ES2881181T3 - Aparato de campo de estructura modular - Google Patents

Abstract

Aparato de campo de estructura modular para el funcionamiento en un bus de campo, que comprende una carcasa (1) con un módulo base (9), que presenta una unidad de cálculo (10) para el control del proceso, una interfaz de comunicación (13), que está comunicada por datos con la unidad de cálculo (10), para la conexión a una red de comunicación local del entorno de automatización del aparato de campo, así como una interfaz eléctrica (12) conectada eléctricamente a una alimentación de tensión (11) de la unidad de cálculo (10) para su conexión a una red de tensión local, estando asociado a la carcasa (1) un módulo funcional (7) que presenta al menos un elemento funcional (8) que está conectado por datos a la unidad de cálculo (10) y está conectado eléctricamente a la interfaz eléctrica (12) de tal manera que se garantiza tanto la comunicación a través del bus de campo como la alimentación de tensión del módulo funcional (7), siendo el al menos un elemento funcional (8) un motor, un sensor o una disposición de sensores, un elemento de iluminación, una cámara, una máquina de trabajo, un elemento de entrada, una pantalla o un altavoz y estando agrupadas la interfaz de comunicación (13), que está conectada por datos a la unidad de cálculo (10) para su conexión a una red de comunicación local, así como la interfaz eléctrica (12), que está conectada eléctricamente a una alimentación de tensión (11) de la unidad de cálculo (10) para su conexión a una red de tensión local, en una interfaz híbrida común (14), preferentemente una interfaz Power-over-Ethernet (PoE), caracterizado por que la carcasa (1) está diseñada como un perfil poligonal alargado (4) que encierra una cavidad interior y en cuya cavidad interior se adentra con su extremo el módulo base (9), que está fijado a una placa base (2), y la cierra mediante la placa base (2), estando fijado el al menos un elemento funcional (8) a una placa de cubierta (3), adentrándose el módulo funcional (7) con su extremo en la cavidad interior del perfil poligonal (4) y cerrándola mediante la placa de cubierta (3), y presentando el perfil poligonal (4) en su pared perimetral al menos una ranura longitudinal socavada (5) en la que puede introducirse una tuerca corredera para fijar el aparato de campo (6) a un dispositivo de soporte, tuerca corredera en la que puede atornillarse un tornillo y la carcasa puede fijarse al dispositivo de soporte.

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato de campo de estructura modular

La presente invención se refiere a un aparato de campo de estructura modular para el funcionamiento en un bus de campo, que comprende una carcasa con un módulo base que presenta una unidad de cálculo para el control del proceso, una interfaz de comunicación que está conectada por datos a la unidad de cálculo para la conexión a una red de comunicación local, así como una interfaz eléctrica conectada eléctricamente a una alimentación de tensión de la unidad de cálculo para la conexión a una red de tensión local.

Este tipo de aparato de campo ya se conoce por el documento US 2007 / 0 057 783 A1. Por este documento, se conoce un aparato de campo para el funcionamiento en un bus de campo, que comprende una carcasa con un módulo base que presenta una unidad de cálculo para el control del proceso, una interfaz de comunicación conectada por datos a la unidad de cálculo para la conexión a una red de comunicación local, así como una interfaz, en concreto una interfaz Ethernet, que está conectada eléctricamente a la alimentación de tensión de la unidad de cálculo. El conocido módulo base está diseñado a este respecto de tal manera que puede combinarse con una pluralidad de diferentes módulos funcionales. Sin embargo, el aparato de campo conocido por este estado de la técnica está alojado en una carcasa propia y segura, concretamente, a prueba de explosiones.

También se conoce un aparato de campo con una funcionalidad similar por el documento US 2005 / 0288799 A1.

Además, en este contexto se conoce una carcasa por el documento US 2006 / 0232 940 A1, estando diseñada esta carcasa en forma de un perfil poligonal que encierra una cavidad interior. A este respecto, un módulo base fijado a una placa base se adentra con un extremo en esta cavidad interior de tal manera que dicha cavidad interior se cierra con la placa base.

Además, también se conoce una carcasa por el documento DE 102014 109783 A1, que está diseñada como perfil poligonal que encierra una cavidad interior. Un módulo base fijado a una placa base también se adentra con un extremo en esta cavidad interior de tal manera que la cavidad interior también se cierra con dicha placa base.

Estos aparatos de campo son ya ampliamente conocidos y comunes en el estado de la técnica. En funcionamiento de campo, registran datos y estados, regulan o controlan procesos y transmiten resultados de medición a los ordenadores de procesamiento o los procesan directamente. Por regla general, están diseñados específicamente y preparados correspondientemente para su uso previsto en el campo. Por ejemplo, se utiliza una cámara para las tareas de vigilancia, un sensor para la medición de la temperatura y una válvula de control para tareas de control hidráulico. Dependiendo del sistema de bus utilizado, estos componentes a menudo tienen que estar especialmente preparados para poder comunicarse a través del bus.

También es necesario proporcionar una alimentación de tensión para los componentes individuales en cada caso in situ, lo que puede significar que se mantenga disponible una tensión de red en la que se utilice un convertidor de tensión adecuado para los requisitos de cada aparato individual. Los aparatos individuales rara vez son recambiables y, en caso de un fallo del aparato, hay que sustituirlo por otro completo. Sin embargo, el operador querría evitarlo, ya solo por razones de coste, ya que, de lo contrario, se ve obligado a mantener en reserva gran variedad de aparatos por si fueran necesarios.

Para controlar los procesos en el entorno de la automatización, por regla general son necesarias unidades de control adicionales con microprocesadores que se comunican con el ordenador de procesamiento y convierten sus complejas instrucciones en órdenes de control para los distintos aparatos de campo, y que, de forma inversa, procesan los valores de medición determinados para el ordenador de procesamiento o los agrupan en resultados intermedios más complejos.

Con estos antecedentes, la presente invención se basa en el objetivo de crear un aparato de campo modular que presente un alto grado de modularización y que permita hacer un amplio uso de componentes estandarizados. En este sentido, no solo debe funcionar una interacción técnica entre los componentes, sino que también debe efectuarse una integración espacial para reducir al máximo el coste del cableado y el esfuerzo logístico de almacenamiento y suministro.

Esto se consigue mediante un aparato de campo de acuerdo con las características de la reivindicación 1. Otros diseños útiles de dicho aparato de campo se desprenden de las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con la invención, se prevé que un aparato de campo presente una carcasa común en la que puedan alojarse todos los componentes necesarios del aparato de campo. Para ello, se prevé que tal aparato de campo disponga de un módulo base al que se le asocien una unidad de cálculo, una unidad de comunicación y una alimentación de tensión. Cada aparato de campo está equipado con un módulo base de este tipo, de tal modo que tanto la comunicación a través del bus de campo como la alimentación eléctrica están garantizadas y el aparato está direccionado y puede transmitir datos. Partiendo de esto, la invención prevé que el principio de construcción de dicho aparato de campo se base en una carcasa hecha de un perfil poligonal que, en estado vacío, pueda cerrarse por dos lados. Así, el módulo base está construido de tal manera que se monta sobre una placa base que se inserta en el perfil poligonal desde un lado y al mismo tiempo lo cierra.

Por supuesto, para ello la placa base puede ser atravesada por conexiones, ventanas de visualización y comunicación de cualquier tipo, pero la construcción del módulo base es siempre la misma y siempre tiene lugar en la placa base adaptada a la forma del perfil poligonal. En esta configuración, la unidad de cálculo ya está disponible para las tareas del entorno de automatización. Gracias a este equipamiento uniforme de un perfil poligonal de este tipo con los módulos base, que garantizan una plataforma de comunicación unitaria y garantizan una alimentación de tensión unitaria, se puede garantizar que todos los aparatos de campo tengan la misma base y, por lo tanto, solo haya que sustituir componentes unitarios en caso de averías. Así, se puede prescindir de aparatos especiales. La especialización de los aparatos de campo básicos, hasta ahora limitados a tareas puramente computacionales, puede lograrse añadiendo módulos funcionales según las necesidades. Estos módulos funcionales comprenden unidades funcionales de los más diversos tipos, que se instalan en una placa de cubierta, complementaria a la placa base, en el lado libre del perfil poligonal y cierran así completamente el perfil poligonal. Cuando el módulo funcional se inserta en el perfil poligonal, la unidad funcional se conecta tanto a la alimentación de tensión del módulo base como a una conexión de datos con la unidad de cálculo a través de la cual se puede efectuar un control de la unidad funcional mediante la unidad de cálculo. Análogamente a la placa base, la placa de cubierta también puede ser atravesada por el al menos un elemento funcional, presentar ventanas o aberturas a través de las cuales el elemento funcional puede actuar, o adaptadores adecuados, conexiones, bridas y más, dependiendo totalmente del tipo y la funcionalidad del al menos un elemento funcional.

En concreto, tal elemento funcional puede ser, por ejemplo, un motor, un sensor o una disposición de sensores, un elemento de iluminación, una cámara, una máquina de trabajo, un elemento de entrada, una pantalla o un altavoz. Para controlar el bus de campo y alimentar la tensión, así como para hacer posible la comunicación con aparatos fuera de una red de comunicación local, por ejemplo, a través de Internet, se requiere una especie de estación de cabecera que, además del módulo base, presente también una interfaz de red conectada por datos a la unidad de cálculo para la conexión a esta red de comunicación externa. En este contexto, la estación de cabecera representa la puerta de entrada a la red externa y puede controlar y, si es necesario, restringir la comunicación entre los aparatos externos y los distintos aparatos de campo. Además, conecta una red de energía pública a la red de tensión interna de los dispositivos de campo a través de la conexión de red conectada eléctricamente a la alimentación de tensión de la unidad de cálculo, de modo que se dispone de una tensión de red común para ellos. La tensión en la red de tensión interna se especifica a través de un transformador de tensión que se conecta entre la conexión de red de la estación de cabecera y la alimentación de tensión de la unidad de cálculo.

Ventajosamente, la carcasa es un perfil poligonal alargado, preferentemente un perfil triangular o cuadrado que, además, presenta al menos una ranura longitudinal socavada en su pared perimetral. Para fijar el aparato de campo a un dispositivo de soporte se puede insertar una tuerca corredera, en la que se puede atornillar un tornillo y fijar la carcasa al dispositivo de soporte, por ejemplo, en forma de perfil de soporte, travesaño o bastidor de soporte.

Sin embargo, la solución de acuerdo con la invención también tiene algunas ventajas con respecto a la refrigeración. En primer lugar, se utilizan tensiones bajas, preferentemente de 48 voltios, en el módulo base o en el módulo funcional, o al menos un nivel de tensión en el rango de tensión extra-baja, de tal modo que la generación de calor es relativamente pequeña. Además, se pueden utilizar microprocesadores que trabajen de manera energéticamente eficiente y, por tanto, únicamente posean un bajo consumo de potencia, y solo requieran poco espacio y, por tanto, produzcan poco calor residual. El calor residual que se produce, sin embargo, puede disiparse en la carcasa poniendo en contacto un lado caliente del microprocesador con la placa base o la placa de cubierta, preferentemente con la interposición de una capa conductora de calor. Para ello, la placa de cubierta y/o la placa base están fabricadas de un material térmicamente conductor, preferentemente metálico y más preferentemente de aluminio o cobre. Además, la placa base y/o la placa de cubierta pueden estar conectadas adicionalmente de forma térmicamente conductora al perfil poligonal, que también es térmicamente conductor, de tal modo que su superficie exterior también está disponible para la refrigeración de los procesadores. Los tornillos que unen la placa de cubierta y/o la placa base con el perfil poligonal pueden disipar en particular el calor de estas placas hacia el perfil poligonal.

Alternativamente, el proceso de disipación del calor residual del procesador también puede llevarse a cabo a la inversa. Si en la pared interior del perfil poligonal se dispone una transferencia de calor, por ejemplo, en forma de una sección de material conductor del calor, y el lado caliente del procesador entra en contacto con esta transferencia de calor, el calor puede fluir primero hacia el perfil poligonal y, si es necesario, adicionalmente hacia la placa base y/o la placa de cubierta a través de los tornillos.

Para la comunicación en el entorno de la automatización, es preferente el protocolo Ethernet POWERLINK u otro protocolo en tiempo real basado en Ethernet. En cuanto a la red local de tensión interna, se utiliza preferentemente una red de baja tensión. Si es necesario, las interfaces asociadas del módulo base pueden agruparse en este sentido para formar una interfaz híbrida en la que también se puede utilizar, por ejemplo, un protocolo conocido como Powerover-Ethernet (PoE).

La invención descrita anteriormente se explica con más detalle a continuación con ayuda de un ejemplo de realización.

Muestran

la Figura 1 un aparato de campo de acuerdo con la invención en una representación en perspectiva oblicuamente desde arriba,

la Figura 2 una sección transversal lateral del aparato de campo de acuerdo con la figura 1 en un diagrama de bloques esquemático,

la Figura 3 una variante del aparato de campo de acuerdo con la figura 5 en un diagrama de bloques esquemático,

la Figura 4 un fragmento de una sección transversal lateral del aparato de campo de acuerdo con la figura 1, así como

la Figura 5 un fragmento de una vista superior de la sección transversal del aparato de campo de acuerdo con la figura 1.

La figura 1 muestra un aparato de campo 6 que está dispuesto en una carcasa 1 de estructura modular. La carcasa 1 consiste esencialmente en un perfil cuadrado alargado 4 que presenta dos ranuras longitudinales socavadas 5 en cada una de sus caras laterales para el montaje en una estructura de soporte, en este caso no representada y que no tiene mayor interés. El perfil cuadrado 4 está cerrado en ambos extremos por medio de placas que soportan los elementos funcionales 8 realizados en el aparato de campo 6 y los elementos de un módulo base 9. Se trata de una placa base 2 que soporta el módulo base 9, y de una placa de cubierta 3 sobre la que se dispone un módulo funcional 7 con al menos un elemento funcional 8.

La figura 2 muestra de forma esquemática la estructura interna del aparato de campo 6. Desde el lado izquierdo, el módulo funcional 7 con los elementos funcionales 8 montados en la placa de cubierta 3, por ejemplo, una luz, se inserta en el perfil cuadrado, mientras que, desde el lado derecho, se inserta el módulo base 9. El módulo base 9, que está presente en cada aparato de campo, comprende en primer lugar una unidad de cálculo 10 que intercambia datos con el al menos un elemento funcional 8 a través de una conexión por cable o inalámbrica. La unidad de cálculo 10 es alimentada por una alimentación de tensión 11 con una baja tensión de 48 voltios que se aplica a través de una interfaz eléctrica 12, dentro de una interfaz híbrida 14. Además, la interfaz eléctrica 12 también alimenta al menos un elemento funcional 8 del módulo funcional 7. Además de esta interfaz eléctrica 12, la interfaz híbrida 14 también comprende una interfaz de comunicación 13 con la que se pueden intercambiar datos entre los aparatos de campo dentro de la red local del entorno de automatización.

La figura 3 describe una variante del aparato de campo anteriormente descrito que representa una estación de cabecera en relación con el entorno de automatización. Esta no incluye un módulo funcional 8, pero sí adicionalmente una interfaz de red 16 y una conexión de red 17. A través de la conexión de red 17, se aplica una tensión de red de 220 voltios a un convertidor de tensión 18, que convierte la tensión alterna aplicada de 220 voltios, o 110 voltios en los Estados Unidos, en una tensión continua de 48 voltios. Esta tensión de 48 voltios de tensión continua se aplica a la alimentación de tensión 11 de la unidad de cálculo 10 y también se alimenta a la interfaz eléctrica 12, que también está prevista en el módulo base 9 ya conocido y también presente en este caso.

Además, en este caso la unidad de cálculo 10 se comunica adicionalmente con la interfaz de red 16 y recibe solicitudes de una red externa como, por ejemplo, Internet, y envía paquetes de datos fuera de la red interna.

La figura 4 ilustra otro aspecto de la invención en un fragmento de una sección transversal de la carcasa 1. Un microprocesador 19, que está instalado en una placa de circuito impreso 20 y realiza una unidad de cálculo 10 de la figura 2, está fijado a la placa base 2 a través de un contacto conductor de calor y conduce cualquier calor residual directamente a la placa base 2 a través de su lado caliente. Por su parte, la placa base está conectada al perfil cuadrado 4 de la carcasa 1 por medio de transferencias de calor 21, en este caso realizadas en forma de tornillos, de tal modo que el calor puede transferirse adicionalmente desde la placa base 2 al perfil cuadrado. Las partes de la carcasa 2 y 4 en cuestión están fabricadas a este respecto de un material térmicamente conductor.

La figura 5 muestra una alternativa a la precedente figura 4 en la que el microprocesador 19 montado en una placa de circuito impreso 20 entra en contacto directamente con el perfil cuadrado 4, más concretamente con la parte posterior de las ranuras longitudinales 5, mediante una transferencia de calor 21 en forma de placa termoconductora. De esta manera, el calor se introduce directamente en el perfil cuadrado 4 y se distribuye en él, de tal modo que se dispone de una gran superficie para su disipación. Además, el calor también puede disiparse de forma inversa a través de los tornillos de montaje de la placa de cubierta 3 y/o la placa base 2.

Por tanto, se ha descrito un aparato de campo modular que, debido a la forma constructiva de su carcasa como un perfil poligonal, presenta un alto grado de modularización y hace posible el uso extensivo de componentes estandarizados en forma de módulos base y módulos de funcionales variables.

Lista de referencias

1 Carcasa

2 Placa base

3 Placa de cubierta

4 Perfil poligonal

5 Ranura longitudinal

6 Aparato de campo

7 Módulo funcional

8 Unidad funcional

9 Módulo base

10 Unidad de cálculo

11 Alimentación de tensión 12 Interfaz eléctrica

13 Interfaz de comunicación 14 Interfaz híbrida

15 Estación de cabecera 16 Interfaz de red

17 Conexión de red

18 Convertidor de tensión 19 Microprocesador

20 Placa de circuitos impresos 21 Transmisión de calor

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Aparato de campo de estructura modular para el funcionamiento en un bus de campo, que comprende una carcasa (1) con un módulo base (9), que presenta una unidad de cálculo (10) para el control del proceso, una interfaz de comunicación (13), que está comunicada por datos con la unidad de cálculo (10), para la conexión a una red de comunicación local del entorno de automatización del aparato de campo, así como una interfaz eléctrica (12) conectada eléctricamente a una alimentación de tensión (11) de la unidad de cálculo (10) para su conexión a una red de tensión local, estando asociado a la carcasa (1) un módulo funcional (7) que presenta al menos un elemento funcional (8) que está conectado por datos a la unidad de cálculo (10) y está conectado eléctricamente a la interfaz eléctrica (12) de tal manera que se garantiza tanto la comunicación a través del bus de campo como la alimentación de tensión del módulo funcional (7), siendo el al menos un elemento funcional (8) un motor, un sensor o una disposición de sensores, un elemento de iluminación, una cámara, una máquina de trabajo, un elemento de entrada, una pantalla o un altavoz y estando agrupadas la interfaz de comunicación (13), que está conectada por datos a la unidad de cálculo (10) para su conexión a una red de comunicación local, así como la interfaz eléctrica (12), que está conectada eléctricamente a una alimentación de tensión (11) de la unidad de cálculo (10) para su conexión a una red de tensión local, en una interfaz híbrida común (14), preferentemente una interfaz Power-over-Ethernet (PoE), caracterizado por que la carcasa (1) está diseñada como un perfil poligonal alargado (4) que encierra una cavidad interior y en cuya cavidad interior se adentra con su extremo el módulo base (9), que está fijado a una placa base (2), y la cierra mediante la placa base (2), estando fijado el al menos un elemento funcional (8) a una placa de cubierta (3), adentrándose el módulo funcional (7) con su extremo en la cavidad interior del perfil poligonal (4) y cerrándola mediante la placa de cubierta (3), y presentando el perfil poligonal (4) en su pared perimetral al menos una ranura longitudinal socavada (5) en la que puede introducirse una tuerca corredera para fijar el aparato de campo (6) a un dispositivo de soporte, tuerca corredera en la que puede atornillarse un tornillo y la carcasa puede fijarse al dispositivo de soporte.

2. Aparato de campo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la carcasa (1) presenta una interfaz de red (16), que está conectada por datos a la unidad de cálculo (10) para la conexión a una red de comunicación externa, así como una conexión de red (17) que está conectada eléctricamente a la alimentación de tensión (11) de la unidad de cálculo (10) para la conexión a una red de tensión externa, interponiéndose un convertidor de tensión (18) entre la conexión de red (17) y la alimentación de tensión (11) de la unidad de cálculo (10).

3. Aparato de campo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que microprocesadores (19) del módulo base (9) y/o del módulo funcional (7) están conectados de forma termoconductora a la placa base (2) y/o a la placa de cubierta (3), y la placa base (2) y/o la placa de cubierta (3) están conectadas a su vez de forma termoconductora al perfil poligonal (4).

4. Aparato de campo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que a la carcasa (1) están asociados microprocesadores (19) que están conectados al perfil poligonal (4) con la interposición de una capa conductora térmica.