DE2538911A1

DE2538911A1 - Datenverarbeitungssystem fuer eine industrielle anlage

Info

Publication number: DE2538911A1
Application number: DE19752538911
Authority: DE
Inventors: James A Hogan
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1974-09-09
Filing date: 1975-09-02
Publication date: 1976-03-18
Also published as: US3973170A; GB1507558A; JPS5153187A; CA1051995A; DE2538911C2

Description

04-3996 Ge 1. September 1975

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Datenverarbeitungssystem für eine industrielle Anlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Datenverarbeitungssystem für eine industrielle Anlage, die sichere und sicherheitsgefährdete Bereiche aufweist, mit einer eigensicheren Sperre zwischen einzelnen Daten-Verbindungsstationen und einem diese verbindenden Datenkanal.

In elektronischen Prozeßregelsystemen, die aus einer Zentralstation und einer Vielzahl von entfernt angeordneten Stationen bestehen, befindet sich die Zentralstation im allgemeinen in einem Überwachungsgebäude und die entfernt angeordneten Stationen befinden sich innerhalb wichtiger Bereiche in der Anlage selbst. Regelsysteme dieser Art finden einen ausgedehnten Anwendungsbereich in industriellen Prozessen, insbesondere innerhalb von Erdölraffinerien und chemischen Anlagen. Während die verschiedenen Stationen im allgemeinen nicht in sicherheitsgefährdeten Bereichen angeordnet sind, ist es häufig erforderlich, daß die die Stationen verbindenden Daten-Übertragungskanäle durch solche sicherheitsgefährdeten Gebiete führen. Brandschutzüberlegungen hinsichtlich der Daten-Ubertragungskanäle genießen hierbei höchste Bedeutung. Diese Überlegungen sind deshalb von

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Bedeutung, da bei einem Bruch oder einer Zerstörung des Datenübertragungskanales ein eine Explosion auslösender Funken auftreten kann. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden besteht in einer explosionssicheren Installation des Daten-Ubertragungskanales, wobei diese Lösung jedoch aus verschiedenen Gründen nicht als die optimale Lösung betrachtet werden kann.

Sichere und sicherheitsgefährdete Bereiche sind in der Literatur als Zonen definiert, worden. Zonen 0, 1 und 2 sind durch die Internationale Elektrochemische Kommission wie folgt definiert worden:

Zone 0 - Ein Bereich oder umfaßter Raum innerhalb welchem irgendeine entzündbare oder explosive Substanz, ganz gleich ob Gas, Dampf oder flüchtige Flüssigkeit fortwährend vorhanden ist.

Zone 1 - Ein Bereich innerhalb dessen irgendeine entzündbare oder explosive Substanz, ganz gleich ob Gas, Dampf oder flüchtige Flüssigkeit verarbeitet, behandelt oder aufbewahrt wird und wo während normaler Operationen eine explosive oder entzündbare Mischung entstehen kann.

Zone 2 - Ein Bereich innerhalb welchem irgendeine entzündbare oder explosive Substanz, ganz gleich ob Gas, Dampf oder flüchtige Flüssigkeit trotz ihrer Verarbeitung oder Aufbewahrung unter so guten Kontrollbedingungen steht, daß die Erzeugung einer explosiven oder entzündbaren Konzentration nur unter abnormalen Zuständen wahrscheinlich ist.

In den Vereinigten Staaten benutzt man anstatt einer Aufteilung in Zonen eine Aufteilung in Abteilungen, wobei die Abteilung I die Zonen 0 und 1 und die Abteilung II die Zone 2 umfaßt.

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Im Stand der Technik ist es bekannt,bei den vorstehend erwähnten Anlagen eine eigensichere Sperre vorzusehen. Das Konzept der eigensicheren Sperre basiert auf der Herabminderung des elektrischen Energiepegels innerhalb solcher in der Anlage montierter Komponenten, die beispielsweise innerhalb der Zonen 0 und 1 angeordnet sind, wobei sich dieser Energiepegel unterhalb einer Schwelle befindet, die einen explosionsauslösenden Funken erzeugen könnte. Eine solche eigensichere Sperre erhält man daher durch eine entsprechende Auslegung der elektrischen Schaltkreise, so daß auf eine explosionsgeschützte Ausführung der Daten-Übertragungskanäle sowie auf andere Schutzmaßnahmen verzichtet werden kann.

Eine im Stand der Technik bisher vorgeschlagene Form der eigensicheren Sperre benutzt eine Zenerdiode. Bei einer solchen bekannten Sperre ist die Zenerdiode in Reihe mit einem Widerstand und einer Sicherung im Nebenschluß zu dem die einzelnen Datenstationen verbindenden Datenkanal angeordnet. Die Sperren mit Zenerdioden weisen gewisse Nachteile auf, die insbesondere durch die Kapazität der Zenerdiode sowie durch den Serienwiderstand verursacht werden, an dem auf Grund seines relativ großen Wertes ein beträchtlicher Spannungsabfall erfolgt. Infolge der relativ großen Kapazität der Zenerdiode werden höherfrequente Signale kurzgeschlossen, so daß die Frequenz der zu übertragenden Daten begrenzt ist. Auf diese Weise wird die Informationsdichte, d. h. der Betrag der Information, der innerhalb einer vorgegebenen Zeitperiode übertragen werden kann, stark eingeschränkt. Ein weiterer und besonders wichtiger Nachteil der Anordnung bestehend aus Zenerdiode und Widerstand besteht darin, daß die Verbindung zwischen den sicheren und sicherheitsgefährdeten Bereichen galvanischer Art ist. Bei einer solchen Sperre besteht demnach eine direkte elektrisch leitende Verbindung zwischen den sicheren und sicherheitsgefährdeten Bereichen. Als Folge hiervon muß bei Verwendung einer solchen Sperre der

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Daten-Übertragungskanal sowohl in der Zentralstation, als auch in jeder der entfernt angeordneten Stationen geerdet werden. Unterschiede hinsichtlich des Massepotentials entlang des Datenübertragungskanales verursachen somit zirkulierende Ströme in der Kabelabschirmung, wodurch Fehlsignale eingestreut werden können, die mit den Datensignalen innerhalb des Daten-Übertragungskanales überlappen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Datenverarbeitungssystem mit einer eigensicheren Sperre für eine industrielle Anlage anzugeben, das es gestattet, hinsichtlich der Datenübertragung auf eine explosionsgeschützte Ausführung der Daten-Übertragungskanäle zu verzichten, indem die Eigensicherheit des Systems durch Schaltungstechnische Maßnahmen erzielt wird, wobei gleichzeitig die bekannten, durch Zenerdioden verursachten Unzulänglichkeiten vermieden werden. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung, Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die bei dem Datenverarbeitungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete eigensichere Sperre gestattet in eigensicherer und galvanisch isolierter Weise die Verbindung von Prozeßsteuereinheiten oder Verbindungsstationen innerhalb Bereichen der Zone 2 durch ein Koaxialkabel, das seinerseits eine oder mehrere Bereiche der Zone 0 und 1 durchquert. Die Impedanz des Daten-Ubertragungskanales in einer Erdölraffinerie beträgt typischerweise 75 Ohm und die Datensignale bestehen aus elektrischen Stromimpulsen mit einer Frequenz in der Größenordnung von 250 KHz und einer nominellen Spitzenspannung von 0,9 Volt. Der fließende Spitzenstrom ist daher sehr gering und bewegt sich in der Größenordnung von 12 Milliampere. Die in Form solcher digitaler Datenimpulse übertragene Energie ist demgemäß sehr gering und daher nicht ausreichend,um bei einem Bruch des Kabels einen

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explosionsentzündenden Funken zu erzeugen. Sieht man daher Mittel vor, um die insgesamt übertragene Energie innerhalb eines solchen Kabels auf einen solchen geringen Wert zu begrenzen, so wird der Daten-Übertragungsweg insgesamt eigensicher .

Die digitalen Datenimpulse werden dem Daten-Übertragungskanal von den Daten-Verbindungsstationen aufgeprägt. Die Energieversorgung dieser Stationen wird im allgemeinen einer herkömmlichen Spannungsquelle mit einer Frequenz von beispielsweise 50 oder 60 Hz entnommen. Durch geeignete Gleichrichter können die erforderlichen Gleichspannungen für die Komponenten der Daten-Verbindungsstationen erzeugt werden. Die Versorgungsspannung und die daraus abgeleiteten Gleichspannungen weisen einen bedeutend höheren Energiepegel auf, als dies hinsichtlich der Datenimpulse der Fall ist. Gelangt ein Signal mit diesem höheren Energiepegel unglücklicherweise auf den Daten-Übertragung sk anal , so ist diese Energie mehr als ausreichend, um einen explosionserzeugenden Funken bei einem Bruch des Datenübertragungskanales zu erzeugen.

Die Daten-Verbindungsstationen weisen ferner geeignete Mittel für die Erzeugung der Datenimpulse und für die übertragung solcher Impulse über den Daten-Übertragungskanal sowie für den selektiven Empfang von über den Daten-Übertragungskanal von anderen Verbindungsstationen gesendeten Datenimpulsen auf.

Die in dem Datenverarbeitungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete eigensichere Sperre weist einen übertrager mit einem Eisenkern,sowie eine Primär- und eine Sekundärwindung auf, wobei die Datenimpulse durch eine Daten-Verbindungsstation der Primärwindung aufgeprägt und über die Sekundärwindung in den Daten-Übertragungskanal eingekoppelt werden. Das übersetzungsverhältnis des Übertragers, die Impedanz der Windungen

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und die übrige Auslegung des Übertragers sind so getroffen, daß der übertrager in beiden Richtungen ein offenes Fenster für die Datenimpulse mit der relativ hohen Frequenz bildet. Andererseits sperrt der Übertrager jedoch alle Wechselströme mit der relativ niedrigen. Frequenz von 50 oder 60 Hz sowie jeglichen Gleichstrom, wodurch die übertragung solcher Ströme von der Primärseite auf die Sekundärseite ausgeschlossen wird. Der übertrager ist demnach so ausgebildet, daß die Impedanz der Primärwindung bei niedrigen Frequenzen stark abfällt und somit für niederfrequente Ströme praktisch einen Kurzschluß bildet, so daß große Ströme durch die Primärwindung fließen können, ohne daß eine übertragung eines beachtlichen Energiebetrages auf die Sekundärseite stattfindet. Die konstruktive Ausführung des Übertragers ist so getroffen, daß er ohne überlastung kurzfristig solchen großen Strömen standhalten kann. Vorzugsweise werden die bei einem solchen abnormalen Zustand durch die Primärwindung fließenden Ströme durch geeignete Widerstände begrenzt. Um bei länger anhaltenden Strömen den übertrager gegen überlastung zu schützen, können vorzugsweise im Kreis der Primärwindung Sicherungen angeordnet werden, die bei einem auftretenden kritischen Zustand den Schaltkreis unterbrechen.

Die eigensichere Sperre gestattet somit die übertragung digitaler Signale zwischen den Daten-Verbindungsstationen und dem Daten-Übertragungskanal, während Wechselströme mit höherer Energie und niedrigerer Frequenz, sowie entsprechende Gleichströme von dem Daten-Übertragungskanal entfernt gehalten werden.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es «eigen:

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Figur 1 die Darstellung eines Systems, welches eine Zentralstation und eine Vielzahl von entfernt angeordneten Stationen aufweist, die miteinander über ein einziges im Timesharing-Betrieb genutztes Koaxialkabel verbunden sind; Figur 2 ein schematisches Diagramm einer die Schnittstelle des Datenverarbeitungssystems bildenden eigensicheren Sperre gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 3 eine typische Form der Signale an den Anschlußklemmen Sl und S2 innerhalb der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2; Figur 4 ein die Echtzeit-Schnittstelle an den entfernt angeordneten Stationen darstellendes Blockdiagramm, wobei diese Schnittstelle zwischen dem Daten-Übertragungskanal und den fest verdrahteten Prozeß-Ein/Ausgang-Einheiten angeordnet ist und Figuren 5 und 6 eine Bausteinausführung der eigensicheren Sperre in einem Grundriß und einer Seitenansicht.

Gemäß Figur 1 weist ein elektronisches Prozeßsteuersystem eine Zentralstation 1 auf, die in einem Überwachungsraum 2 angeordnet ist und über ein Koaxialkabel 3 mit einer Vielzahl von entfernt angeordneten Stationen 4 und 5 verbunden ist, wobei diese Stationen 4 und 5 im Informationsaustausch mit der industriellen Anlage stehen. Das Koaxialkabel 3 ist auf seiner ganzen Länge nur an einem Punkt geerdet, beispielsweise, wie dargestellt,in der zentralen Station 1. Die Zentralstation 1 hat die Aufgabe, Steuerbefehle in digitaler Form über den Daten-Übertragungskanal 3 für die entfernt angeordneten Stationen 4 und 5 auszugeben, sowie andererseits über den gleichen Daten-Übertragungskanal Informationssignale in digitaler Form zu empfangen. Die entfernt angeordneten Stationen 4 und 5 stehen zusätzlich typischerweise miteinander über den Daten-Übertragungskanal 3 im Informationsaustausch, indem sie entsprechende digitale Impulse senden und empfangen. Die Zentralstation 1 ist dementsprechend in der Lage, jede entfernt angeordnete Station zu adressieren, indem sie eine der Anzahl der entfernt angeordneten Stationen entsprechende Anzahl von

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verschieden codierten Adressignalen auszusenden vermag. Beim Empfang des ihm zugeordneten codierten Adressignales ist jede entfernt angeordnete Station in der Lage ihre Funktion auszuführen, d. h. Informationen von Prozeßfühlern aufzunehmen und solche Informationen über den Daten-Übertragungskanal zu der Zentralstation und zu den anderen entfernt angeordneten Stationen zu senden. Jede entfernt angeordnete Station kann zudem bei ihrer Adressierung Steuerbefehle an die von ihr gesteuerten Prozeßkomponenten abgeben, um den Prozeß entsprechend zu führen. Weiterhin kann eine jede solche Unterstation von der Zentralstation und möglicherweise auch von anderen Unterstationen auf den neuesten Stand gebrachte Informationen empfangen, wobei diese Informationen sich auf den gerade zu steuernden Prozeß beziehen.

Die Zentralstation 1 weist gemäß Figur 1 eine Übertragungssteuerung 6 auf, innerhalb welcher das Koaxialkabel 3 an Masse gelegt ist, sowie einen Prozeßrechner 7, der eine Daten-Übertragungskanal-Schnittstelle sowie eine entsprechende Überwachungs-Software aufweist;und sie umfaßt ferner eine Überwachungskonsole 8,sowie eine Bedienungsstation 9 mit einer Darstellungsmöglichkeit auf einer Kathodenstrahlröhre. Die übertragungssteuerung 6 dient der Zugriffsteuerung zu dem Datenübertragungskanal durch die verschiedenen Systemkomponenten. Die Übertragungsteuerung 6, der Prozeßrechner 7, die Überwachungskonsole 8 und die Bedienungsstation 9 bilden für sich jeweils keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung und werden deshalb im folgenden nicht näher beschrieben. Solche Einrichtungen sind im Stand der Technik bestens bekannt und können jeweils verschiedene Formen einnehmen.

Die verschiedenen entfernt angeordneten Stationen 4 und 5 weisen jeweils eine Echtzeit-Schnittstelleneinheit 10, 10' usw. auf. Jede entfernt angeordnete Echtzeit-Schnittstelleneinheit 10, 10* usw. ist einem Untersystem der industriellen Anlage

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zugeordnet. Die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist von besonderem Nutzen bei explosionsgefährdeten Anlagen, wie man sie bei der Produktion von Chemikalien und bei der Erdölraffinierung antrifft.

Den entfernt angeordneten Stationen 4 und 5 sind Untersysteme 11, 11' usw. des Prozesses zugeordnet. Jedes Untersystem weist eine Vielzahl von Prozeßüberwachungs- und -Steuereinrichtungen auf, wie sie für die verschiedenen Prozeßvariablen,wie beispielsweise Temperatur, Druck oder Durchfluß,erforderlich sind. Jedes Untersystem umfaßt weiterhin geeignete Ein/Ausgang-Ausrüstungen für die Erzeugung analoger und digitaler Eingangsund Ausgangssignale. Im praktischen Anwendungsfall werden von jedem Untersystem 8, manchmal auch 16, Prozeßregelschleifen bearbeitet. Die in jedem Untersystem enthaltene Ein/Ausgang-Ausrüstung ist in Einzelheiten nicht dargestellt, da die Ausbildung dieser Ausrüstung für sich keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bildet und irgendeine bekannte Form aufweisen kann. Es sei jedoch darauf verwiesen, daß eigensichere Sperren 12, 12* usw. zwischen den Untersystemen 11, 11* usw. und ihren zugeordneten Echtzeit-Einheiten 10, 10' angeordnet werden können. Solche eigensicheren Sperren können vom bekannten Zener-Diodentyp sein, wie sie eingangs erwähnt wurden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jeder der verschiedenen beschriebenen Prozeßeinheiten, d. h. sowohl der Zentralstation 1 als auch den entfernt angeordneten AnlagenStationen 4 und 5, ein Sender/Empfänger 13 zugeordnet. Ein jeder solcher Sender/ Empfänger 13 weist die in Figur 2 dargestellte Form auf und umfaßt einen übertrager 20 mit Eisenkern, der die nachstehend beschriebenen Eigenschaften aufweist und ferner eine Sekundärwindung 21 aufweist, deren Anschlußklemmen Sl und S2 an den Innenleiter und die Abschirmung des Koaxialkabels 3 in der dargestellten Weise angeschlossen sind. Der Übertrager 20 umfaßt

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ferner eine Prisnärwindung 22 mit einer ersten Anschlußklemme, die über einen Anschluß P3 an Masse gelegt ist, sowie eine zweite Anschlußklemme, die über entsprechende Verbindungen Pl und P2 an eine geeignete digitale Impulsübertragungseinrichtung 23 sowie eine digitale Impulsempfangseinrichtung 24 gelegt ist. Die Verbindung der zweiten Anschlußklemme der Primärwindung 22 mit dem Kontakt Pl weist einen Widerstand 25 auf und die Verbindung der Prisaärwindung 22 mit dem Kontakt P2 umfaßt einen Widerstand 26. Bei einem übertrager 20 mit den nachstehend noch zu beschreibenden Eigenschaften und bei einer Beschaltung mit der dargestellten Sende- und Empfangsausrüstung weisen die Widerstände 25 und 26 Werte von 174 Ohm und 619 Ohm auf. Das für die Wicklungen 21 und 22 des Übertragers verwendete Material ist im Hinblick auf die Umgebungsbedingungen in geeigneter Weise auszulegen und muß die erforderlichen dielektrischen Eigenschaften aufweisen.

Gemäß Figur 2 weist die digitale Sendeausrüstung 23 Transistoren 27 und 28 auf. Die zu übertragenden digitalen Impulse werden den Basiselektroden eines jeden der Transistoren 27 und 28 über entsprechende Eingangsleitungen 29 und 30 aufgeschaltet. Die Emitter-Kollektorstrecke der Transistoren 27 und 28 ist an eine geeignete Gleiehstromversorgungsspannungsquelle 31 angeschlossen, die ihrerseits an Netzleitungen L₁ und L₂ angeschlossen ist. Die Netzleitungen L, und L₂ führen eine Spannung mit einer üblichen Frequenz von beispielsweise 50 oder 60 Hz,

Der Emitter des Transistors 27 ist an die positive Ausgangsklemme der Spannungeversorgungseinrichtung 31 angeschlossen, und der Emitter des Transistors 28 ist mit Masse verbunden, wobei die Masse die negative Ausgangsklemme der Spannungsversorgungseinrichtung bildet. Die Kollektoren der Transistoren 27 und 28 sind miteinander verbunden. Die Kollektoren sind ferner an den gemeinsamen Schaltungspunkt zweier in Reihe geschalteter Widerstände 32 und 33 angeschlossen. Die freien Anschlüsse der

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Widerstände 32 und 33 sind einerseits an die positive Ausgangskleirane der Spannungsversorgungseinrichtung 31 und andererseits an Masse angeschlossen. Zwei Dioden 34 und 35 sind in Reihe geschaltet und parallel zu den Widerständen 32 und 33 angeordnet, Der gemeinsame Schaltungspunkt der Widerstände 32 und 33,der Dioden 34 und 35 und der Kollektoren der beiden Transistoren 27 und 28 ist über einen Kondensator 36 an den Kontakt Pl angeschlossen. Der Kontakt Pl seinerseits liegt über den Widerstand 25, die Primärwindung 22 des Übertragers 20 und den Kontakt P3 an Masse.

In der dargestellten Ausführungsform die Widerstände 32 und 33 vorzugsweise jeweils den gleichen Wert von beispielsweise 12,1 K52 auf. Als Folge hiervon stellt sich am Spannungsteilerpunkt eine Spannung ein, die der Hälfte der Spannung der Versorgungseinrichtung 31 entspricht. Typischerweise beträgt die von der Versorgungseinrichtung 31 gelieferte Spannung 24 Volt, so daß die sich im Verbindungspunkt der beiden Widerstände 32 und 33 einstellende Spannung und damit auch die an dem Kondensator 36 liegende Spannung 12 Volt beträgt. Die Transistoren 27 und 28 befinden sich normalerweise beide im nicht leitenden Zustand. Der Kondensator 36 entkoppelt den Sender 23 gleichstrommäßig vom übertrager 20.

Im Betrieb des dargestellten Senders 23 gelangt bei der selektiven Anlegung eines digitalen Signalimpulses an die Basiselektrode des Transistors 27 dieser in den leitenden Zustand, wodurch die volle Gleichspannung der Versorgungseinrichtung 31 an die Primärwindung des Übertragers 20 über den Kondensator 36 und den Widerstand 25 geschaltet wird. Die Richtung dieses die Primärwindung 22 des Übertragers durchsetzenden Stromimpulses ist abwärts gerichtet, wie dies in Figur 2 eingezeichnet ist.

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Bei der selektiven Anlegung eines digitalen Impulses an die Basiselektrode des Transistors 28 gelangt dieser in den leitenden Zustand, wodurch die Ladung des Kondensators 36 über den Transistor 28 nach Masse abgeleitet wird und ein Strom in Aufwärtsrichtung durch die Primärwindung 22 des Übertragers 20 fließt.

Durch die selektive Aufschaltung eines digitalen Impulses auf die Basiselektrode des Transistors 27 bzw. 28 kann somit ein Stromimpuls der einen oder anderen Polarität durch die Primärwindung 22 des Übertragers 20 erzeugt werden.

In Figur 3 sind typische Impulse dargestellt wie sie an den Klemmen Sl und S2 der Sekundärwindung 21 des Übertragers für den Fall erzeugt werden, daß Impulse der einen oder anderen Polarität in der Primärwindung 22 erzeugt werden. Die Frequenz der an den Klemmen Sl und S2 entweder durch den Sender 23 oder durch Empfang über das Koaxialkabel 3 erzeugten digitalen Impulssignale beträgt typischerweise 250 KHz. Befindet sich der Sender 23 im Ruhezustand und werden solche digitalen Impulssignale an den Klemmen Sl und S2 entweder von der Zentralstation 1 oder von irgendeiner der entfernt angeordneten Stationen 4,5 usw. über den Datenkanal 3 empfangen, so werden diese digitalen Impulse durch den Übertrager 20 auf den digitalen Empfänger 24 gekoppelt. Der Empfänger 24 gibt die empfangenen digitalen Signale nur dann weiter, wenn der in den empfangenen Signalen enthaltene Code die dem Empfänger zugeordnete Station adressiert. Beim Empfang eines ihm zugeordneten Codes wird der Empfänger 24 aktiviert und führt die ihm zugeordneten Funktionen aus, unter anderem die Aktivierung des zugeordneten Senders 23, um entsprechende Informationen an die Zentralstation oder an andere, entfernt angeordnete Stationen zu senden, bzw. für die Abgabe geeigneter Steuerbefehle an die fest verdrahteten analogen und digitalen Steuereinrichtungen, die jedem Untersystem des

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Prozesses zugeordnet sind. Die durch den Sender 23 erzeugten digitalen Impulse sind ebenfalls in geeigneter Weise codiert, wobei dies durch nicht dargestellte Einrichtungen zu dem Zweck geschieht, daß die übertragenen Signale wiederum von einer adressierten Station empfangen werden.

Gemäß Figur 4 ist in Blockdiagrammdarstellung ein typischer Anwendungsfall gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei eine eigensichere Kopplung zwischen Prozeßsteuerkomponenten innerhalb verschiedener Sicherheitszonen stattfindet. Gemäß Figur 4 weist die Echtzeit-Schnittstelle 10 einen ersten Teil 40 auf, der eine Kabel-Schnittstelle umfaßt, wobei diese Kabel-Schnittstelle als Kopplungselement einen übertrager 20 mit Eisenkern gemäß Figur 2 aufweist. Der Teil 40 der Echtzeit-Schnittstelle 10 umfaßt weiterhin vorzugsweise einen Sender und einen Empfänger für digitale Impulse, wie sie ebenfalls in Figur 2 dargestellt sind. Schließlich umfaßt die Echtzeit-Schnittstelle 10 einen zweiten Teil 41, der fest verdrahtet sein kann und an die Kabel-Schnittstelle 40 angeschlossen ist.

Es sei angenommen, daß die Einrichtung gemäß Figur 4 mit ihrem Teil 41 in einer energiebegrenzenden Weise mit den verschiedenen Prozeßsensor- und Prozeßsteuereinrichtungen verbunden ist. Diese energiebegrenzende Kopplung ist durch die Bezugsziffer 42 angedeutet. Wie jedem Fachmann ohne weiteres verständlich, kann diese Kopplung im Falle analoger Eingänge, wie sie beispielsweise durch Thermoelemente erzeugt werden, durch eine eigensichere Sperre verwirklicht werden, die in bekannterweise eine Eenerdiode, einen Widerstand und eine Sicherung auf v/eist.

Gemäß den Figuren 5 und 6 ist ein übertrager 20 mit Eisenkern in. seiner konstruktiven Ausgestaltungsform dargestellt, wie er zuvor anhand der Figur 2 schaltungsmäßig beschrieben wurde. Der

übertrager 20 ist in Epoxydharz vergossen und mit Anschlüssen versehen, die es gestatten, ihn zusammen mit den anhand Figur beschriebenen Schaltkreiskomponenten auf einer gedruckten Schaltung anzuordnen. Zu diesem Zweck und zur Erzielung einer gewünschten Isolation von anderen Schaltungskomponenten der gedruckten Schaltungsanordnung sind Abstandsstifte 50 vorgesehen. Der Ort und die Anzahl der Abstandsstifte 50 ist innerhalb Grenzen frei wählbar. Die in Figur 5 schraffierte Fläche muß jedoch frei von Abstandsstiften 50 bleiben. Im allgemeinen sind 3 Abstandsstifte 50 ausreichend, um eine parallele Sitzebene zu erzeugen. Eine praktische Ausführungsform betreffend die Abmessung des öbertragers, die Anordnung der Abstandsstifte und die Anordnung der Anschlußklemmen Sl und S2 in Bezug auf die Anordnung der Anschlüsse Pl, P2 und P3 ist in den Figuren 5 und 6 ersichtlich.

In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt das übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwindung des Übertragers 1:2 und die Primär- und Sekundärwindungen des Übertragers sind in Epoxydharz eingegossen. Die Formgestaltung des Übertragerkernes ist nicht kritisch, sollte jedoch so getroffen werden, daß eine ausreichend gute magnetische Kopplung erzielt wird. Beispielsweise kann der Eisenkern aus Eisenband ringförmig gewickelt werden, wobei das Eisen die geforderten magnetischen Eigenschaften aufweist.

Es empfiehlt sich, eine Konstruktion zu wählen, bei der sich die Primär- und Sekundärwindung überlappt, um auf diese Weise den gewünschten Kopplungseffekt zu erzielen. Die Konstruktion ist weiterhin so zu treffen, daß eine galvanische Isolation zwischen der Primärwindung 22 und der Sekundärwindung 21 sowohl unter normalen, als auch unter abnormalen Betriebszuständen vorhanden ist. Die Widerstände 25 und 26 sind zusätzlich zur

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Energiebegrenzung vorgesehen und in die Primärwindung 22 eingeschaltet, wodurch der durch diese Windung fließende Strom begrenzt wird und die Eigensicherheit des Daten-übertragungskanales sichergestellt wird. Zu diesem Zweck werden als Widerstände 25 und 26 vorzugsweise Metallschichtwiderstände vorgesehen, die in der Lage sind, die volle Netzspannung auszuhalten ohne zu schmelzen und den übertrager zu zerstören. Die Widerstände 25 und 26 werden vorzugsweise als Teil des Übertragers 20 mit vergossen.

Der übertrager 20 ist im wesentlichen durch sein Frequenzverhalten und seine Sättigungscharakteristik gekennzeichnet. Er hat dementsprechend die Aufgabe, angelegte digitale Impulse hoher Frequenz zu übertragen bzw. über den Datenkanal 3 zu empfangen, wobei bezüglich solch hochfrequenter Impulse die übertragung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung ungestört stattfinden soll. Für Gleichströme oder pulsierende Ströme herkömmlicher Frequenzen von beispielsweise 50 oder 60 Hz soll jedoch der übertrager 20 die Energieübertragung von der Primärwicklung 22 auf die Sekundärwicklung 21 auf einen Wert begrenzen, der unterhalb dem Wert liegt, der einen explosionsauslösenden Funken in einer sicherheitsgefährdeten Zone auslösen könnte, durch die das Koaxialkabel 3 geführt ist.

Für digitale Signale hoher Frequenz in dem Daten-Übertragungskanal von beispielsweise 250 KHz ist die Impedanz der Primärwindung 22 relativ groß, so daß eine entsprechende übertragung der digitalen Impulse auf die Sekundärwindung stattfindet. Für niederfrequente Spannungen und Ströme von beispielsweise 50 oder 60 Hz oder auch Gleichströme ist jedoch die Impedanz der Primärwindung 22 entsprechend gering und als Folge hiervon fließt ein relativ großer Strom durch die Primärwindung und bringt den übertrager in die Sättigung, wodurch die Energieübertragung auf die Sekundärwindung 21 begrenzt wird.

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Auf Grund dieser Anordnung ist der übertrager 20 in der Lage, auch beim Anlegen der vollen Netzspannung an die Primärwindung 22 des Übertragers, wie dies fehlerhafterweise geschehen kann, die Energieübertragung nach einer sicherheitsgefährdeten Zone entsprechend zu begrenzen. Wenn eine solche abnormale Aufschaltung einer niederfrequenten Spannung auf die Primärwicklung des Übertragers längere Zeit anhält und der Pegel dieser Spannung nicht so hoch ist, daß die Widerstände 25 und 26 den Primärschaltkreis öffnen, so sind diese Widerstände 25 und 26 in der Lage, die der Transformatorwicklung 22 zugeführte Energie auf einen Wert zu begrenzen, der unterhalb dem Wert liegt, der eine unerwünschte Erhitzung und mögliche Zerstörung des Übertragers zur Folge haben würde. Es sei in diesem Zusammenhang vermerkt, daß eine außerordentliche Erhitzung des Transformators vermieden werden muß, da eine solche überhitzung einen inneren Kurzschluß des Übertragers verursachen könnte, was gleichbedeutend mit der Zerstörung der für den übertrager geforderten galvanischen Isolation wäre. Dm eine solche Situation zu vermeiden, in der eine längere Aufschaltung einer niederfrequenten Spannung auf die Primärwindung 22 des Übertragers anstehen könnte, die dessen Zerstörung bewirken würde, sind Sicherungen 60 und 61 vorgesehen, die in Reihe mit den Widerständen 25 und 26 geschaltet sind. Diese Sicherungen bewirken bei längerem Vorliegen eines abnormalen Zustande» eine Abtrennung der Primärwindung des Übertragers und somit von dem Daten-Übertragungskanal. Die Sicherungen 60 und 61 werden ebenso wie die Widerstände 25 und 26 zweckmäßigerweise als Teil der übertragertonstruktion im gleichen Gehäuse angeordnet.

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Claims

Patentansprüche

Datenverarbeitungssystem für eine industrielle Anlage/ die sichere und sicherheitsgefährdete Bereiche aufweist, mit einer eigensicheren Sperre zwischen einzelnen Daten-Verbindungsstationen und einem diese verbindenden Datenkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die im allgemeinen in einem sicheren Bereich angeordneten Daten-Verbindungsstationen (1, 4, 5} durch ein Koaxialkabel (3) als Datenkanal miteinander verbunden sind, das seinerseits durch sicherheitsgefährdete Bereiche geführt ist, wobei die Daten-Verbindungsstationen aus einer Wechselspannungsquelle (Ll, L2) üblicher Frequenz gespeist werden und in der Lage sind, Nachrichtensignale mit einer wesentlich höheren Frequenz und einem wesentlich niedrigeren Energiepegel als die der Wechselspannungsquelle zu senden und zu empfangen, daß die eigensichere Sperre einen übertrager (20) aufweist, dessen Primärwindung (22) einen Bestandteil der Daten-Verbindungsstation bildet und dessen Sekundärwindung (21) zwischen die Abschirmung und den Innenleiter des Koaxialkabels geschaltet ist, und daß die beiden Windungen (21, 22) des Übertragers (20) einen Magnetkern aufweisen, der infolge Sättigung die übertragung von Energie mit der Frequenz und dem Pegel der Wechselspannungsquelle blockiert und die übertragung der hochfrequenten Nachrichtensignale gestattet.
2. Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Magnetkern des Übertragers (20) ringförmig ist und aus einem gewickelten Band magnetischen Materials besteht.

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3. Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten-Verbindungsstationen (1, 4, 5) jeweils einen Sender (23) mit einem Ausgangsschaltkreis aufweisen, wobei die eigensichere Sperre einen Widerstand (25) und eine Sicherung (60) aufweist, die beide in Reihe mit der Primärwindung (22) des Übertragers (20) und dem Ausgangsschaltkreis des Senders (23) geschaltet sind.
4. Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten-Verbindungsstation (1, 4, 5) einen Sender (23) mit einem Ausgangsschaltkreis und einen Empfänger (24) mit einem Eingangsschaltkreis aufweist, wobei die eigensichere Sperre einen ersten (25) und einen zweiten Widerstand (26), sowie eine erste (60) und eine zweite Sicherung (61) aufweist, und der erste Widerstand (25) und die erste Sicherung (6O) in Reihe mit der Primärwicklung des Übertragers und dem Ausgangsschaltkreis des Senders (23) geschaltet sind bzw. der zweite Widerstand (26) und die zweite Sicherung (61) in Reihe mit der Primärwicklung des Übertragers und dem Eingangsschaltkreis des Empfängers (24) geschaltet sind.
5. Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgangsschaltkreis des Senders (23) einen Kondensator (36) aufweist, der die Primärwicklung.(22) des Übertragers (20) von dem Sender (23) gleichstrommäßig trennt und daß die beiden Wicklungen des Übertragers (20) galvanisch isoliert sind.
6. Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstände (25, 26) und Sicherungen (60, 61) mit den beiden Wicklungen (21, 22) und dem Kern des Übertragers (20) in einem gekapselten Baustein angeordnet sind.

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