DE3927309A1 - Modulinterface mit eingebauter sicherheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Gerät zur Datenerfassung und -darstellung in entflammbaren Atmosphären, und spezieller elektronische Datenerfassungs- und -anzeige­ systeme für Überwachungs- und Steuergeräte, die in gefährlichen Bereichen eingesetzt werden (beispielsweise bei Bohrtürmen), wobei durch die Bauweise sichere elektrische Schaltungen bereitgestellt werden, die besonders zur Verwendung in der entflammbaren Atmosphäre derartiger Einrichtungen eingesetzt werden können.

Gefahrenumgebungen der Art, bei welcher entflammbare Materialien in der Atmosphäre vorhanden sind oder vorhanden sein können, machen es erforderlich, daß Schritte unternommen werden, daß eine Entzündung der entflammbaren Materialien vermieden wird, und zwar durch lsolieren der Entzündungsquellen (bei­ spielsweise Funken und heiße Oberflächen) von der entflamm­ baren Atmosphäre. ln der Vergangenheit unternommene Maßnahmen zur Bereitstellung einer derartigen Isolierung umfaßten ex­ plosionssichere Ausführungen und das Spülen mit Inertgasen, die jedoch beide Probleme und Begrenzungen aufweisen, die sich darauf zurückführen lassen, daß viel Raum einnehmende und kostenaufwendige Umhüllungen sowie häufige Wartungsmaß­ nahmen erforderlich sind, um diese Techniken einzusetzen. Ein weiteres Vorgehen nach dem Stand der Technik wird als "eingebaute Sicherheit" bezeichnet und betrifft den Entwurf von Geräten, die so ausgelegt sind, daß die Erzeugung von Funken oder hohen Temperaturen verhindert wird, welche eine Zündung der entflammbaren Materialien bewirken könnten. Mit anderen Worten entfernen die letztgenannten Maßnahmen bereits vorher die Zündungsquelle. Dies wird dadurch erreicht, daß sorgfältig die elektrische Energie, die durch das System gespeichert, an das System geliefert oder innerhalb des Systems erzeugt wird, auf Pegel begrenzt wird unterhalb des Pegels elektrischer Energie, der zur Erzeugung eines Funkens unter den ungünstigstens Bedingungen erforderlich ist, die auftreten könnten. Daher wird ein Schaltkreis mit eingebauter Sicherheit keinen Funken oder einen thermischen Effekt erzeugen, der die Zündung eines entflammbaren Materials bewirken könnte, und zwar unter sämtlichen Umständen, die bei der Verwendung des Schaltkreises auftreten könnten, einschließlich der Ver­ wendung unter Bedingungen, die bei Vorliegen innerer Fehler auftreten könnten.

ln diesem Zusammenhang interessierende gefährliche Umgebungen treten typischerweise beispielsweise bei Ölbohrtürmen auf, bei denen Gase wie Wasserstoff, Methan, Propan und Äthylen vorhanden sein können; allerdings wird darauf hingewiesen, daß entflammbare Atmosphären in zahlreichen anderen Industrie­ zweigen, ein Risiko darstellen, in denen Gase, Dämpfe, Stäube oder flugfähige Objekte vorliegen. In solchen Fällen wird üblicherweise dafür gesorgt, daß Schaltkreise, die Funken oder thermische Wirkungen erzeugen können, auf einen sicheren Bereich begrenzt werden (also einen Bereich, in welchem das Auftreten einer entflammbaren Atmosphäre äußerst unwahrschein­ lich ist), welcher von Schaltkreisen in dem gefährliche Bereich durch eine Art von Barriere abgetrennt ist. Bislang wurde eingebaute Sicherheit durch Begrenzung der Menge elektrischer Energie, die in den gefährlichen Bereich eintritt, durch beispielsweise die Verwendung von Zenerbarrieren erreicht. Derartige Anordungen können kleine unabhängige Schaltkreise umfassen, welche die maximale Spannung und den maximalen Strom begrenzen, welche durch die Schaltung selbst gelieferte werden. Ein Beispiel für eine Zenerbarriere nach dem Stand der Technik stellt die in der US-Patentschrift 44 12 265/Buuck beschriebene Anordnung dar. In diesem Falle schließt die Barriere einen Transistor und eine erste Zenerdiodenkombination ein, die als Quelle einer geregelten Spannung für die Ausgangs­ leitungen der Barriere eingesetzt werden. Zu Schutzzwecken ist eine Sicherung am Eingangsende der Kombination vorgesehen, und zwei zusätzliche Zenerdioden befinden sich am Ausgang. Die letzgenannten Zenerdioden weisen eine Spannungsbelastbar­ keit auf, die größer oder gleich der der anderen Zenerdiode ist, und ihre Zerstörungszeiten sind größer als die Durchbrenn­ zeit der Sicherung. Bei der von Buuck beschriebenen Anordnung weist die Ausgangsleitung ebenfalls einen Widerstand auf, der so ausgewählt ist, daß er den Strompegel auf einem für sicher gehaltenen Wert hält. Durch die Zenerbarriere werden Begrenzungen der Energiespeicherung den Lasten aufgeprägt, die angeschlossen werden können, gewöhnlich bezüglich der Induktivität (L) und der Kapazität (C) der Lasten.

Ein wesentliches Problem tritt dann auf, wenn es erforderlich oder wünschenswert wird, daß mehrere Lasten eine gemeinsame Stromversorgungsquelle oder andere Querverbindungen teilen, so daß die Summe der Energiespeicherelemente, die durch die verschiedenen Lastgeräte dargestellt werden, die Anforderungen für eingebaute Sicherheit überschreitet. ln einem derartigen Fall ist es unbedingt erforderlich, daß die Einzelteile der gemeinsam versorgten Schaltung isoliert werden, um zu ver­ hindern, daß sie zusammenwirken und eine gefährliche Situation hervorrufen. Diese lsolation muß unter denkmöglich schlimmsten Bedingungen aufrechterhalten werden, einschließlich des Falles, daß ein Bauteil oder eine Schaltung fehlerhaft wird.

Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Modulinterfaces mit eingebauter Sicherheit zur Verwendung bei einer derartigen Isolierung.

Die Bereitstellung mehrfacher Barrieren ist verhältnismäßig gut bekannt.

Beispielsweise beschreibt Morgan in der US-Patent­ schrift 36 31 264 ein Mehrfachbarrierensystem zur Begrenzung der Übertragung elektrischer Energie auf aufgrund der Bau­ weise sichere Pegel, wobei jede einzelne Barriere eine Siche­ rung und zwei Widerstände in Reihenschaltung aufweist sowie eine Zenerdiode zur Begrenzung der Spannung an den Verbindungen der Widerstände. Ein Hochspannungsselektor verbindet jede Spannung mit einer Master-Barriere, welche eine spannungsbe­ grenzende Zenerdiode aufweist, die über einen gesteuerten Gleichrichter überbrückt wird, der dann zündet, wenn die letzte Diode übersteuert wird. Nach dem Vorschlag von Morgan werden n Barrieren durch n + 1 Barrieren ersetzt, und der Aufbau der einzelnen Barriere ist in einem derartigen Ausmaß vereinfacht, daß für verhältnismäßig kleine Werte von n die Anfangskosten der n + 1 Barrieren geringer sind als die Anfangs­ kosten der n Barrieren. Die (n + 1)te Barriere ist die "Master" Barriere, und die verbleibenden der n + 1 Barrieren werden mit der Masterbarriere geteilt. Die Masterbarriere ist durch eine ODER-Schaltung an die einzelnen Barrieren angekoppelt, so daß die Zenerdiode des Masters die zweite Zenerdiode jeder einzelnen Barriere bereitstellt, was jedoch etwas weniger eingebaute Sicherheit bereitstellt, als durch eine Standard­ barriere mit zwei Zenerdioden erreicht werden kann.

Um die eingebaute Sicherheit des Systems zu verbessern, modifi­ ziert Morgan die einzelnen Barrieren durch Ersetzen eines der beiden Widerstände der einzelnen Barrieren durch einen strombegrenzenden Widerstand in Form eines Paares selbst vorgespannter Transistoren. Weiterhin schlägt er vor, daß die Zenerdiode der Masterbarriere dadurch fehlerbeständiger ausgebildet wird, daß sie eine Stromkapazität aufweist, die größer ist als erforderlich. Derartige Mehrfachbarrieren­ systeme werden allerdings immer noch von mehreren getrennten Stromversorgungen beliefert, die mehrere getrennte Abschnitte der Schaltung innerhalb des gefährlichen Bereiches versorgen. Sie werden nicht bei derartigen Verwendungen eingesetzt oder hierfür vorgeschlagen, bei welchen eine gemeinsame Strom­ versorgung von mehreren Lastgeräten geteilt wird.

Daher liegt ein speziellerer Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Modulinterfaces mit eingebauter Sicherheit, das es gestattet, eine gemeinsame Stromquelle oder andere Querverbindungen zu teilen, trotz der Tatsache, daß die Summe der Energiespeicherelemente dieser Lasten die Anforderungen an eingebaute Sicherheit überschreitet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Modulinterface mit eingebauter Sicherheit (ISMI) zwischen einer Stromquelle und den unterschiedlichen Lastgeräten eingebaut. Es ersetzt Mehrfachzenerbarrieren und kann in dem gefährdeten Bereich installiert werden. Die Tatsache, daß das ISMI in dem gefährdeten Bereich installiert werden kann, stellt einen wesentlichen Unterschied der Erfindung bezüglich des Einsatzes von Mehr­ fachzenerbarrieren zum Erreichen einer ähnlichen Funktion dar.Weiterhin weist die Stromversorgung nunmehr einen Ausgang mit eingebauter Sicherheit auf. Um eine Flexibilität bezüglich der Anzahl von Lastgeräten bereitzustellen, die mit einer einzigen gemeinsam genutzten Stromversorgung verbunden werden können, kann ISMI-Master in Kaskadenanordnung mit einer genügen­ den Anzahl von ISMI-Slaves verbunden werden, um eine derartige Anzahl von Lastgeräten zu betreiben. Mit dem System gemäß der vorliegenden Erfindung wird es ermöglicht, daß die ver­ schiedenen Lastgeräte keinen besonderen Anforderungen unter­ worfen sind, abgesehen von der Festlegung ihrer Maximalfähig­ keiten zum Speichern von Energie und der Trennung zwischen Lasten. Die Trennung zwischen Lastgeräten ist erforderlich, um zu verhindern, daß mehrere Lasten in Kombination unsichere Energiespeicherkapazitäten hervorrufen.

Das ISMI-Modulsystem gestattet eine Verbindung mehrerer Lasten mit der gemeinsamen Stromversorgung auf solche Weise, daß die Summe der Speicherfähigkeiten der Gesamtanzahl der Last­ geräte die maximal zulässige Speicherkapazität für ein einziges Lastgerät überschreitet. Der sich ergebende effektive Kapazitäts­ anstieg für jedes einzelne Lastgerät verbessert die Betriebs­ leistung der elektronischen Schaltungen und läßt dem Schaltungs­ entwerfer größere Flexibilität. Wie voranstehend erwähnt müssen allerdings die einzelnen Lasten ebenfalls getrennt werden, um zu verhindern, daß die Lastgeräte in Kombination unsichere Energiespeicherfähigkeiten aufbauen.

Bei der ISMI-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung wird die erforderliche Abschwächung der Leistung und der Spannung für die Stromversorgungsverdrahtung in der Schaltung durch einen Modulleistungsabschwächer (MPA) bereitgestellt, der eine Reihe von Widerständen aufweist, um den Strom zu begrenzen, sowie eine Zenerdiodenanordnung zur Begrenzung der Spannung. Das ISMI-Modul weist weiter­ hin einen digitalen Signalabschwächer (DSA) auf, der bei der bevorzugten Ausführungsform beispielsweise einfach ein Widerstand ist, um eine Abschwächung für die Datenkommunikations­ verdrahtung bereitzustellen. Im Falle des DSA sind die maximale angelegte Spannung und die maximale Leistung, die an das Lastgerät der Datenkommunikationsleitungen übertragen werden können, verringert und ordnungsgemäß festgelegt. Das ISMI-Modul stellt weiterhin eine Trennung zwischen Schaltkreisen durch Geräte zur Verfügung, beispielsweise Optokoppler, um die Stromversorgungsschaltung mit eingebauter Sicherheit von den mehreren Datenkommunikationsschaltungswegen mit einge­ bauter Sicherheit zu trennen.

Daher besteht ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Modulinterfaces mit eingebauter Sicherheit, welches zur Isolierung miteinander verbundener elektrischer Lasten dient, die eine Gesamtenergiespeicher­ fähigkeit haben, welche die Anforderungen an eingebaute Sicher­ heit überschreitet, und die es auf diese Weise gestattet, daß derartige Lasten eine eingebaute Sicherheit behalten, während sie Stromversorgung und Kommunikation teilen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Modulinterfaces oder mehrerer Modul­ interfaces mit eingebauter Sicherheit, die eine Erhöhung der Gesamtleistung gestatten, die von einer gemeinsamen Quelle an mehrere Lastgeräte übertragen wird, so daß die Summe der Speicherkapazitäten der Lastgeräte größer ist als die zulässige Speicherkapazität für ein einzelnes Gerät mit eingebauter Sicherheit.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden ISMI-Module gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt, um ein Strom­ versorgungs- und Datenkommunikationsinterface mit eingebauter Sicherheit zu einem Flüssigkristallanzeige-(LCD-) Instrumenten­ pult eines Datenerfassungs-Bedienungspultes für Ölbohrtürme zur Verfügung zu stellen. Es wird allerdings darauf hinge­ wiesen, daß die ISMI-Anordnung eingesetzt werden kann, um ein Stromversorgungs- und/oder Kommunikationsinterface mit eingebauter Sicherheit zu irgendwelchen Lasten mit eingebauter Sicherheit zur Verfügung zu stellen, und zwar mit Leistungs­ begrenzungen der Stromversorgung und des ISMI-Moduls. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind die Konsolsysteme computerisiert, um sämtliche Bohrfunktionen zu überwachen und zu steuern, beispielsweise Hakenlast, Bohrspitzengewicht, Bohrschlammtemperatur und -dichte, Schlammvolumen und -ab­ weichung, sowie Schlammfluß und Schlammfüllung. Die Konsole umfaßt ein Tastenfeld und Anzeigemodule für die verschiedenen Funktionen, die überwacht und gesteuert werden sollen. Bei einer typischen Systemanordnung arbeiten Sensoren zum Nachweis der ausgewählten Funktionen als Wandler zur Erzeugung von Signalen, welche repräsentiv für die zugehörigen Funktionen sind. Die Daten werden an Signalaufbereitungsgeräte sowie einen oder mehrere Computer (mit Redundanz als Hilfestellung) geliefert sowie zusammen mit der erforderlichen Betriebs­ spannung und dem erforderlichen Betriebsstrom von einer Strom­ versorgung mit eingebauter Sicherheit, und zwar an die Be­ dienungspultanzeigeeinrichtung, welche die Tastenfeld- und Anzeigemodule einschließt.

Die voranstehenden und weitere Vorteile, Merkmale und offen­ bare vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf diesem Gebiet nachstehend aus der Be­ trachtung der folgenden eingehenden Beschreibung einer zu diesem Zeitpunkt bevorzugten Ausführungsform der Erfindung deutlich in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines elektronischen Systems, in welchem die Stromversorgungs- und Datenkommunikations-Wege von einem sicheren Bereich ausgehen und in einem ge­ fährlichen Bereich weitergehen, und bei welchem ein ISMI-Modul oder mehrere in dem gefährlichen Bereich dazu dienen, Schnittstellen der Stromversorgungs­ und Datenkommunikationswege zu mehreren Lastmodulen und Geräten zur Verfügung zu stellen;

Fig. 2 ein Diagramm einer äquivalenten Theveninschaltung der Stromversorgung und des Lastgerätes; und

Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Modulleistungs­ abschwächers (MPA) innerhalb des ISMI-Mastermoduls von Fig. 1.

In Fig. 1 weist ein elektrisches System Schaltkreise mit eingebauter Sicherheit auf, die normalerweise so ausgelegt sind, daß sie in einer gefährdeten Atmosphäre eingebaut werden können, beispielsweise in einer Umgebung mit explosivem Gas bei einem Ölbohrturm. Zwar wird die momentan bevorzugte Aus­ führungsform beispielhaft zur Verwendung in dieser Umgebung geschildert, es ist jedoch wichtig darauf hinzuweisen, daß die Grundlagen der vorliegenden Erfindung gleichfalls bei elektronischen Datenaufnahme- und Darstellungssystemen für Überwachungs- und Steuereinrichtungen verwendet werden können, die in praktisch jeder Art einer entflammbaren Atmosphäre verwendet werden, einschließlich Gasen, Dämpfen, Stäuben und flugfähigen Teilen, sowie in sämtlichen Industriezweigen, in welchen entflammbare Atmosphären ein Risiko darstellen.

Da nicht sämtliche Schaltkreise in der Umgebung, in welcher die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, mit eingebauter Sicherheit versehen werden können, müssen einige Schaltkreise oder Abschnitte der Schalt­ kreise in einer sicheren, also nicht entflammbaren Atmosphäre angeordnet werden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten System ist eine Stromversorgung 10, die gemeinsam mehreren nachstehend beschriebenen Lastgeräten dient, zusammen mit mehreren Daten­ kommunikationspfaden in dem sicheren Bereich angeordnet. Der Einsatz konventioneller Entwurfstechniken gibt den Grund dafür, daß der Ausgang der Stromversorgung 10 mit eingebauter Sicherheit versehen ist, jedoch werden Datenkommunikationen relativ zu dem sicheren Bereich über Kommunikationsleitungen übertragen, die nicht an dem Schaltkreis mit eingebauter Sicherheit teilhaben. Daher müssen die Datenkommunikations­ leitungen von Schaltkreisen in dem gefährlichen Bereich abge­ trennt werden. Es können mehrere konventionelle Zenerbarrieren 12 in den mehreren Datenkommunikationspfaden vorgesehen werden, um die Stromschleifenschaltkreise zu schützen, die mit den Kommunikationspfaden zusammenhängen, welche in den gefährlichen Bereich eintreten. Jede der Zenerbarrieren 12 ist nur durch die maximale Spannung und den maximalen Strom festgelegt, welche sie auf sichere Weise dem zugeordneten Lastgerät zu­ führen kann, und durch die maximale Kapazität beziehungsweise Induktivität, die in sicherer Weise mit dieser Barriere ver­ bunden werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung treten die Stromversorgungs­ schaltung und die verschiedenen Datenkommunikationspfade und zugeordneten Stromschleifen in den gefährlichen Bereich durch ein Modulinterface mit eingebauter Sicherheit (IMSI) ein, genauer gesagt bei einem Mastermodul 15. Das Mastermodul umfaßt Verbinder oder Verbindungen, die mit J 1, J 2 und J 3 bezeichnet sind, welche die zugehörigen Schaltungspfade von dem sicheren Bereich empfangen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann das Mastermodul 15 zwischen Schaltkreisen in dem sicheren Bereich und dem gefährlichen Bereich an dem Ort installiert werden, an welchem konventionelle Zenerbarrierengeräte üblicher­ weise gemäß dem Stand der Technik angeordnet werden würden. Da allerdings der Stromversorgungsausgang mit eingebauter Sicherheit versehen ist, befindet sich die theoretische Grenze zwischen den sicheren und den gefährlichen Bereichen am Strom­ versorgungsausgang, und daher kann das ISMI vollständig inner­ halb des gefährlichen Bereiches angeordnet sein.

Zur beispielhaften Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Lastgeräte 17 Anzeigemodule, jedoch erkennt man, daß die Lastgeräte irgendeine allgemeine Art darstellen können, die jeweils die Anforderungen an einge­ baute Sicherheit erfüllt. Die Anzahl von Lastgeräten, die durch ISMIs gemäß der vorliegenden Erfindung bedient werden können, kann variieren, und daher kann, um eine größere Flexi­ bilität zu erreichen, das ISMI-Mastermodul 15 in Kaskaden­ anordnung mit mehreren ISMI-Slavemodulen verbunden werden, von denen eines ebenfalls teilweise in Fig. 1 dargestellt und durch die Bezugsziffer 20 bezeichnet ist. Infolge der Kaskadenanordnung ist die Anzahl von Lastgeräten 17, die verwendet werden können, nur durch den maximalen Ausgangs­ strom der Stromversorgung 10 begrenzt. Bei der beispielhaften Ausführungsform betrug dieser maximale Strom etwa 400 Milli­ ampere (mA).

Die äquivalente Theveninschaltung für die Stromversorgung und die Last in Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Strom­ versorgung 10 stellt ein zur Verwendung in Umgebungen der Gruppe IIB nachgewiesenerweise mit eingebauter Sicherheit versehenes Gerät dar, und weist bei der momentan bevorzugten beispielhaften Ausführungsform eine effektive Ausgangsimpedanz von etwa 10 Ohm auf. Die maximale Ausgangsspannung der Strom­ versorgung beträgt 12 Volt Gleichspannung, und die maximale Ausgangsleistung in einem gefährlichen Bereich der Gruppe IIB ist auf etwa 3,6 Watt bei dieser Ausführungsform begrenzt. Es wurde festgestellt, daß bei einer derartigen Stromver­ sorgung die effektive Last auf eine Kapazität von 3,6 Mikro­ farad (µF), eine lnduktivität von 83 Mikrohenries (µH), und ein Induktivitäts-/Widerstandsverhältnis (L/R) von 17 Mikro­ henries/ Ohm begrenzt werden muß.

Die ISMI-Module, nämlich Master 15 und Slaves 20, sind so ausgelegt, daß sie zulassen, daß Mehrfachanzeigemodule und zugeordnete Anzeigesteuergeräte, die zusammen Lastgeräte 17 bilden, mit der Stromversorgung 10 verbunden werden und diese teilen, so daß die Summe der Kapazitäten der mehreren Lastgeräte die maximal zulässige Kapazität für eine Einzellast übersteigt. Dies führt effektiv zu einer Vergrößerung bezüglich der Kapazität bei jedem einzelnen Lastgerät von beispiels­ weise 3,6 µF auf 18 µF mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 und von 2,2 µF mit einem Sicherheitsfaktor von 3,0. Im einzel­ nen verbessert die höhere Kapazität den Betriebswirkungsgrad von elektronischen Schaltkreisen und ermöglicht dem Schalt­ kreisentwerfer größere Flexibilität, um eine größere Anzahl von Lastgeräten zu berücksichtigen. Um eine Kombination der Lastgeräte mit der Folge einer Erzeugung einer unsicheren Energiespeicherkapazität zu verhindern, müssen diese auch voneinander getrennt werden, wie nachstehend im einzelnen geschildert wird.

ISMI-Module gemäß der vorliegenden Erfindung machen es er­ forderlich, daß die maximale Leistung beziehungsweise Spannung jedes hiermit verbundenen Lastgerätes auf vorbestimmte Pegel begrenzt wird durch eine nachgewiesenerweise unfehlbare Leistungs­ abschwächungsschaltung. Bei der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Abschwächung der Leistungs­ verdrahtung die der Stromversorgung 10 zugeordnet ist, durch den Einsatz von Modulleistungsabschwächern (MPAs) erreicht. Die MPAs 21 in dem Mastermodul 15 von Fig. 1 sind einer gemeinsamen Stromversorgung 10 und Lastgeräten 17 zugeordnet, wobei ein getrenntes MPA 21 das jeweilige Lastgerät 17 bedient. Weiterhin ist ein MPA 21 vorgesehen, um die Leistung abzu­ schwächen, die von der Stromversorgung 10 an die anderen elektronischen Geräte geliefert wird, die in dem Mastermodul eingesetzt werden.

Nachstehend wird momentan auf Fig. 3 Bezug genommen, wo jeder MPA einen Reihenwiderstand 25 aufweist, um den Strom von der Stromversorgung zu der zugehörigen Last oder einem anderen Gerät zu begrenzen, sowie eine Zenerdiodenanordnung einschließlich getrennter Zenerdioden 27, 28 und 29. Die Zenerdioden sind zueinander parallel geschaltet über den in Reihe geschalteten Widerstand 25 und die gemeinsame Strom­ versorgung 10, um die Spannung zu begrenzen, die an die Last­ einrichtung oder andere Einrichtungen in dem System geliefert wird. Eine Verdreifachung der Zenerdioden in dem MPA dient zur Bereitstellung einer unfehlbaren Leistungsabschwächungs­ anordnung. Bei der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform mit Komponentenwerten der voranstehend beschriebenen Art weist der Reihenwiderstand 25 einen Wert von 75 Ohm mit 5% Toleranz und 5 Watt Leistung auf, wogegen die Zenerdioden 27, 28 und 29 auf 6,8 Volt mit 1% Toleranz und 1,5 Watt Leistungsabgabe ausgelegt sind.

Jeder MPA in Reihe mit der Leistungsverdrahtung zu einem zugehörigen Lastgerät (oder einem anderen Gerät, welches Leistung von der gemeinsamen Stromversorgung 10 benötigt) dient zur Verringerung und Begrenzung der maximalen angelegten Spannung und zur Festlegung der maximalen Leistung, die von der Stromversorgung an die jeweilige Last übertragen werden kann. Dies gestattet eine Vergrößerung der erlaubten Kapazität an dem Lastgerät, welche bei der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform die maximal zulässige Kapazität von 18 µF mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 darstellt oder 2,25 µF mit einem Sicherheitsfaktor von 3,0. Auf eine der spannungs­ begrenzenden und leistungsbegrenzenden Funktion der MPAs 21 entsprechende Weise in bezug auf jedes der Anzeigemodule werden der MPA 24 und der zugeordnete Spannungsregler 32 eingesetzt, um die Spannung und die Leistung zu begrenzen, die an verschiedene zugeordnete elektronische Geräte geliefert werden, beispielsweise CMOS- (komplementäre Metalloxidhalb­ leiter) Logikgeräte 34 und mehrere DSAs 38, welche Anzeige­ modulen 17 zugeordnet sind. Der Zweck der CMOS-Logikgeräte 34 wird nachstehend beschrieben.

Eine typische Implementation für ein DSA 38 ist einfach ein Widerstand in Reihe mit der ankommenden Schaltung, also der Datenkommunikationsschaltung oder der Stromschleife, von welcher der DSA Strom und Spannung empfängt), um den Strom zu dem zugeordneten Lastgerät zu begrenzen. Die Dreifach- Zener-Anordnung, die für den MPA verwendet wird, wird nicht in dem DSA benötigt, da der Spannungspegel bereits durch den MPA 24 begrenzt ist.

Daher verringert und begrenzt das Mastermodul 15 durch seine jeweiligen MPAs und DSAs die an jedes der jeweiligen Anzeige­ module 17 gelieferte Leistung, sowohl von der gemeinsam ge­ teilten Stromversorgung 10 und von den Datenkommunikations­ pfaden und zugeordneten Stromschleifen, welche den Barriere­ geräten 12 zugeordnet sind.

Es wurde voranstehend ausgeführt, daß das System gemäß Fig. 1 es den verschiedenen Lastgeräten ermöglicht, keinen Spezi­ fikationen zu unterliegen, abgesehen von der Festlegung der maximalen Fähigkeit zur Energiespeicherung und der Trennung zwischen Lasten. Die Trennung zwischen Lastgeräten ist er­ forderlich, um zu verhindern, daß mehrere Lasten kombiniert einen Unsicherheitsfaktor bezüglich Energiespeicherfähigkeit zur Verfügung stellen. Darüber hinaus werden die Datenkom­ munikationen von dem sicheren Bereich empfangen, und da die Kommunikationsleitungen getrennte Schaltkreise mit einge­ bauter Sicherheit darstellen, müssen diese Pfade von den Schaltkreisen in dem gefährlichen Bereich getrennt werden. Zu diesem Zweck sind mehrere zugelassene Optokoppler 53 in die jeweiligen Datenkommunikationspfade und Stromschleifen über Verbinder oder Verbindungen J 2 und J 3 geschaltet. Die Optokoppler stellen eine Trennung zwischen der Stromversorgungs­ schaltung mit eingebauter Sicherheit und den Datenkommunikations­ pfaden mit eingebauter Sicherheit zu dem sicheren Bereich und von diesem zur Verfügung. Ein Eingangssignal zu jedem Optokoppler 53 wird von einer jeweiligen Stromschleife emp­ fangen, welche einem Datenkommunikationspfad zugeordnet ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann sich der Strom in jeder Schleife in einem Bereich von 0 bis 20 mA bewegen. Zenerbarrieren 12 schützen jeden Optokoppler durch Begrenzung der maximalen angelegten Spannung beziehungsweise Stroms von diesen Stromschleifen. Jede der Zenerbarrieren 12 weist einen Nennwert von 28 Volt und 93 mA auf und ist durch die maximale Spannung und den maximalen Strom fest­ gelegt, welche sie an ihre zugehörige Last abgeben kann, sowie die maximale Kapazität und maximale lnduktivität, die in sicherer Weise an die Barriere angeschlossen werden kann. Da jeder Optokoppler 53 ein einfaches, nicht die Energie speicherndes Gerät darstellt, kann es vorgesehen werden, ohne seine wirksame Last in Betracht zu ziehen, obwohl die Kabelparameter immer noch berücksichtigt werden müssen. Aller­ dings muß jeder Optokoppler zugelassen sein, um eine Trennung zwischen Eingang und Ausgang zur Verfügung zu stellen.

Die CMOS-Logik 34, die jedem Optokoppler 53 zugeordnet ist, stellt eine Signalformung an dessen Ausgang zur Verfügung. Da jeder Logikgerätschaltkreis aus diesem Grunde eine Quelle einer Energiespeicherung darstellt, muß die an jedes der­ artige Gerät angelegte Leistung auf dieselbe Weise begrenzt werden wie bei anderen Speichergeräten. Wie voranstehend beschrieben wurde, dient der MPA 24 diesem Zweck und erfordert nur, daß die Kapazität der Formungsschaltung (des Logikgerätes 34) nicht den Ausgangsnennwert des MPA überschreitet (welcher bei der bevorzugten Ausführungsform 18 µF beträgt), und daß eine Trennung aufrechterhalten wird in bezug auf die Ausgänge der anderen MPAs des Mastermoduls.

Da die Datenkommunikationsleitungen wirksam von dem sicheren Bereich durch die Optokoppler 53 abgetrennt wurden, können diese Pfade nun zu IMSI-Slavemodulen 20 geführt werden, die in Kaskadenanordnung von dem Mastermodul aus angeordnet sind.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, werden zusätzliche CMOS-Logik­ geräte 55 verwendet, um weiterhin die Signale von den Daten­ kommunikationspfaden bei der Weiterleitung zum nächstfolgenden Slavemodul zu formen. Die Ausgangssignale des Mastermoduls 15 an der Verbindung J 8 werden den Eingängen an der Verbindung J 4 des Slavemoduls 20 zugeführt. jedes Slavemodul 20 ist im wesentlichen identisch zum Mastermodul 15, abgesehen davon, daß keine Optokoppler erforderlich sind, da die Datenkom­ munikationspfade bereits wirksam getrennt wurden. Die Anzahl der den jeweiligen DSAs des Slavemoduls zugeordneten Logik­ schaltkreise 34 ist die Zahl, die ausreicht, um die Daten­ kommunikationspfade aufzunehmen, welche in die jeweiligen Slavemodule eintreten. Beispielsweise sind in dem Slavemodul 20 in Fig. 1 zwei CMOS-Logikgeräte 34 erforderlich für die beiden ankommenden Datenpfade. Wie im Falle des Mastermoduls 15 haben die MPAs und die DSAs kombiniert die Anzahl der Lastgeräte, die von dem Slavemodul bedient werden sollen. Vorzugsweise ist die gesamte Anordnung der ISMI-Mastermodule 15 und der ISMI-Slavemodule 20 eingekapselt. Dies dient zur Erfüllung zweier Funktionen. Zunächst hilft die Einkapselung beim Erreichen des höchstmöglichen Umgebungstemperaturnenn­ werts durch Verteilen jeder lokalen Komponentenaufheizung über die Gesamtmasse der Module. Zweitens kann die Größe der Montagekarte (beispielsweise einer gedruckten Schaltungs­ karte) für die Anordnung infolge der Verringerung der physi­ kalischen Trennungsentfernungen, wie sie voranstehend be­ schrieben wurden, verringert werden.

Zwar wurde hier eine momentan bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, allerdings wird es Fachleuten auf diesem Gebiet, auf welches sich die Erfindung bezieht, deutlich werden, daß Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne von dem wahren Gehalt und Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher soll die Erfindung nur in dem Maße begrenzt sein, wie es sich aus der Gesamtheit der Anmeldeunterlagen und der anwend­ baren gesetzlichen Regelungen ergibt.

Claims (12)

1. Interfacesystem zur Verbindung einer gemeinsamen Strom­ versorgungsquelle und mehrerer Datenkommunikationspfade, die in einer sicheren Umgebung angeordnet sind, mit mehreren Lastgeräten, die in einer entflammbaren Atmosphäre angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Interfacesystem eine erste Abschwächungseinrichtung zum Abschwächen der elektrischen Leistung aufweist, welche von der Stromversorgungsquelle an die mehreren Lastgeräte geliefert wird, auf einen ersten vorbestimmten Leistungspegel, daß eine zweite Abschwächungs­ einrichtung zum Abschwächen der elektrischen Leistung vor­ gesehen ist, welche durch die Datenkommunikationspfade an die mehreren Lastgeräte geliefert wird, auf einen zweiten vorbestimmten Leistungspegel, und daß eine Koppeleinrichtung zum Trennen der Stromversorgungsquelle von den Datenkommuni­ kationspfaden zu der sicheren Umgebung und von dieser zurück vorgesehen ist.

2. Interfacesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abschwächungseinrichtung einen elektrischen Widerstand eines vorausgewählten Wertes in Reihe mit der Stromversorgungsquelle aufweist, um den Strom von dieser zu einem zugehörigen der mehreren Lastgeräte zu begrenzen, sowie mehrere Zenerdioden, die parallel zueinander zwischen die in Reihe geschaltete Stromversorgung und den Widerstand sowie das zugehörige Lastgerät geschaltet sind, um die Spannung zu begrenzen, welche dem jeweiligen Lastgerät zugeliefert wird.

3. Interfacesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Zenerdioden aus drei Zenerdioden bestehen.

4. Interfacesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Zenerdioden aus drei Zenerdioden bestehen, welche parallel zueinander geschaltet sind.

5. Interfacesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abschwächungseinrichtung nur aus einem elekt­ rischen Widerstand eines vorbestimmten Wertes besteht, um den Strom des zugeordneten Lastgerätes auf einen vorbestimmten Pegel zu begrenzen.

6. Interfacesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung zumindest einen Optokoppler umfaßt.

7. Interfacesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung mehrere Optokoppler umfaßt, jeweils einen in jedem der Datenkommunikationspfade.

8. Interfacesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Logikeinrichtung zum Formen des Ausgangs­ signals des jeweiligen Optokopplers zum Anlegen an ein zu­ gehöriges Lastgerät vorgesehen ist.

9. Interfacesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung mehrere Optokoppler aufweist, je­ weils einen in jedem der Datenkommunikationspfade, sowie eine Logikeinrichtung im Schaltkreis mit den Optokopplern zum Formen dessen Ausgangssignals zu den Lastgeräten.

10. Elektronisches Datenerfassungs- und Anzeigesystem für Überwachungs- und Steuergeräte in entflammbaren Atmosphären unter Verwendung elektrischer Schaltkreise, die teilweise in einer sicheren, nicht entflammbaren Atmosphäre angebracht sind, gekennzeichnet durch eine Kombination, welche eine in der sicheren Atmosphäre angeordnete Stromversorgung auf­ weist, welche eine Ausgangsschaltung mit eingebauter Sicher­ heit aufweist, mehrere Lastgeräte, die in der entflammbaren Atmosphäre angeordnet sind und sich die Stromversorgung über die elektrische Schaltung teilen, wobei die Lastgeräte zum Speichern elektrischer Energie ausgebildet sind, wobei die mehreren Datenkommunikationspfade in dem sicheren Bereich angeordnet sind, eine Barriereeinrichtung, die mit den elek­ trischen Schaltungen und den Datenkommunikationspfaden ver­ bunden ist, um die Pfade an die Lastgeräte zu koppeln, während die Übertragung elektrischer Energie von den Pfaden an die Geräte begrenzt wird, und wobei die elektrischen Schaltungen Abschwächungseinrichtungen aufweisen, um den Pegel elektrischer Energie zu verringern, welcher an die Lastgeräte von der Stromversorgung geliefert wird, und die weiterhin elektrische Isolationseinrichtungen aufweist, um die Datenkommunikations­ pfade von der Stromversorgung zu entkoppeln.

11. System elektrischer Schaltkreise mit eingebauter Sicherheit zur Anbringung in einer entflammbaren Atmosphäre zur Wechsel­ wirkung mit dort hineingeschalteten Energiespeichergeräten, wobei ein Teil der elektrischen Schaltkreise in einer sicheren, nicht entflammbaren Atmosphäre angeordnet werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination vorgesehen ist, welche eine Stromversorgung aufweist, die sämtlichen Energiespeicher­ geräten gemeinsam ist, mehrere Datenkommunikationsschaltungen, eine für jedes Energiespeichergerät, Leistungsabschwächungs­ einrichtungen, welche zwischen die Stromversorgung und die Energiespeichergeräte geschaltet sind, um die gesamte zuge­ lassene Energiespeicherkapazität der Energiespeichergeräte zu vergrößern, und Isoliereinrichtungen zum Trennen der mitein­ ander verbundenen Energiespeichergeräte, während diesen ge­ stattet ist, Leistung und Kommunikation von der gemeinsamen Stromversorgung und den mehreren Datenkommunikationsschaltungen zu teilen.

12. System elektrischer Schaltkreise mit eingebauter Sicherheit zur Anbringung in einer entflammbaren Atmosphäre zur Wechsel­ wirkung mit hiermit verbundenen Energiespeichergeräten, wobei ein Teil der elektrischen Schaltkreise in einer sicheren, nicht entflammbaren Atmosphäre angebracht werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination vorgesehen ist, welche eine sämtlichen Energiespeichergeräten gemeinsame Stromver­ sorgung aufweist, daß mehrere Datenkommunikationsschaltungen vorgesehen sind, eine für jedes Energiespeichergerät, und daß eine Einrichtung zur Vergrößerung der Gesamtleistung vorgesehen ist, welche von der gemeinsamen Stromversorgung an die mehreren Energiespeichergeräte übertragen wird, so daß die Summe der Speicherkapazitäten der mehreren Energie­ speichergeräte größer ist als die zulässige Speicherkapazität für ein einziges Gerät mit eingebauter Sicherheit, welches aus einem der mehreren Energiespeichergeräte besteht.