DE202006007481U1

DE202006007481U1 - Busfähige Messvorrichtung zum Bestimmen von physikalischen Parametern in oder an einem Kessel

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Publication number: DE202006007481U1
Application number: DE202006007481U
Authority: DE
Original assignee: IGEMA GmbH
Current assignee: IGEMA GmbH
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2016-05-11

Abstract

Busfähige Messvorrichtung zum Bestimmen von physikalischen Parametern in oder an einem Kessel,
mit einer in oder an dem Kessel anzubringenden Messsonde (20) zum Messen des physikalischen Parameters oder der physikalischen Parameter und zum Ausgeben eines analogen Messsignals auf Grundlage eines gemessenen Werts,
mit einem mit der Messsonde (20) verbundenen Messkopf (40) und
mit einem mit dem Messkopf (40) verbundenen Peripheriegerät (60) zum Bereitstellen einer Busverbindung, zum Steuern und Versorgen des Messkopfs (40) und zum Verarbeiten von von dem Messkopf (40) gelieferten Daten,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Messkopf (40) eine Elektronik zum Umsetzen des analogen Messsignals in ein einfach kodiertes digitales Grundsignal (46) aufweist,
dass das Peripheriegerät (60) das digitale Grundsignal (46) verarbeitet und auf dessen Grundlage ein busfähiges Ausgangssignal bereitstellt und
dass das Peripheriegerät (60) zur Sicherheitsüberwachung mindestens einen Relaiskontakt (65) aufweist, der so geschaltet ist, dass in einem Störungsfall ein Schaltereignis...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine busfähige Messvorrichtung zum Bestimmen von physikalischen Parametern in oder an einem Kessel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche busfähigen Messvorrichtungen sind bekannt und weisen folgende Komponenten auf: Eine in oder an dem Kessel anzubringende Messsonde zum Messen des physikalischen Parameters oder der physikalischen Parameter und zum Ausgeben eines analogen Messsignals auf Grundlage eines gemessenen Werts, einen mit der Messsonde verbundenen Messkopf und ein mit dem Messkopf verbundenes Peripheriegerät zum Bereitstellen einer Busverbindung, zum Steuern und Versorgen des Messkopfs und zum Verarbeiten von von dem Messkopf gelieferten Daten.
Derartige busfähige Messsysteme werden in der Verfahrenstechnik zur Kesselüberwachung und -steuerung für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können busfähige Messsysteme zur Brennersteuerung für einen Kessel, der immer mit einem Mindestmaß an Flüssigkeit gefüllt sein muss, eingesetzt werden. Ein Neuanfahren des Brenners ist aufwändig, so dass ein Abschalten des Brenners nur dann erfolgen soll, wenn es absolut notwendig ist. Nach dieser Maßgabe müssen die Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Ein solcher Kessel kann beispielsweise als Dampfquelle zur Vulkanisierung eingesetzt werden.
Wesentlich ist dabei das Merkmal der Busfähigkeit, womit im Unterschied zu früher eingesetzten Systemen, bei denen jede Steuerungseinheit eines Messgeräts separat abgefragt oder vor Ort überwacht werden musste, nun eine zentrale Erfassung und Auswertung, z.B. Visualisierung der Messergebnisse, in einer Schaltwarte erfolgen und so ein deutlicher Gewinn an Funktionalität erzielt werden kann.
Um die hier fraglichen Messsonden, beispielsweise Füllstandssonden, bustauglich zu machen, wurden im Stand der Technik diese Komponenten bisher völlig umgestaltet, mit entsprechend geänderten Messköpfen versehen und insbesondere mit den für die Busfähigkeit entscheidenden Peripheriekomponenten ausgestattet. Dies beinhaltet insgesamt aufwändige und deshalb kostenintensive Anpassungen, da sowohl die Gehäusetechnik der Steuer-/Anzeigegeräte, die Anschlusstechnik als auch die Anschlussbelegungen an der Messsonde und dem Messkopf geändert werden müssen. Bei Anlageumrüstungen sind deshalb sehr aufwändige Arbeiten nötig, da nicht nur die Steuergeräte und Sensorköpfe, sondern auch die Messsonden selbst ausgetauscht werden müssen.
Ein weiterer Gesichtspunkt im Stand der Technik betrifft die Erfüllung der notwendigen Sicherheitsstandards, nach denen eine redundante Ausführung des fraglichen Busses erforderlich ist. Im Stand der Technik wird dabei die Sicherheitskette als eigener Busteilnehmer vorgesehen, so dass ein zweiter physikalischer Bus notwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine busfähige Messvorrichtung zum Bestimmen von physikalischen Parametern in oder an einem Kessel zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und mit der eine Umrüstung bestehender Systeme besonders leicht bewerkstelligt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die busfähige Messvorrichtung der oben beschriebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass der Messkopf eine Elektronik zum Umsetzen des analogen Messsignals in ein einfach kodiertes digitales Grundsignal aufweist, dass das Peripheriegerät das digitale Grundsignal verarbeitet und auf dessen Grundlage ein busfähiges Ausgangssignal bereitstellt und dass das Peripheriegerät zur Sicherheitsüberwachung mindestens einen Relaiskontakt aufweist, der so geschaltet ist, dass in einem Störungsfall ein Schaltereignis erfolgt.
Als ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, dass der Messkopf mit Hilfe einer Elektronik zunächst ein einfaches Grundsignal bereitstellt. Auf diese Weise kann die Elektronik im Messkopf auf ein notwendiges Mindestmaß beschränkt und insgesamt die Baugröße des Messkopfs klein und kompakt gehalten werden. Das einfache digitale Grundsignal kann auch als Low-Level-Protokoll bezeichnet werden.
Als weiterer Kerngedanke der Erfindung kann erachtet werden, dass das Peripheriegerät nicht nur das digitale Grundsignal verarbeitet und das erforderliche busfähige Ausgangssignal bereitstellt, sondern außerdem zur Sicherheitsüberwachung einen Relaiskontakt aufweist, über den die Funktionalität des Geräts von außen abgefragt werden kann. Durch dieses Merkmal entfällt die Notwendigkeit eines zweiten physikalischen Busses, wodurch ebenfalls in erheblichem Umfang Komponenten und damit Kosten gespart werden können.
Die digitale Technik, die hier zum Einsatz kommt, hat gegenüber der bisherigen analogen Technik darüber hinaus den Vorteil einer deutlich verringerten Störanfälligkeit. Dies beruht im Wesentlichen darauf, dass die Signalwege von analogen Messgrößen, die empfindlich gegenüber Einstreuungen und sonstigen Störungen sind, auf wenige mm im Messkopf reduziert sind. Bei früher nach herkömmlicher Technik eingesetzten analogen Verfahren mussten die Signale, je nach Leitungslänge, häufig über einige Meter geleitet werden.
Zwischen Messkopf und Peripheriegerät werden nunmehr digitale Signale, die deutlich unempfindlicher gegenüber Störungen sind, übertragen. Im Vergleich zur analogen Technik wird also die Qualität des Messergebnisses von der Leitungslänge oder Leitungsqualität entkoppelt. Dies ist ein erheblicher Vorteil der hier beschriebenen Messkomponenten.
Darüber hinaus bieten sich durch eine durchgängig digitale Signalverarbeitung erheblich vielfältigere Möglichkeiten einer Benutzerführung und einer Fehleranalyse.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung setzt der Messkopf das analoge Messsignal in ein serielles Digitalsignal um. Beispielsweise werden dort digitale Zählpulse mit einer zum analogen Messsignal proportionalen Frequenz generiert. Hierdurch kann eine Verbindungsleitung, die auch als interner Bus bezeichnet wird, besonders einfach gehalten werden.
Zweckmäßig ist zwischen Messkopf und Peripheriegerät beispielsweise der Messkopf mit dem Peripheriegerät über eine Vier-Draht-Leitung verbunden. Grundsätzlich ist auch eine Zwei-Draht-Leitung möglich, wobei das digitale Grundsignal der Spannungsversorgung überlagert ist.
Der Relaiskontakt des Peripheriegeräts kann beispielsweise ein aktiv zu schließender Relaiskontakt sein. Eine Sicherheitsüberwachung des Peripheriegeräts gestaltet sich einfach, wenn der Relaiskontakt im aktiven Zustand, beispielsweise also im aktiv geschlossenen Zustand gehalten wird. Ein Störungsfall kann in der Messsonde, im Messkopf oder im Peripheriegerät vorliegen. Eine Störung, etwa ein Stromausfall, führt bei einem solchen Schließer zur Unterbrechung des Relaiskontakts. Äquivalente Schaltungen, die auf dem Ruhestromprinzip beruhen, sind mit Öffnern, also mit aktiv offenen Relaiskontakten möglich. Der Relaiskontakt kann auch so verschaltet sein, dass er nach einmaligem Schaltereignis erst nach Rücksetzen durch einen Benutzer wieder in einen Arbeitszustand gebracht werden kann.
Zur Erhöhung der Sicherheit kann der Relaiskontakt ein doppelter, in Reihe geschalteter Relaiskontakt sein.
Als Messsonde kommt grundsätzlich jede Art von Messsonde in Betracht, die zur Messung von physikalischen Parametern an oder in einem Kessel verwendet wird. Beispielsweise kann die Messsonde eine Füllstandssonde, eine Druck- und/oder eine Temperatursonde sein. Hierbei kann man sich insbesondere konduktive, kapazitive und/oder induktive Messprinzipien zunutze machen.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann der Messkopf, da nur ein digitales Grundsignal dort generiert werden muss, vergleichsweise klein gehalten werden. Zweckmäßig wird der Messkopf deshalb so ausgebildet, dass er kesselnah angebracht werden kann. Hierzu kann beispielsweise ein temperaturstabiles Gehäuse erforderlich sein.
Die Kabelwege zur Messsonde können so kurz gehalten werden, so dass empfindliche analoge Messsignale nur über eine sehr kurze Strecke geleitet werden müssen. Besonders bevorzugt ist der Messkopf auf die Messsonde aufgesteckt.
Die Messsonde kann bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Einrichtung zur Selbstüberwachung, beispielsweise selbstüberwachende Elektroden, aufweisen. Signale der Einrichtung zur Selbstüberwachung werden ebenfalls über den Messkopf abgefragt und ein Zustandssignal wird in vergleichbarer Weise mit Hilfe des einfachen digitalen Grundsignals über den internen Bus zum Peripheriegerät geleitet.
Das Peripheriegerät weist bevorzugt eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen von Messwerten oder Zustandsparametern der Messsonde und/oder Bedienelemente auf. Einfache Manipulationen und Bedienvorgänge können so von einem Nutzer direkt am Peripheriegerät vorgenommen werden.
Die Messvorrichtung gestattet in vorteilhafter Weise den Aufbau eines Netzes aus einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Messvorrichtungen.
Insbesondere kann ein solches Netzwerk ein Gateway zur Kommunikation mit weiteren Systemen aufweisen.
Besonders bevorzugt sind die Relaiskontakte der einzelnen Peripheriegeräte miteinander in Reihe geschaltet, so dass durch Überwachen des Leitfähigkeitszustands dieser Strecke eine Sicherheitsabfrage möglich ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Messvorrichtung werden nachstehend mit Bezug auf die schematischen Figuren erläutert. Hierin zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
2 in schematischer Ansicht ein aus mehreren erfindungsgemäßen Messvorrichtungen zusammengesetztes Netzwerk.
Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert. Äquivalente Komponenten sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Wesentliche Bestandteile der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 sind eine Messsonde 20, ein darauf aufgesteckter Messkopf 40 und ein Peripheriegerät 60. Die Messsonde 20, bei der es sich im gezeigten Beispiel um einen auf einer Leitfähigkeitsmessung beruhenden Niveaumesser handelt, ist im Betrieb an einem hier nicht dargestellten Kessel montiert. Die Messsonde 20 weist einen Grundkörper 22, wobei es sich um ein rohrartiges Gehäuse handelt, und in dem Messelektronikkomponenten untergebracht sind, und eine ins Kesselinnere hineinragende Messelektrode 24 auf.
Die Messsonde 22 ist außerdem mit einer Sicherheitselektrode 25 versehen, mit welcher eventuelle Funktionsbeeinträchtigungen, beispielsweise aufgrund von Verschmutzungen, festgestellt werden können.
Im Messkopf 40 wird eine von der Messsonde 20 gelieferte analoge Messinformation erfindungsgemäß in ein einfaches digitales Grundsignal umgesetzt. Beispielsweise werden digitale Zählpulse mit einer zu einer analogen Messspannung proportionalen Frequenz erzeugt.
Über einen Stecker 42 oder ein entsprechendes Anschlussstück und eine Vier-Draht-Leitung 44 gelangt das digitale Grundsignal, welches schematisch durch den Einsatz 46 veranschaulicht ist, zum Peripheriegerät 60. Das Peripheriegerät 60 verarbeitet erfindungsgemäß das digitale Grundsignal und stellt auf dessen Grundlage ein busfähiges Ausgangssignal bereit. Weiterhin weist das Peripheriegerät 60 zur Sicherheitsüberwachung einen in der 1 schematisch gezeigten Relaiskontakt 65 auf, der als Schließer ausgebildet und so geschaltet ist, dass in einem Störungsfall ein Schaltereignis erfolgt, also die Haltespannung abgeschaltet wird. Das Peripheriegerät 60 weist darüber hinaus eine Anzeigeeinrichtung 62 sowie einfache Bedienkomponenten 64, beispielsweise Taster, auf. Hierdurch sind einfache Abfragen und Manipulationen möglich, ohne dass beispielsweise ein Steuerungsrechner hochgefahren werden muss.
In 2 ist ein Netzwerk dargestellt, welches aus einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Messvorrichtungen 40 aufgebaut ist. Dabei sind Messsonden 20 jeweils über darauf aufgesteckte Messköpfe 40 und entsprechende Vier-Draht-Leitungen 44, die den internen Bus darstellen, mit einem Peripheriegerät 60 verbunden. Die Peripheriegeräte 60 ihrerseits sind über Busleitungen 70, durch die ein externer Bus gebildet wird, miteinander verbunden. Darüber hinaus sind die Relaiskontakte 65 der Peripheriegeräte 60 miteinander in Reihe verbunden, so dass eine Abfrage dieser Strecke ebenfalls eine Sicherheitsinformation liefert, da ein geschaltetes Relais ausreicht, um den Leitfähigkeitszustand dieser Strecke zu verändern.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine neue Art von busfähigen Messvorrichtungen bereitgestellt. Diese Geräte weisen im Wesentlichen zwei Hauptkomponenten auf: zunächst einen kesselnah montierten Messkopf, der sich auf einer Messsonde befindet, und außerdem ein Steuer- und Anzeigegerät, das auch als Peripheriegerät bezeichnet werden kann und sich typischerweise in einem Schaltschrank befindet. Unterstützt wird je nach Aufgabe des Geräts entweder ein konduktives, kapazitives und/oder induktives Messprinzip.
Der Messkopf wird mit Hilfe einer einfachen, beispielsweise vier-adrigen Leitung mit dem Peripheriegerät verbunden. Zwei dieser Leitungen dienen zur Spannungsversorgung des Messkopfs, die beiden anderen verbleibenden Leitungen werden zur Kommunikation zwischen Messkopf 40 und einer Steuerplatine im Peripheriegerät 60 genutzt.
Die dem Messkopf zugeordnete Messgröße, hierbei kann es sich beispielsweise um einen Füllstand oder eine Leitfähigkeit handeln, wird ermittelt und als digitale Information über den internen Bus, also über die Vier-Draht-Leitung, zum Peripheriegerät 60 oder Steuergerät gesendet. Im Peripheriegerät 60 wird diese Information dann geprüft und ausgewertet.
Neben dem Anschluss für den internen Bus besitzt jedes Peripheriegerät 60 zusätzlich einen Anschluss für einen externen Bus. Über diesen externen Busanschluss kann ein Netzwerk aus mehreren Peripherie- oder Steuergeräten 60 aufgebaut werden. In besonders vorteilhafter Weise ermöglicht diese Anschlusstechnik außerdem, über ein entsprechendes Gateway eine Verbindung oder Kopplung zu anderen Systemen aufzubauen.
Insgesamt sind die hier beschriebenen Messvorrichtungen im Vergleich zum Stand der Technik bei verbesserter Funktionalität deutlich einfacher aufgebaut und insbesondere eine Umrüstung von bestehenden Anlagen gestaltet sich im Vergleich zu Lösungen im Stand der Technik erheblich einfacher, da die Messsonden selbst an der Anlage oder dem Kessel verbleiben können. Im Allgemeinen ist nur ein Wechsel des Messkopfs und der Peripheriegeräte notwendig.
Als wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist demgemäß anzusehen, dass sowohl die Gehäusetechnik der Peripheriegeräte, die Anschlusstechnik als auch die Anschlussbelegung der Messsonde und des Messkopfs unverändert bleiben können. Außerdem ist eine sehr kompakte Bauform der Messkopf-Elektronik möglich, so dass diese in einen handelsüblichen Stecker integriert werden kann.
Diese Voraussetzungen ermöglichen bei Anlageumrüstungen, dass vorhandene analoge Messsonden und entsprechende Verkabelungen beibehalten werden können. Lediglich die Steuergeräte und Sensorköpfe müssen getauscht und geringfügige Austauscharbeiten durchgeführt werden. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar, wo im Rahmen einer Anlageumrüstung ein Wechsel sämtlicher Komponenten vorgenommen werden muss.
Durch das hier beschriebene Sicherheitskonzept mit einer zu überwachenden Relais-Strecke ist nur ein physikalischer Bus nötig. Sämtliche Steuergeräte, die Bestandteil der Sicherheitskette sind, besitzen einen eigenen Sicherheits-Relaiskontakt. Beispielsweise muss eine Brennersteuerung zur Erfüllung der Sicherheitsstandards nicht als Busteilnehmer gebildet sein.
Insgesamt wird im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich kompaktere Bauform sowohl der Steuergeräte als auch der Messköpfe erreicht.

Claims

Busfähige Messvorrichtung zum Bestimmen von physikalischen Parametern in oder an einem Kessel, mit einer in oder an dem Kessel anzubringenden Messsonde (20) zum Messen des physikalischen Parameters oder der physikalischen Parameter und zum Ausgeben eines analogen Messsignals auf Grundlage eines gemessenen Werts, mit einem mit der Messsonde (20) verbundenen Messkopf (40) und mit einem mit dem Messkopf (40) verbundenen Peripheriegerät (60) zum Bereitstellen einer Busverbindung, zum Steuern und Versorgen des Messkopfs (40) und zum Verarbeiten von von dem Messkopf (40) gelieferten Daten, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (40) eine Elektronik zum Umsetzen des analogen Messsignals in ein einfach kodiertes digitales Grundsignal (46) aufweist, dass das Peripheriegerät (60) das digitale Grundsignal (46) verarbeitet und auf dessen Grundlage ein busfähiges Ausgangssignal bereitstellt und dass das Peripheriegerät (60) zur Sicherheitsüberwachung mindestens einen Relaiskontakt (65) aufweist, der so geschaltet ist, dass in einem Störungsfall ein Schaltereignis erfolgt.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (40) das analoge Messsignal in ein serielles Digitalsignal (46) umsetzt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (40) mit dem Peripheriegerät (60) über eine Zwei-Draht-Leitung oder eine Vier-Draht-Leitung (44) verbunden ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Relaiskontakt (65) ein aktiv geschlossener Relaiskontakt ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Relaiskontakt (65) ein doppelter, in Reihe geschalteter Relaiskontakt ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (20) eine Füllstandssonde, eine Druck- und/oder eine Temperatursonde ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (20) auf einem konduktiven, kapazitiven und/oder induktiven Messprinzip beruht.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (20) eine Einrichtung zur Selbstüberwachung, insbesondere selbstüberwachende Elektroden (25), aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (40) zum kesselnahen Anbringen ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (40) auf die Messsonde (20) aufgesteckt ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Peripheriegerät (60) eine Anzeigeeinrichtung (62) zum Anzeigen von Messwerten und/oder Zustandsparametern der Messsonde (20) aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Peripheriegerät (60) Bedienelemente (64) aufweist.
Messnetzwerk mit einer Mehrzahl von Messvorrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Messnetzwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kommunikation mit weiteren Systemen ein Gateway vorhanden ist.
Messnetzwerk nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaiskontakte (65) der Messvorrichtungen (10) in Reihe geschaltet sind.