Schwellspannung betrifft, ermöglicht der Diagnoseeinrichtung die Erfassung von schnellen transienten, elektrischen Störgrößen, die von Interesse sind, aber die den Schwellpegel nicht wirklich verletzen. Dies kann bei bestimmten Überspannungsschutz-Einrichtungstypen nützlich oder hilfreich sein, wenn ein Anwender ein Ereignis überprüfen möchte, ob zum Beispiel ein Blitzschlag in der Schwellspannung einen Verstoß zur Folge hatte oder nicht. Außerdem ermöglicht der Trigger-Pegel, dass die Diagnoseeinrichtung solche Aktivitäten herausfiltert, die unterhalb der Regel liegen, wie beispielsweise unter der regulären Energieversorgungsaktivität oder Kommunikationsaktivität und so weiter.
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Der vorstehend genannte Faktor v), der das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Verstößen betrifft, die gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße erfasst worden sind, findet insbesondere Anwendung bei Überspannungsschutz-Einrichtungen, die eine allgemein bekannte Lebensdauer haben. Wenn zum Beispiel ein getesteter Überspannungsbegrenzer (TVS = Transient Voltage Suppressor) zum Einsatz kommt, der zehn oder zwanzig Störungen in der Schwellspannung standhält, kann an den Anwender ein Warnsignal ausgegeben werden, wenn die vorgegebene Zahl tatsächlich erreicht worden ist, damit rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
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Der vorstehend genannte Faktor vi), der die Charakteristiken eines Verstoßes gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße betrifft, die eine oder mehrere Eigenschaften in Bezug auf deren Dauer, Größe, Amplitude, Integralform oder Wellenform beinhalten können, ermöglicht der Diagnoseeinrichtung das Sammeln und/oder das Darstellen von nützlichen Diagnosedaten über die betrieblichen Verstöße, die bereits aufgetreten sind.
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Es können weitere, diagnostische Informationen zusammengestellt werden, wenn die Rohdaten mit anderen Daten im elektrischen Schaltkreis, die während dessen Einsatzes erworben werden, mithilfe von allgemein bekannten, diagnostischen Einrichtungen zueinander in Beziehung gesetzt bzw. korreliert werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Zeiten, wie oft eine Störung in besagter Schwellspannung gezählt worden ist, mit der Impedanz-Leistung eines Feldbussystems verglichen werden, um den Zustand der Überspannungsschutz-Anordnung einschätzen zu können. Insbesondere könnte eine sich verringernde Signalamplitude darauf hinweisen, dass die Überspannungsschutz-Einrichtung beschädigt worden ist, selbst wenn sie nach einer vorgegebenen Anzahl von Störgrößen in der Schwellspannung eigentlich immer noch funktionieren sollte. Auch das Gegenteil kann ermittelt werden, denn zum Beispiel kann eine Reduzierung der Signalamplitude mit der Störungsauszählung erklärt werden, so dass andere, potentielle Dämpfungsfehler in Abzug gebracht werden müssten.
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Die an die im Einsatz befindliche Anwenderschnittstelle gesendeten, maschinenlesbaren Kommunikationsdaten können über eine Kommunikationseinheit erfolgen, die von dem elektrischen Schaltkreis getrennt angeordnet ist. Dies könnte eine diskrete Kommunikationsschaltung oder eine etwaige Funkverbindung sein, wie vorstehend bereits erwähnt.
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Allerdings können maschinenlesbare Kommunikationsdaten auch über den elektrischen Schaltkreis selbst an die Anwender-Schnittstelle gesendet werden, zum Beispiel unter Verwendung des Feldbus-Kommunikationsprotokolls. In einer speziellen, erfindungsgemäßen Variante können die maschinenlesbaren Kommunikationsdaten physikalische Schichtmodifizierungen aufweisen, die für den elektrischen Schaltkreis hergestellt wurden, was von der Anwender-Schnittstelle erfasst werden kann. Eine solche Art der Kommunikation ist allgemein bekannt und findet insbesondere Anwendung in Feldbussystemen.
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Mit Bezug auf Vorstehendes kann der Überspannungsschutz eine Differentialtakt-Modus-Einheit oder Gleichtakt-Modus-Einheit sein, wobei jedes beliebige der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Merkmale in beiden Konfigurationsausführungen zum Einsatz kommen kann. Jedoch in dem Fall, in dem alle der vorstehend beschriebenen Merkmale in einer Differential-Modus-Anordnung angewendet werden, kann der elektrische Schaltkreis des Weiteren eine zweite Überspannungsschutz-Einrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, um die Nutzlast und / oder die Energieversorgung vor schnellen transienten, elektrischen Störgrößen gemäß den IEC 61000-4-2 oder 4-Norm-Anforderungen zu schützen, und die eine Schwellspannung umfasst, und der elektrische Schaltkreis kann des Weiteren eine zweite Überwachungseinrichtung aufweisen, die konzipiert ist, um den Strom in der zweiten Überspannungsschutz-Einrichtung zu überwachen und um Verstöße in besagter Schwellspannung aufgrund von schnellen transienten, elektrischen Störgrößen zu erfassen, wobei die zweite Überspannungsschutz-Einrichtung eine Gleichtakt-Modus-Einheit sein kann.
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Diese zweite Überwachungseinrichtung kann jedes beliebige der erfindungsgemäßen Merkmale aufweisen, die bereits in Bezug auf eine Gleichtakt-Modus-Anordnung beschrieben worden sind.
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Wie ebenfalls bereits vorstehend erwähnt, findet die vorliegende Erfindung insbesondere Anwendung in einem elektrischen Feldbus-Schaltkreis, so dass die elektrische Schaltung vorzugsweise ein Feldbus-Schaltkreis gemäß den bestätigten IEC 61158-2 -Norm-Anforderungen ist.
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Die vorliegende Erfindung kann in der Ausführungspraxis in einer Reihe von Möglichkeiten implementiert werden. Die Überspannungsschutz-Einrichtung kann zum Beispiel in den elektrischen Schaltkreis integriert werden, oder sie kann ein diskretes Bauelement sein, das mit einer Hauptplatine [Motherboard] verbunden ist. Darüber hinaus kann die Überspannungsschutz-Einrichtung auf jeder Stufe gemultiplext werden. Die Überwachungseinrichtung kann auch mit der Überspannungsschutz-Einrichtung in einem Gehäuse [in einer Ummantelung] untergebracht sein, und zwar mit oder ohne Hilfsmittel, um vor Ort menschlich wahrnehmbare Daten zu präsentieren. Dort kann außerdem ein gemeinsamer Bus vorhanden sein, der eine Reihe von Überspannungsschutz-Einrichtungen verknüpft, oder die Überspannungsschutz-Einrichtungen können eine gemeinsame Hauptplatine etc. gemeinsam nutzen.
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Darüber hinaus ist es bei Feldbus-Segmenten möglich, dass sie mehr als ein Überspannungsschutzsystem aufweisen, an das jedes einzelne angeschlossen ist. Ein System kann man beispielsweise an der Energieversorgung positionieren und ein weiteres an der Nutzlast, wobei im Falle einer typischen Feldbus-Installation eine Vielzahl von Lasten vorhanden sein können, die Gerätekoppler umfassen.
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Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden, aber fünf Ausführungsformen werden nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, welche zeigen:
- 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten elektrischen Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine schematische Darstellung eines zweiten elektrischen Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine schematische Darstellung eines dritten elektrischen Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine schematische Darstellung eines vierten elektrischen Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine schematische Darstellung eines fünften elektrischen Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein funktionelles Verfahren in einem elektrischen Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
- 7 ist eine grafische Darstellung, die ein funktionelles Verfahren in einem elektrischen Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Mit Bezug auf 1 umfasst ein elektrischer Schaltkreis 1 eine Energieversorgung 2, eine Nutzlast 3 und eine Überspannungsschutz-Einrichtung 4, die in diesem Fall in Form eines Überspannungsbegrenzers (TVS = Transient Voltage Suppressor) vorhanden ist, der zum Schutz der Nutzlast 3 und / oder der Energieversorgung 2 vor schnellen transienten, elektrischen Störgrößen gemäß den IEC 61000-4-2 oder 4-Norm-Anforderungen ausgelegt ist und einen Belastungsschwellen-Grenzwert (Schwellspannung) aufweist. Der elektrische Schaltkreis 1 umfasst des Weiteren eine Überwachungseinrichtung 5, die in diesem Fall eine axiale Wicklung ist, welche zum Überwachen des Stroms in der genannten Überspannungsschutz-Einrichtung 4 und zum Erfassen von Störungen in der Schwellspannung aufgrund von schnellen transienten, elektrischen Störgrößen konzipiert ist.
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1 ist ein sehr einfacher, elektrischer Schaltkreis und dient lediglich zur Veranschaulichung der Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung. Wie aus dieser Figur eindeutig hervorgeht, erzeugt der durch die Leitung 6 zum Überspannungsbegrenzer TVS (= Transient Voltage Suppressor) 4 fließende Strom ein elektromagnetisches Feld, dessen Induktivität von der Überspannungsschutz-Einrichtungswicklung 5 erfasst wird. Infolgedessen führt das Auftreten eines schnellen, elektrischen Zustandsereignisses in der Leitung 6 zu einer Stromspitze, die wiederum von der Überspannungsschutz-Einrichtungswicklung 5 erfasst wird. Der tatsächliche Belastungsschwellen-Grenzwert des TVS ist aus dessen technischen Spezifikationen bekannt; daher kann der erfasste Strompegel mit den empirischen Daten verglichen werden, die für die spezielle Überwachungsanordnung zur Anwendung kommen, um daraufhin festzustellen, ob eine erfasste Stromspitze gegen den betreffenden Belastungsschwellen-Grenzwert verstößt oder nicht. Die Anordnung in 1 ist eine Differential-Modus-Einheit.
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Die 2 und 3 sind ebenfalls einfach gehaltene, elektronische Schaltkreise 7 bzw. 10, die die erfindungsgemäßen Grundlagen veranschaulichen. Sofern die Komponenten die gleichen wie in 1 bleiben, sind auch hier dieselben Bezugszeichen verwendet worden. Das trifft auch auf alle anderen Figuren zu. In 2 kommt eine wechselseitig, aneinander gekoppelte Wicklung 9, die zur Überspannungsschutzeinrichtung 8 benachbart angeordnet ist, anstelle einer axialen Wicklung als Überwachungseinrichtung zum Einsatz. In diesem Fall wird das elektromagnetische Feld in Leitung 6 von der Wicklung 9 überwacht, das zum Erfassen des Auftretens einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße dient. In 3 kommt anstelle einer Wicklung ein kapazitives Element 12, das parallel zur Überspannungsschutz-Einrichtung 11 angeordnet ist, zur Anwendung. Auch hier wiederum sind die tatsächlichen Belastungsschwellen-Grenzwerte (Schwellspannungen) der Überspannungsschutz-Einrichtungen 8 und 11 (die in diesen Figuren nicht kennzeichnend sind) aus deren technischen Spezifikationen bekannt; daher kann der erfasste Strompegel mit den empirischen Daten verglichen werden, um daraufhin festzustellen, ob die erfassten Stromspitzen gegen die betreffenden Schwellspannungen verstoßen oder nicht.
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In allen drei vorgenannten Ausführungsbeispielen ist es das durch die Überspannungsschutzkomponente und / oder deren Verdrahtung oder Leiterbahn erzeugte elektromagnetische oder elektrostatische Feld, das zum Einsatz kommt, um die Überspannungsspitze zu erfassen. Positiv sei angemerkt, dass eine solche Messanordnung zugleich ermöglicht, die Größe, Dauer und die weiteren Charakteristiken des Spannungsstoßes zu messen.
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4 veranschaulicht eine praktischere Offenlegung der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der elektrische Schaltkreis 13 den bestätigten IEC 61158-2 -Norm-Anforderungen und weist eine Differential-Überspannungsschutz-Einrichtung 4 und eine Gleichtakt-Überspannungsschutz-Einrichtung 14 auf, die mit Masse 16 gespeist sind/verbunden werden. Auch diese Einrichtungen 4 und 14 werden nicht ausführlich beschrieben, da sie jede beliebige von den bekannten Einrichtungen sein können. (Die Gleichtakt-Überspannungsschutz-Anordnung kann eine Verbindung zu jedem Pol benutzen, d. h. zwei Schutzschaltungen, oder sie kann einen Mittelanschlussabgriff, d. h. eine Schaltung, anwenden.) In beiden Ausführungsbeispielen weist die Überwachungseinrichtung eine axiale Wicklung 5 und 15 auf, die jeweils um die Leiterbahn der Schutzeinrichtungen 4 und 14 gewunden sind, die jede Stromspitze erfassen, die über eine der Einrichtungen 4 oder 14 einfällt. Auch hier wiederum sind die tatsächlichen Belastungsschwellen-Grenzwerte der Überspannungsschutz-Einrichtungen 4 und 14 aus deren technischen Spezifikationen bekannt; daher kann der erfasste Strompegel mit den empirischen Daten verglichen werden, die für die spezielle Überwachungsanordnung zur Anwendung kommen, um daraufhin festzustellen, ob eine erfasste Stromspitze gegen die betreffende Schwellspannung verstößt oder nicht. 4 zeigt, wie dies ausgeführt wird.
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Im Besonderen werden beide axiale Wicklungen 5 und 15 in eine Konditionieranlage 17 eingespeist, die aus diesen Rohdaten empfängt. Die Konditioniereinheit 17 ist im Feldbereich angeordnet und umfasst eine „auf Feldbasis funktionierende Kommunikationseinheit“, wie in Anspruch 9 nachstehend spezifiziert ist. Die Konditioniereinheit 17 konvertiert die Rohdaten, die sie empfangen hat, in maschinenlesbare Kommunikationsdaten, wie dies in 4 mit Bezugszeichen 20 dargestellt ist, und sendet diese Daten über eine Kommunikationsleitung 19 an die Anwender-Schnittstelle 21 in einen Kontrollraum (Betriebszentrale). In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Anwender-Schnittstelle den Teil der Diagnoseeinrichtung, der die in Betrieb befindlichen, empfangenen Daten aufbereitet und dann dem Anwender die vorher festgelegten, relevanten Informationen präsentiert. Diese Informationen können jeden beliebigen der vorstehend beschriebenen Faktoren beinhalten und sind abhängig davon, wie der Schaltkreis 13 für den Betriebsablauf konfiguriert ist, das heißt:
- i) die Erfassung eines Verstoßes gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße;
- ii) die Anzahl der Zeiten, wie oft gegen besagte Schwellspannung ein Verstoß aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße erfasst worden ist;
- iii) die Frequenz von Verstößen gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße;
- iv) die Erfassung einer Stromspitze zwischen einem Trigger-Pegel und besagter Schwellspannung;
- v) das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Verstößen, die gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße erfasst worden sind;
- vi) die Charakteristiken eines Verstoßes gegen besagte Schwellspannung aufgrund einer schnellen transienten, elektrischen Störgröße, die eine oder mehrere Eigenschaften in Bezug auf deren Dauer, Größe, Amplitude, Integralform oder Wellenform beinhalten können.
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Die Anwender-Schnittstelle 21 kann für Informationen eine Datenbank anwenden, die Belastungsschwellen-Grenzwerte der Überspannungsschutz-Einrichtungen 4 und 14 enthält sowie sämtliche Informationen, die bis dato aufgezeichnet wurden, um auf einen der vorstehenden Faktoren zu gelangen. Die Vorgehensweise, wie ein Computerprogramm zum Erreichen dieses Ziels hergestellt werden kann, ist allgemein bekannt, und wird daher nicht näher beschrieben. Die Relevanz und Nützlichkeit der diesbezüglich möglichen Datenvarianten sind vorstehend erläutert worden.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Konditioniereinheit 17 zudem vor Ort mit einer visuellen Schnittstelle bereitgestellt, die ebenfalls dem Anwender die Daten präsentieren kann. Sie kann beispielsweise eine blinkende LED-Sequenz sein, um anzuzeigen, wie viele Schwellspannungsverstöße die Überspannungsschutz-Einrichtungen 4 oder 14 erfahren haben, zum Beispiel durch 1 x Blinken alle 3 Sekunden, um eine Störung anzuzeigen, durch 2 x Blinken bei einem Intervall von 0,5 Sekunden alle drei Sekunden, um zwei Störungen anzuzeigen und so weiter. Auch die Farben können sich verändern, wie z. B. von Grün auf Gelb und dann auf Rot, was vom kritischen Zustand abhängig gemacht wird. Es versteht sich, dass in der Konditioniereinheit 17 eine Verarbeitungsstufe erforderlich ist, um solche Funktionen auszuführen. Infolgedessen kann in diesem Ausführungsbeispiel die Konditioniereinheit 17 zudem bzw. alternativ in der Diagnoseeinrichtung einen Bestandteil bilden, die dem Anwender menschlich wahrnehmbare Daten zur Verfügung stellt. Eine einfache LED-Anordnung wie die vorgenannte bildet eine Grundlage, wobei sie jedoch eine parasitäre Nutzlast ersparen hilft. (Die Konditioniereinheit 17 in 4 ist einfach und schematisch dargestellt; in der Betriebspraxis kann sie in einem Überspannungsschutz-Gehäuse [in einer Ummantelung] integriert angeordnet sein. Wenn sie daher nur mit der LED 18 funktioniert, kann sie in erster Linie ein diskretes Bauelement sein und möglicherweise als diesbezüglicher Betriebspunkt keine Schnittstelle besitzen. Als Alternative kann die Konditioniereinheit in einer Betriebszentrale anstatt in einem Feldbereich untergebracht sein.)
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4 zeigt außerdem, wie weitere Spulen 22 und 23 zum Erfassen von destruktiven Stromvorgängen - in Verbindung (UND-Funktion) mit den Spulen 5 und 15 - zum Einsatz kommen.
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7 veranschaulicht wie die elektrische Schaltung 27 während der Betriebsanwendung funktioniert. Die grafische Darstellung zeigt die Spannung auf der Y-Achse und die Zeitspanne auf der X-Achse, und veranschaulicht zwei Spannungsspitzen - a und b -, die entweder von den im Betrieb befindlichen Spulen 5 oder von 15 erfasst werden. Die Linie 32 zeigt eine normale Betriebsspannung der elektrischen Schaltung 27, während Linie 31 auf einen Avalanche -Betriebspunkt hinweist. Im Falle der Spannungsspitze a übersteigt diese die normale Betriebsspannung 32 und den Avalanche -Betriebspunkt 31, wobei sie den Pegel 33 erreicht. Jedoch der Pegel 33 überschreitet in den Überspannungsschutz-Einrichtungen 4 oder 14 keinen Belastungsschwellen-Grenzwert, so dass keine Störung registriert oder gezählt wird. Allerdings übersteigt die Spannungsspitze b den Avalanche- Betriebspunkt 31 und erreicht Pegel 34, welcher wiederum den Belastungsschwellen-Grenzwert in der Überspannungsschutz-Einrichtung 4 oder 14 übersteigt. Demzufolge wird eine Störung bzw. Verstoß aufgezeichnet sowie die diesbezügliche Dauer, was mit Bezugszeichen 35 dargestellt ist. Daher wird die Schwere von der schnellen transienten, elektrischen Störgröße aufgrund der Höhe der Spannungsüberschreitung bewertet, die in den Versorgungsleitungen erkannt wurde. Die Kurve a ist offensichtlich weniger schwerwiegend als Kurve b; der Anwender kann diese Informationen nach Wunsch weiter verwenden.
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Es sind aber weitere verschiedenartige Schaltungskonfigurationen möglich, die unter den Schutzumfang von Patentanspruch 1 fallen. Eine weitere mögliche Ausführungsform (die nicht dargestellt ist) umfasst zum Beispiel die Konditioniereinheit 17, die mit der Anwender-Schnittstelle 21 mithilfe von Modifikationen der physikalischen Schicht kommuniziert, die über ein physikalisches Schicht-Modifikationsmittel ausgeführt werden.
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Die Überwachungseinheiten in den weiteren möglichen Ausführungsformen (nicht dargestellt) umfassen Einrichtungen, die eine Änderung von einem physikalischen Zustand in der zugehörigen Überspannungsschutz-Einrichtung erfassen, einschließlich deren magnetischen Zustand oder aber einen optisch erkennbaren, physikalischen Zustand.
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5 zeigt, wie die Erfindung in einem Standard-Feldbus-System integriert werden kann. Insbesondere kann ein Diagnose-Modul 17 (das die gleichen Funktionen wie die vorstehend beschriebene Konditioniereinheit 17 ausführt) auf einer Hauptplatine zwischen der Feldbus-Energieversorgung 2 und einer Reihe von Feldbus-Segmenten 29 angeordnet sein. Es werden für jedes Segment 29 Überspannungsschutz-Einrichtungen 4 vorgesehen. Die Verbindung 30 zwischen dem Diagnose-Modul 17 und den Feldbus-Segmenten 29 kann eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder ein serieller Bus sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung (die nicht dargestellt ist) wird eine Überspannungsschutz-Einrichtung an der Energieversorgung positioniert, wie vorstehend erwähnt, jedoch befindet sich eine weitere an der Nutzlast, wobei im Ausführungsbeispiel einer Feldbus-Anordnung eine Vielzahl von Nutzlasten vorhanden sein können und Gerätekoppler aufweisen.
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6 ist ein Ablaufdiagramm, das veranschaulicht, wie die Software in der Diagnoseeinrichtung mit einer beliebigen von den vorstehend beschriebenen, elektrischen Schaltungen für die Betriebspraxis konfiguriert sein kann, um schnelle transiente, elektrische Störgrößen unter Anwendung eines Zählvorgangs abzuwickeln. Dieses Ablaufdiagramm ist selbsterklärend.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Überwachungseinrichtung bereit, die ankommende Stromvorgänge in der Überspannungsschutz-Einrichtung spezifisch überwacht, so dass in Erfahrung gebracht wird, ob oder wie oft sie einer schnellen, transienten, elektrischen Störgröße ausgesetzt worden ist, und so dass geeignete Abhilfemaßnahmen ergriffen werden können, um das Eintreten eines Ausfalls zu verhindern, wie beispielsweise den Ausfall einer Überspannungsschutz-Einrichtung aufgrund einer niederohmigen Impedanz und/oder aufgrund eines Kurzschlusses und/oder aufgrund eines Zufügens anderer, brisanter Auswirkungen auf ein IEC61158-2 Feldbus-Signal oder Feldbus-Netzwerk.
