DE3931537A1 - Anordnung zum anschluss von endgeraeten an eine busleitung - Google Patents

Description

Technisches Problem

In der Feldbusanschlußtechnik für den Einsatz in explosions­ gefährdeter Umgebung ist eine passive Mehrpunktverbindung mit freizügiger Anordnung der Komponenten im Feldbereich angestrebt. Hauptmerkmal ist der Hilfsenergietransport und die Signalübertragung zu den Feldkomponenten über das Buskabel. Die Hilfsenergie kann über ein eigenes Adernpaar oder zusammen mit dem Signal (Modulation) über ein gemeinsames Adernpaar (Zweidrahtbus) geführt sein.

Eine Voraussetzung für eine wirtschaftliche Realisierung von Mehrpunktverbindungen ist neben der Reduzierung des Hilfsenergiebedarfs von busfähigen Feldgeräten die Fähigkeit, ein Hilfsenergiemaximum im Feldbereich zur Verfügung stellen zu können, wobei die Sicherheitsbestimmungen bezüglich der Strom- und Spannungsgrenzwerte (ohmscher, induktiver und kapazitiver Einfluß) gemäß Norm EN 50020 erfüllt sein müssen.

Stand der Technik

Beim Einsatz einer Standard-Sicherheitsbarriere ist die verfügbare Hilfsenergie begrenzt wegen des Einflusses des strombegrenzenden Widerstands R_Lim (siehe Fig. 1a). Je kleiner der Längswiderstand (Spannungsabfall), um so größer ist bei gegebener zulässiger Spannung U_Z die verfügbare Hilfsenergie. Elektronische Strombegrenzungen weisen zwar einen kleinen (nichtlinearen) Längswiderstand auf, der zulässige Ausgangsstrom liegt aber wegen des Einsatzes von Halbleitern niedriger als bei ohmscher Strombegrenzung.

Bisher trat das Problem einer Ausnutzung der maximal erlaubten, zur Verfügung stehenden Leistung nicht auf, da die heutige Anschlußtechnik im Ex-Bereich aus Punkt-zu-Punkt-Verbindungen besteht. Mit dem Aufkommen von busfähigen Feldgeräten und deren Einsatz im Ex-Bereich muß nun die Hilfsenergie über geeignete Barrieren zur Verfügung gestellt werden, um über eine Leitung mehrere Teilnehmer versorgen zu können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eigensicheren Leistungsabschluß für die Teilnehmer zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird in vorteilhafter Weise mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt.

Wie aus Fig. 1a zu erkennen ist, muß die Betriebseingangs­ spannung U_O kleiner sein als die Zenerspannung U_Z der Barrierendiode. Die Zündschutzart "Eigensicher" wird erreicht durch Begrenzung des Kurzschlußstromes (R_Lim) und der Leerlaufspannung (Sicherung und Z-Diode) auf vorgegebene Grenzwerte.

Die Merkmale der vorgeschlagenen Sicherheitsbarriere sind (siehe Fig. 1b):

• - Der strombegrenzende Widerstand ist vor der spannungsbegrenzenden Z-Diode angeordnet und geht somit in die Hilfsenergiebilanz im Ex-Bereich nicht ein, denn
• - die Eingangsspannung U_O der Barriere kann lastabhängig so gewählt werden, daß Leistungsanpassung an den (die) Verbraucher betrieben werden kann.
• - Im Falle der Signal- und Hilfsenergieübertragung über ein gemeinsames Adernpaar erfolgt eine lastabhängige Regelung der Eingangsspannung U_O derart, daß die Ausgangsspannung U_A der Barriere (DC-Hilfsenergie mit überlagertem AC-Signal) im Betriebszustand kleiner als die zulässige Spannung U_Z bleibt und somit das Signal nicht durch stromdurchflossenen Z-Dioden kurzgeschlossen wird.
• - Durch schaltungstechnische Maßnahmen muß sichergestellt sein, daß die geregelte Eingangsspannung im Betrieb und im Fehlerfall einen vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigen kann.
• - Der strombegrenzende Widerstand R_Lim wird für die größte auftretende Eingangsspannung U_O dimensioniert.
• - Die Regelung der Ausgangsspannung kann gemäß der Beziehung U_O = f (U_A = konst)erfolgen.

Ausführungsbeispiel

Die Sicherungen F1 und ZD3 verhindern, daß die Generatorspannung U_O größer als U_Z1 werden kann. Der Verstärker V1 bewirkt mit U_Ref eine lastabhängige Regelung über das Stellglied S1. Damit wird eine konstante Spannung U_A über einen weiten Regelbereich sichergestellt.

R_Lim, ZD1 und ZD2 sind nach explosionstechnischen Gesichtspunkten dimensioniert. Sie begrenzen als sogenannte "sichere" Bauelemente den Kurzschlußstrom und die Leerlaufspannung im Fehlerfall (z. B. Defekt der Regelschaltung). Über den hoch­ ohmigen Widerstand R_S wird die Ausgangsspannung U_A dem Regler zugeführt.

In Abwandlung dieser Schaltung kann F1 durch eine elektronische Sicherung ersetzt werden, die über R_Fühl bei Überschreiten eines bestimmten vorgegebenen Stromes den Schalter S1 öffnet, und damit die Energieversorgung speichernd, z. B. durch ein Flip-Flop, unterbricht.

U_Ref muß der Beziehung genügen:

U_Ref = U_A
U_A + U_Sig U_Z

2. Ausführungsbeispiel

Anstelle der Regelung der Eingangsspannung wird

U_O = f(U_A = konst)

kann bei konstanter Spannung U_O auch eine Lastregelung erfolgen nach der Beziehung

R_R = f(U_A = konst).

Diese Lastregelung kann zudem so ausgeführt werden, daß sie barrierennah getrennt von der eigentlichen Barriere als "Bus­ teilnehmer" angeschlossen ist und auch über den Bus mit Hilfsenergie versorgt wird.

Zahlenbeispiel (gemäß Ausführung Fig. 2a)
Betriebsausgangsspannung der Barriere
UA = 15 V
Zulässige Maximalausgangsspannung	UZ = 18 V
maximal zulässiger Ausgangsstrom	Im = 373 mA
ohmsche Strombegrenzung	RLim
ohmscher Widerstand des Kabels	RL
ohmscher Widerstand des Verbrauchers	RV
Leistung am Verbraucher	PV = UV · IV

(Die obigen Werte berücksichtigen die Kabelinduktivität und -kapazität und sind aktuellen PTB-Grenzwerten entnom­ men).

• a) Standard-Sicherheitsbarriere: Bei Anpassung giltLeitungslänge 350 m
  U_O = U_A = 15 V
  R_Lim = 48 Ohm
  R_L = 24,5 Ohm (350 m)
  R_V = 72,5 Ohm
  P_V = 770 mVmit obigem R_V für Leitungslänge 0 m
  U_O = U_A = 15 V
  R_Lim = 48 Ohm
  R_L = 0 Ohm
  R_V = 72,5 Ohm
  P_V = 1120 mW
• b) geregelte Barriere: Leitungslänge 350 m
  U_O = 31 V
  R_Lim = 165 Ohm
  R_L = 24,5 Ohm (= 350 m)
  R_V = 55 Ohm
  P_V = 1960 mWLeitungslänge 0 m
  U_O = U_Omax = 60 V
  R_Lim = 165 Ohm
  R_L = 0 Ohm
  R_V = 55 Ohm
  P_V = 4100 mW

Fazit: Die geregelte Barriere ermöglicht eine deutlich höhere Hilfsenergie im Ex-Bereich. Bei Leistungsanpassung ist theoretisch eine Leistungssteigerung auf der Verbraucherseite um den Faktor 4 möglich.

Claims (3)

1. Anordnung zum Anschluß von Endgeräten an eine Busleitung mit

• - einer über die Busleitung zugeführten Versorgungsspannung,
• - jeweils einer Auskoppeleinrichtung je Endgerät für die zu übertragenden Daten und für die Versorgungsspannung,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - parallel zum Ausgang der Auskoppeleinrichtung mindestens eine spannungsbegrenzende Zenerdiode angeordnet ist und daß
• - in Reihe vor der mindestens einen Zenerdiode ein strombegrenzender Widerstand liegt.

2. Anordnung zum Anschluß von Endgeräten an eine Busleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Eingangsspannung der Auskoppeleinrichtung regelbar ist.