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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine modulare Feldbusplatine mit
einem Diagnosesystem, das insbesondere für die Überwachung der technischen Merkmale
in der physikalischen Feldbusschicht auf einer modularen Feldbusplatine
angewendet wird, die eine Reihe von Feldbussen unterstützt.
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Modulare
Feldbusplatinen und deren Feldbussysteme, mit denen sie verbunden
sind, erfahren ab und zu Störungen,
die zu einer Leistungsminderung oder zu einem kompletten Ausfall
führen
können.
Derzeit gibt es keine bekannte Möglichkeit
für die Überwachung
der Leistung in den Komponenten auf einer modularen Feldbusplatine,
um technische Störungen
und Ausfälle
zu erfassen und dann zu diagnostizieren. Insofern werden die Leistungsmerkmale,
die für
eventuelle Fehler hinweisend sind, nicht erfasst und Störungen und
Ausfälle,
die dann tatsächlich
auftreten, sind im Hinblick auf deren Behebung nicht einfach zu
identifizieren.
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Die
Bereitstellung von Diagnosesystemen für Busstrukturen ist allgemein
bekannt. Das
US-Patent 5831805 ,
das namentlich auf LO-TOCKY DAN ET AL angemeldet wurde, offenbart
einen Basisdiagnoseschaltkreis, der in einer Busstruktur auf einem Netzknoten
zur Anwendung kommt, und der erfasst, ob ausreichend Energie von
einer lokalen Energieversorgung an die physikalischen Verbindungen
innerhalb des Knotens zugeführt
wird. Falls keine ausreichende Energie vorhanden ist, deaktiviert
die Anzeigenschaltung für
jene diesbezüglichen
physikalischen Verbindungen ein Taktsignal, um Energie einzusparen.
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In
der Patendokumentation
US-A-5831805 wird
eine lokale Netzausfallerfassung und eine Taktdeaktivierungsschaltung
offenbart, die innerhalb eines Netzknotens operieren, welcher mit
einer Busstruktur gekoppelt ist. Der Netzknoten weist mehrere Anschlüsse und
physikalische Verbindungen zur Unterstützung von multiplen Anwendungen
auf. Jede physikalische Verbindung funktioniert als Bustransceiver
zum Empfangen und Übertragen
von Nachrichten über
die Busstruktur. Der Netzknoten umfasst eine lokale Energieversorgung
und ein Taktsignal, welches einer jeden der physikalischen Verbindungen
innerhalb des Netzknotens zur Verfügung gestellt wird. Eine Detektorschaltung
ist mit der lokalen Energieversorgung verbunden, um zu erfassen,
ob von der lokalen Energieversorgung ein ausreichendes Energieleistungsniveau
bereitgestellt wird. Das Taktsignal wird stets einer physikalischen
Master-Verbindung innerhalb des Netzknotens zur Verfügung gestellt,
welches für
weitervermittelnde Nachrichten in der ganzen Busstruktur verantwortlich
ist. Die physikalische Master-Verbindung entzieht Energie aus der
Notstromversorgung, wenn die lokale Energieversorgung kein ausreichendes
Leistungsniveau liefert. Sobald die Detektorschaltung erkennt, dass
die lokale Energieversorgung kein ausreichendes Leistungsniveau
erbringt, wird das Taktsignal für alle
physikalischen Verbindungen innerhalb des Knotens deaktiviert, wobei
jedoch die physikalische Master-Verbindung ausgenommen wird, um
dann damit den Energieverbrauch des Knotens zu minimieren. Außerdem werden
die lokalen Anwendungen, die mit dem Knoten in Verbindung stehen,
deaktiviert, wenn aus der lokalen Energieversorgung kein ausreichendes
Leistungsniveau zur Verfügung
steht. Wenn die Detektorschaltung feststellt, dass die lokale Energieversorgung
wieder ein ausreichendes Leistungsniveau liefert, wird das Taktsignal
für alle
physikalischen Verbindungen innerhalb des Knotens erneut aktiviert,
womit außerdem
die lokalen Anwendungen erneut aktiviert werden.
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In
der Patentdokumentation
US-A-5757265 wird
ein Feldbussystem offenbart, in welchem die Übertragungsaktivität der Einrichtung
selbst dann aufrechterhalten werden kann, wenn Kommunikationsfehler
aufgrund von Rauschen oder Störungen
in der Übertragungsleitung
auftreten. Dieses System kann einfach und kostengünstig aus
einer herkömmlichen
Einrichtung zu dem vorgestellten Feldbussystem umgewandelt werden,
ohne dass deren hohe Zuverlässigkeit
zu beeinträchtigen.
Die Übertragungsleitung
wird von einer Vielfachkabelübertragungsleitung
gebildet, welche mindestens drei Fernleitungskabel aufweist. Eine
externe Energieversorgung führt Energie über ein Übertragungskabelpaar
aus der Vielfachkabelübertragungsleitung
an die Feldgeräte zu.
Die Feldgeräte
sind mit den Übertragungskabeln über eine Übertragungsleitungsdurchschalteinheit verbunden,
die mit einer Mehrzahl von Richtleitern ausgebildet ist, so dass
an die Feldgeräte
Strom zugeführt
werden kann, der in eine vorgegebene Richtung fließt, wenn
irgendeines von den Übertragungsleitungspaaren
selektiert wird. Die externe Energieversorgung überwacht einen Störungsausfall
eines aktuell verwendeten Übertragungsleitungspaars,
wobei nach dem Feststellen einer Störung in dem aktuell zum Einsatz
kommenden Übertragungsleitungspaar
das defekte Paar durch ein normal funktionierendes Übertragungsleitungspaar
ersetzt wird, so dass die Feldgeräte kontinuierlich mit Energie
versorgt werden können.
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In
dem US-Patent
US-A1-2002/169582 wird ein
Feldgerät
offenbart, das mit einer Feldbusprozess-Kommunikationsschleife koppelbar
ist, wobei diese Einrichtung folgendes umfasst: ein Netzteil, das
mit der Schleife verbunden wird, um in das Gerät Energie einzuspeisen, die
aus der Schleife empfangen wird, einen Feldbusschleifenkommunikator,
der mit der Schleife verbunden und zur bidirektionalen Kommunikation über die
Schleife ausgelegt ist, eine Steuereinheit, die mit dem Feldbusschleifenkommunikator
verbunden ist, eine Diagnoseschaltung, die an die Steuereinheit
angeschlossen und mit der Schleife betriebsfunktionell koppelbar
ist, wobei die Diagnoseschaltung zum Messen eines schleifenbezogenen
Parameters adaptiert ist, und wobei die Steuereinheit auf Basis
des schleifenbezogenen Parameters Diagnoseinformationen zur Verfügung stellt.
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In
der internationalen Patentanmeldung
WO-A-02/099663 wird ein eigensicheres Feldbussystem
veröffentlicht,
das einen Feldbus, eine Energieversorgung, einen Abschlusswiderstand
und mindestens ein an dem Feldbus angeschlossenes Feldbusgerät umfasst.
Die Energieversorgung ist mit einem ersten Ende des Feldbusses verbunden,
und der Abschlusswiderstand schließt den Feldbus an dem anderen
Ende ab. Die Energieversorgung generiert ein periodisch alternierendes
Zeichen, besitzt eine Recktanz als Abschlusswiderstand und eine Steuer-
und Regelungseinheit für
die Energieversorgung in Abhängigkeit
von der Eingangsimpedanz (ZBus) des Feldbusses. Der Feldbus-Eingangsstrom (IBus)
wird konstant gehalten, wenn in einem ersten Betriebsbereich (I)
die Eingangsimpedanz (ZBus) kleiner als der Wellenwiderstand (ZW)
der Feldbusleitung ist, wobei die Feldbus-Eingangsspannung (UBus) auf eine konstante
Maximalspannung (Umax) eingestellt wird, und der Feldbus-Eingangsstrom (IBus)
in Abhängigkeit
von der Eingangsimpedanz (ZBus) abgeregelt wird, wenn in einem zweiten
Betriebsbereich (II) die Eingangsimpedanz (ZBus) den Wert des Wellenwiderstandes
(ZW) überschreitet.
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In
der deutschen Patentdokumentation
DE-A-10104908 wird eine elektronische Vorrichtung zur
permanenten Überwachung
elektrisch erfassbarer Zustände
oder Größen von
Bussystemen, wie zum Beispiel von Profibussen, Feldbussen etc.,
nach Inbetriebnahme des Busses mit zwei Busleitungen, einer kombinierten
Energieversorgung und einem Datenbus, der einen Bus-Master [Haupteinheit]
und einen Bus-Slave [Nebeneinheit] miteinander verbindet, beschrieben.
Demzufolge tastet die Vorrichtung eine Mehrzahl von Anschlüssen von
den elektrisch erfassbaren Busleitungen unter Anwendung einer permanenten
Schaltkreisverbindung zum Messen der Spannung oder des Stromes,
zum Überprüfen der
Erdschlussverbindung, zum Überprüfen der
Qualität
in den Busleitungen und die darauf übertragenen Signale ab. Die
Stromüberprüfung der
Bussysteme basiert auf einer Verbindung der Messanordnungen und
Vielfachmessgeräte
nach Inbetriebnahme, um das Bussystem zu überprüfen und irgendwelche Fehler
zu korrigieren.
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Aufgrund
dessen wird nun ein Diagnosesystem für eine modulare Feldbusplatine
benötigt,
das eine Reihe von Feldbussen unterstützt, welche an eine Gesamtenergieversorgung
angeschlossen sind, und das einen Überwachungstransceiver umfasst,
so dass der Überwachungstransceiver
ein oder mehrere der technischen Merkmale in der physikalischen Feldbusschicht
erfassen kann.
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Die
vorliegende Erfindung dient zur Lösung von einigen der vorstehend
erwähnten
Probleme.
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Demzufolge
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine modulare Feldbusplatine, die aus einer Vielzahl von
Feldbussen besteht, welche in deren Anwendung mit einer Gesamtenergieversorgung
verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass: die modulare Feldbusplatine
mit einem diagnostischen System bereitgestellt wird, welches einen Überwachungstransceiver
umfasst, der mit einem oder mit mehreren aus der Vielzahl der Feldbusse
verbunden ist, in welcher jede Verbindung zu einem Feldbus einen
oder mehrere Gleichtakt- und/oder
Differenztakt-Signaleingabekontaktbereiche und/oder eine oder mehrere
korrespondierende Gleichtakt- und/oder Differenztakt-Signalerfassungskontaktbereiche
umfasst, in welcher diese Kontaktbereiche zwischen den Kontaktpunkten
verteilt sind, an denen der Feldbus zu der Gesamtenergieversorgung
und zu einer Feldbusleitung anschließbar ist, und in welcher der Überwachungstransceiver
zum Erfassen von einer oder von mehreren der Charakteristiken in der
physikalischen Feldbusschicht zwischen jedem Signaleingabekontaktbereich
und jedem Signalerfassungskontaktbereich ausgelegt ist.
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Vorteilhafterweise
umfassen die physikalischen Feldbusschichtcharakteristiken ein oder
mehrere der folgenden Merkmale:
Fehlanpassung, Rausch-/Welligkeitspegel,
Signalpegel, Signalvorspannung, Signal-Jitter, Signalschwingung,
Signalverzerrung, Signaldämpfung, Übersprechen,
Unsymmetrie und Erdschluss [Erdkontakt].
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung kann die modulare Feldbusplatine
eine Hardware-Einrichtung enthalten, wobei der Überwachungstransceiver außerdem zum
Erfassen von einer oder von mehreren der Hardware-Charakteristiken
ausgelegt sein kann, die sich zwischen jedem Signaleingabekontaktbereich
und jedem Signalerfassungskontaktbereich befinden. Die Hardware
kann aus den Gesamtenergieleitungen, den Energiekonvertern, den
Energiekonditionierern und den Feldbusleitungen bestehen. Die zu überwachenden
Charakteristiken können
eine oder mehrere der folgenden Zustände beinhalten: Spannung, Kurzschluss,
Hardwaremodul-Störung, Ruhestrom
und Belastungsrate.
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Der Überwachungstransceiver
kann außerdem
zum Zusammentragen von empfangenen Daten ausgelegt sein und zum
Erzeugen von einem oder mehreren der folgenden Größen: Fourier-Analyse, Trend-Analyse und Daten-Protokollierung.
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Vorteilhafterweise
kann der Überwachungstransceiver
zum Bereitstellen eines Alarmsignals für den Fall adaptiert werden,
dass die empfangenen Daten anzeigen, dass eine oder mehrere von
vorher festgelegten Störungen
auf irgendeinem der Feldbusse eingetreten ist/sind.
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In
einer Ausgestaltung kann der Überwachungstransceiver
mit einer ersten digitalen und/oder analogen Schnittstelle bereitgestellt
werden, so dass die erfassten Diagnosedaten und/oder erzeugten Alarmsignale
durch den in Betrieb befindlichen Überwachungstransceiver an eine
digitale oder analoge Einrichtung übertragen werden können, die
von einem Anwender bedient wird, und so dass anwenderbezogene Eingabebefehle
von einer digitalen oder analogen Einrichtung, die von einem Anwender
bedient wird, empfangen werden können.
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Als
Alternative oder zusätzlich
zur ersten Schnittstelle kann der Überwachungstransceiver mit visuellen
Einrichtungen versehen werden, die zum Anzeigen von erfassten Diagnosedaten
und/oder Alarmsignalen ausgelegt sind.
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Außerdem kann
der Überwachungstransceiver
mit einer zweiten digitalen und/oder analogen Schnittstelle bereitgestellt
werden, so dass die erfassten Diagnosedaten und/oder erzeugten Alarmsignale
durch den in Betrieb befindlichen Überwachungstransceiver zu anderen
angeschlossenen diagnostischen Systemen übertragen werden können, und
so dass diese Daten von anderen angeschlossenen, diagnostischen
Systemen empfangen werden können.
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Es
ist von Vorteil, dass der Überwachungstransceiver
mit der Feldbusplatine abnehmbar verbunden ist, und dass er für seine
Betriebsanwendung mit einer Gesamtenergieversorgung durchschaltbar ist.
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In
einer Ausgestaltung können
sich ein oder mehrere der Signaleingabekontaktbereiche und/oder ein
oder mehrere der Signalerfassungskontaktbereiche in der vorstehend
erwähnten
Hardware befinden.
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Vorzugsweise
kann jeder einzelne oder können
verschiedene Feldbusse einen Kontaktpunkt umfassen, an dem der Feldbus
an eine Gesamtenergieversorgung, einen Energiekonverter, einen Energiekonditionierer
angeschlossen werden kann und einen Kontaktpunkt aufweisen, an dem
der einzelne Feldbus mit einer Feldbusleitung verbunden wird.
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Auf
jedem einzelnen oder auf mehreren der Feldbusse kann sich eine erste
Gleichtaktsignalinjektion und/oder ein Signalerfassungskontakt zwischen dem
Kontaktbereich befinden, an dem der Feldbus mit einer Gesamtenergieversorgung
und dem Energiekonverter durchschaltbar ist, eine zweite Gleichtaktsignalinjektion
und/oder ein Signalerfassungskontakt kann zwischen dem Energiekonverter
und dem Energiekonditionierer angeordnet sein, eine dritte Gleichtaktsignalinjektion
und/oder ein Signalerfassungskontakt kann zwischen dem Energiekonditionierer
und dem Kontaktpunkt angeordnet sein, an dem der Feldbus mit einer
Feldbusleitung verbunden werden kann, und eine Differenztaktsignalinjektion und/oder
ein Signalerfassungskontakt kann sich zwischen der dritten Gleichtaktsignalinjektion
und/oder dem Signalerfassungskontakt und dem Kontaktpunktbereich
befinden, an dem der Feldbus zu einer Feldbusleitung durchschaltbar
ist.
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Außerdem kann
in einer bevorzugten Ausgestaltung eine vierte Gleichtaktsignalinjektion und/oder
ein vierter Signalerfassungskontakt innerhalb des Energiekonverters
angeordnet werden, und es können
eine fünfte
Gleichtaktsignalinjektion und/oder ein fünfter Signalerfassungskontakt
innerhalb des Energiekonditionierers vorhanden sein.
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Diese
Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise zur Ausführung kommen,
jedoch wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 1 eine
Ausführungsform
beschrieben, welche eine schematische Darstellungsgrafik einer modularen
Feldbusplatine gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Mit
Bezug auf 1 umfasst eine modulare Feldbusplatine 15 eine
Rückwandplatine,
auf der eine Vielzahl von Feldbussen 8a, 8b und 8n in
Reihe angebracht ist, und einen Überwachungstransceiver 17 (der
von Fachleuten auf dem Gebiet auch als segmentautonomes Diagnosesystem
bezeichnet wird). (Die Feldbusse bestehen mindestens aus den Feldbussen 8a und 8b,
während
das Bezugszeichen 8n jede beliebige Anzahl von weiteren
Feldbussen im Diagramm schematisch zum Ausdruck bringen soll und
demzufolge mit unterbrochenen Linien dargestellt ist).
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Die
modulare Feldbusplatine 15 ist in einer Anwendungskonfiguration
dargestellt und insofern sind die Feldbusse 8a bis 8n mit
der Gesamtenergieversorgung 1 verbunden, wobei jeder einen
Energiekonverter 3 und einen Energiekonditionierer 5 umfasst.
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Der Überwachungstransceiver 17 ist
mit einer ersten digitalen Schnittstelle versehen, dargestellt mit
Pfeilzeichen 16, die während
ihrer Anwendung mit einem von einem Anwender bedienten, digitalen
Steuersystem schnittstellenmäßig aufeinander abgestimmt
wird. Ferner ist der Überwachungstransceiver 17 mit
einer zweiten digitalen Schnittstelle vorgesehen, dargestellt mit
Pfeilzeichen 19, die während
ihrer Anwendung mit ähnlichen
Diagnosesystemen schnittstellengemäß abgestimmt werden kann, welche
auf zugehörigen,
modularen Feldbusplatinen (nicht dargestellt) bereitgestellt sind.
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Der Überwachungstransceiver 17 ist
außerdem
mit Sichteinrichtungen vorgesehen (dargestellt mit Pfeilzeichen 14),
welche den Anwendern direkte Informationen und Alarmsignale anzeigen
können.
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Der Überwachungstransceiver 17 ist
mit jedem Feldbus 8a bis 8n über eine erste Gleichtaktsignalinjektion
und einem (Signal-)Erfassungskontakt 2 zwischen der Gesamtenergieversorgung 1 und
dem Energiekonverter 3 verbunden, über eine zweite Gleichtaktsignalinjektion
und einem Signalerfassungskontakt 4 zwischen dem Energiekonverter 3 und
dem Energiekonditionierer 5, über eine dritte Gleichtaktsignalinjektion
und einem Signalerfassungskontakt 6 zwischen dem Energiekonditionierer 5 und
der Feldbusleitung (nicht dargestellt), und über eine Differenztaktsignalinjektion
und einen Signalerfassungskontakt 7 zwischen der dritten
Gleichtaktsignalinjektion und dem Signalerfassungskontakt 6 und
der Feldbusleitung (nicht dargestellt).
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Außerdem ist
der Überwachungstransceiver 17 mit
jedem Feldbus über
eine vierte Gleichtaktsignalinjektion und einem Signalerfassungskontakt (nicht
erkennbar, aber mit Verbindungspfeil 9 dargestellt) verbunden,
welcher im Energiekonverter 3 angeordnet ist, und über eine
fünfte
Gleichtaktsignalinjektion und einem Signalerfassungskontakt (wiederum
nicht erkennbar, aber mit Verbindungspfeil 11 dargestellt)
verbunden, der im Energiekonditionierer 5 angeordnet ist.
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Der Überwachungstransceiver 17 kann
die physikalischen Feldbusschichtcharakteristiken überprüfen, welche
Fehlanpassung, Rausch- /Welligkeitspegel,
Signalpegel, Signalvorspannung, Signal-Jitter, Signalschwingung,
Signalverzerrung, Signaldämpfung, Übersprechen,
Unsymmetrie und Erdschluss umfassen.
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Außerdem kann
der Überwachungstransceiver 17 Spannung,
Kurzschluss, Hardwaremodul-Störung,
Ruhestrom und Belastungsrate zwischen allen vorstehend beschriebenen
Kontaktpositionen überprüfen.
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Der Überwachungstransceiver 17 ist
während
seiner Betriebsanwendung zum Kompilieren von empfangenen Daten und
zum Erzeugen einer Fourier-Analyse, Trend-Analyse und Daten-Protokollierung
programmiert.
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Des
Weiteren ist der Überwachungstransceiver 17 zum
Bereitstellen eines Alarmsignals, entweder über die Schnittstellen 16 oder 19 oder über die Sichtanzeigen 14,
für den
Fall programmiert, dass die in der Anwendung befindlichen Daten
einen oder mehrere der vorher festgelegten Störungen oder einen einzelnen
oder mehrere Feldbusse anzeigen. Die Warnhinweise von Störungen in
den Daten sind in dem Überwachungstransceiver 17 vorprogrammiert.
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Folglich
kann die modulare Feldbusplatine viele verschiedene Informationsarten über ihre
Betriebsleistung und über
alle möglichen
Störfälle dem Anwender
zur Verfügung
stellen.