WO2002099663A2 - Intrinsically safe field bus system - Google Patents

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WO2002099663A2
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WO2002099663A8 (en
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Udo Gerlach
Thomas Uehlken
Ulrich Johannsmeyer
Hans Wehinger
Lars Röhrig
Jörn-Uwe VARCHMIN
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND, vertreten durch DAS BUNDESMINISTERIUM FÜR WIRTSCHAFT UND TECHNOLOGIE, vertreten durch DEN PRÄSIDENTEN DER PHYSIKALISCH-TECHNISCHEN BUNDESANSTALT BRAUNSCHWEIG UND BERLIN
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • G06F13/38—Information transfer, e.g. on bus
    • G06F13/40—Bus structure
    • G06F13/4063—Device-to-bus coupling
    • G06F13/4068—Electrical coupling
    • G06F13/4086—Bus impedance matching, e.g. termination
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/008—Intrinsically safe circuits

Definitions

  • the invention relates to an intrinsically safe fieldbus system with a fieldbus, a power source, a terminating resistor and at least one fieldbus device connected to the fieldbus, the power source being connected to a first end of the fieldbus and the terminating resistor terminating the fieldbus at the other end, and wherein the power source generates a periodic alternating signal.
  • a fieldbus is a serial data and possibly energy bus for the effortless connection of field devices such as B. sensors and actuators, if necessary, with peripheral intelligence in process control and monitoring systems to a central process control system.
  • a fieldbus is easy to handle and individual field components can be easily replaced.
  • Line systems with a power source generating a periodic alternating signal, a terminating resistor and fieldbus devices in the form of two-port systems are generally well known and theoretically, for example, in Michel, Hans-Jürgen: Two-port analysis with power waves, Teubner study books, electronics, Teubner-Verlag Stuttgart, 1981, page 197 described. This publication also describes a measuring arrangement for determining reflection factors and transmission factors to measure the properties of such a system with the help of high-frequency power waves.
  • DE-OS 38 21 181 A1 discloses a power control arrangement for power output stage frequency of variable transmitters, in which the degree of amplification of the power output stage is controlled as a function of the signals going back and forth in order to protect the power stage from overload.
  • Intrinsically safe fieldbuses are often required, especially for process engineering systems in potentially explosive areas. Protection against the risk of explosion is guaranteed by appropriate design of the circuits routed through potentially explosive areas.
  • One way to create an intrinsically safe fieldbus is to limit the electrical energy available in the fieldbus so that the circuits in the potentially explosive areas are neither in normal operation nor in the event of a fault, e.g. B. at idle or short circuit, are able to ignite explosive mixtures.
  • the superposition of the power wave reflected by the bus with the power wave coming from the generator can result in the ignition limit values being exceeded under certain conditions by adding them together.
  • the concentrated disturbance of the wave resistance leads to strong reflections. This lead to a sharp drop in the voltage at the fault location.
  • the participants try to keep their performance constant by increasing their current consumption. As a result, the voltage drops further.
  • the reaction also leads to a drop in the voltage at a distance of half the wavelength of the power source ( ⁇ / 2) from the point of interference.
  • the reflection factor monitoring circuit is designed to determine a size measure for the waves reflected back to the power source.
  • the power source is shut down when the reflection factor exceeds a target value. In this way, critical safety-related conditions caused by reflections in the fieldbus can be avoided.
  • the reflection factor monitoring circuit is used to determine the ratio of the current and voltage waves traveling back and forth on the fieldbus as a measure of the reflection factor z. B. formed by input impedance measurement.
  • the load transferred from the power source to the fieldbus is converted based on the terminating resistor of the fieldbus system. set performance regulated.
  • a power monitoring circuit for determining the power converted at the terminating resistor is provided as a power signal and a load regulating circuit for regulating the power transmitted from the power source to the fieldbus, the load regulating circuit being controlled by the power signal in such a way that the power converted at the terminating resistor does not reach a setpoint exceeds.
  • the power available on a reflection-free line decreases continuously from the beginning of the line to the end of the line in accordance with the line attenuation as well as the power decoupling of the fieldbus devices.
  • the power implemented at the terminating resistor thus corresponds to the difference between the power introduced at the beginning of the line and the power drawn from the line.
  • An excess of the power input is implemented in the terminating resistor of the fieldbus. It has therefore been proposed that only a minimally required power be introduced into the fieldbus. For this, an absolutely necessary minimum of power is defined, which must arrive at the terminating resistor.
  • a power control variable is generated from the power implemented at the terminating resistor, which is compared with the defined minimum of the power arriving at the terminating resistor. The difference signal is used to control the power source.
  • the fieldbus devices can be connected to the fieldbus via a reflection-free current / voltage coupler that is correctly adjusted in terms of wave resistance. This enables coupling and uncoupling of fieldbus devices with low reflection.
  • the current / voltage coupler With the current / voltage coupler, the current is coupled out along the fieldbus lines and the voltage across the fieldbus lines according to the principle of a transformer. With a two- Wire fieldbus are then on at least one, but preferably on each of the wires in the longitudinal branch z.
  • an inductive current transformer is provided for decoupling the current. The voltage can be decoupled galvanically or transformer-wise between the wires in the shunt arm.
  • the current / voltage coupler can include a rectifier, the output of which is clamped to the fieldbus device.
  • the object of the invention was therefore to create an improved intrinsically safe fieldbus system which, even in non-adapted operation, e.g. at
  • the power distribution should be controllable in such a way that the highest possible power can be transmitted at every point on the fieldbus line.
  • a control and regulating unit is provided for the power source in order to control the power source in a first operating area I as a function of the input impedance of the fieldbus and to regulate it in a second operating area II.
  • the fieldbus input current is kept constant in the first operating range I if the input impedance is less than the characteristic impedance of the fieldbus line. Otherwise, in the second operating range II, when the input impedance exceeds the value of the characteristic impedance, the fieldbus input voltage is set to a constant maximum voltage and the fieldbus input current is regulated as a function of the input impedance.
  • the fieldbus input voltage being set up to a defined maximum value in accordance with the input impedance present at the fieldbus input. This value is reached when the input impedance corresponds to the value of the characteristic impedance of the fieldbus line.
  • the fieldbus input voltage is limited to the safety-related maximum voltage and the field input current is limited, whereby the controlled variable results from a fictitious linear progression of the fieldbus input voltage without limitation to the maximum voltage from the input impedance. This automatically adjusts the permissible fieldbus input current to the higher input impedance of the fieldbus.
  • the open-loop and closed-loop control unit is preferably designed in such a way that the de-energization of the fieldbus input current takes place with as little delay as possible when the input impedance rises and exceeds the value of the characteristic impedance, i. H. during the transition from the first operating area to the second operating area. With increasing input impedance, the control of the fieldbus input current takes place almost directly in the ⁇ s range.
  • control and regulating unit is further designed such that after a curtailment in the second operating area II, the up-regulation of the fieldbus input current takes place sluggishly when the input impedance drops again. After the input impedance drops, it automatically decreases due to the regulated fieldbus input current the fieldbus input voltage suddenly. However, the fieldbus input current is tracked sluggishly in the ms range. In the event of a short circuit, this prevents the regulated fieldbus input current from immediately rising again to the maximum value l max and thereby creating a risk of sparks.
  • the fieldbus input voltage and thus the fieldbus input current can also be de-regulated if the input impedance exceeds a defined overload impedance.
  • the power source preferably has a controllable voltage source and a voltage-current converter connected to the controllable voltage source in order to regulate the fieldbus input current as a function of the output voltage of the controllable voltage source.
  • the output voltage is controlled by the control and regulation unit as a function of the fieldbus input voltage in such a way that a fieldbus input current is set with a defined constant value.
  • the output voltage is regulated as a function of the fieldbus input voltage so that the fieldbus input voltage is kept constant at the value of the defined maximum voltage.
  • the control and regulation unit is advantageously formed from a series connection of a zener diode and a current measuring element clamped in parallel to the fieldbus input, the zener diode defining the defined maximum voltage and passing a current through the current measuring element only when the maximum voltage is exceeded.
  • the one from that Current measuring element measured current is used to control and regulate the power source.
  • the current measuring element is preferably an optocoupler in order to ensure a galvanic separation between the control circuit and the supply circuit of the field bus, an integrator being provided for summing up the pulses of the optocoupler.
  • the voltage-current converter preferably has an inverse quadrupole, for example a Collins filter. Reversing four poles are also known as antimetric filters.
  • the fieldbus devices are preferably clamped to the fieldbus with a voltage coupler, the voltage coupler being connected across the fieldbus lines for voltage decoupling.
  • This parallel connection technology is easy to implement and inexpensive.
  • the voltage couplers do not have to be adapted.
  • a power control unit is used to adjust the power distribution on the fieldbus line by changing the reactance.
  • a controlled inductance e.g. a transducer.
  • This embodiment with a reactance and a parallel connection technology should be limited to short line lengths that are less than% the wavelength ( ⁇ / 4).
  • Phase control means for controlling the phase between the fieldbus input voltage and the fieldbus input current are preferably provided, which can be integrated, for example, in the voltage-current converter.
  • Figure 1 - a block diagram of an intrinsically safe fieldbus system according to the invention with an alternating signal, with parallel connection technology, a power source with control unit and a reactance as fieldbus termination;
  • Figure 3 Diagram to show the timing of the control of the intrinsically safe fieldbus system according to the invention
  • FIG. 4 block diagram of the power source with a Zener diode and an optocoupler for the control unit;
  • FIG. 5 Circuit diagram of a Collins filter as a reversing quadrupole
  • Figure 6 diagram illustrating the adaptation of the fieldbus line by a line simulation
  • Figure 7 Diagram of a symmetrical power distribution on the fieldbus line with a corresponding terminating resistor
  • Figure 8 Diagram of an asymmetrical power distribution on the fieldbus line with a reduced power at the end of the fieldbus line;
  • FIG. 9 diagram of an asymmetrical power distribution on the fieldbus line with a reduced power at the beginning of the fieldbus line;
  • FIG. 10 circuit diagram of a control unit for rapid overvoltage limitation
  • Figure 1 1 - Circuit diagram of a spark extinguishing circuit for current reduction in the event of a fault in the work area;
  • Figure 12 Block diagram of a power supply for a field bus with voltage monitoring, current monitoring and phase monitoring means.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of an intrinsically safe fieldbus system 1 according to the invention, which in a known manner has a fieldbus 2 and a power source 3 for energy supply and possibly for data supply of fieldbus devices 4 which are connected to the fieldbus 2.
  • the fieldbus 2 is designed, for example, as a two-wire bus line.
  • Power source 3 connected in a non-hazardous area 6.
  • the fieldbus 2 is terminated at the other end 7 with a terminating resistor 8, which is designed as a reactance Z Ab . As a result, no more active power is implemented.
  • the fieldbus devices 4 are clamped to the fieldbus 2 with voltage couplers 9 connected exclusively in parallel to the fieldbus 2.
  • part of the fieldbus 2 In an area 10 at risk of explosion, part of the fieldbus 2, the voltage couplers 9, the fieldbus devices 4 and the reactance Zab are arranged. These components are considered to be intrinsically safe and suitable for arrangement in hazardous areas 10 in accordance with the explosion protection requirements defined in the standards EN 50 014, EN 50 020 and EN 50 039 for the type of protection "intrinsic safety". The remaining components are considered to be associated equipment within the meaning of standard EN 50 020 and should preferably be located in non-hazardous area 6.
  • the power on the fieldbus 2 in the potentially explosive area 10 is now regulated so that the intrinsically safe ignition limit values are not exceeded at any point on the line of the fieldbus 2.
  • the power source 3 is preferably formed from a controllable voltage source 11 and a voltage current converter 12, which provides a fieldbus input current I bus as a function of the output voltage U s of the controllable voltage source 11.
  • the controllable voltage source 11 is controlled by a control and regulation unit 13 in a first operating area I and regulated in a second operating area II, that the fieldbus input voltage U bus is always less than or equal to a safety-related maximum voltage U max . If the fieldbus input voltage U Bus is less than the maximum voltage U max , a safety-related maximum current I max is set. In this way it is ensured that a maximum of safety-related energy is always transmitted and the power of the fieldbus 2 is not unnecessarily limited.
  • FIG. 2 shows the characteristic curve for regulating the intrinsically safe fieldbus system 1, on the basis of which the principle for regulating the non-adapted fieldbus 2 concluded with a reactance Z termination becomes clear.
  • the input impedance Z bus is less than the characteristic impedance Z w of the field bus line.
  • a safety-related maximum current I max is set at the fieldbus input (0 to point A,).
  • the fieldbus input voltage U bus is set according to the input impedance Z bus present at the fieldbus input up to a maximum value U max (maximum voltage) (0 to point Ag).
  • the maximum voltage U max is achieved when the input impedance Z bus the value of the characteristic impedance Z corresponds to w (point A y). The following applies in the entire first operating area I:
  • the value of the input impedance Z bus exceeds the value of the wave resistance Z w (Z bus ⁇ Z w ). If the input impedance Z Bus changes in this area (in the direction of idling), the field bus input voltage U Bus is set to the safety level Maximum voltage U max limited (point An . To point B ' u ).
  • the fieldbus input current I bus is regulated down at the fieldbus input in accordance with the basic curve shown in FIG. 2, the following applies:
  • the controlled variables for regulating the fieldbus input current I bus are formed by the fictitious linear progression of the fieldbus input voltage U bus resulting from the input impedance Z bus without limitation to the maximum voltage U max (point A u to point B u ).
  • the permissible fieldbus input current I bus is thus automatically adapted to the higher input impedance Z bus .
  • the voltage is set as a function of the regulated fieldbus input current I bus and the input impedance Z bus .
  • the second operating region II preferably has a Abregelungs Scheme (operating region II b) in which the field bus input voltage U bus is, for example, linear governed proportional to the input impedance Z bus if the input impedance Z bus exceeds a defined overload impedance Z LL. This results in further curtailment of the fieldbus input current I bus .
  • the fieldbus input current I bus is curtailed as soon as the fieldbus input voltage U bus falls below a defined operating voltage or the input impedance Z bus is less than a spark impedance Z spark . At this limit value, as can be seen in FIG. 2, the fieldbus input current I bus is suddenly shut down.
  • FIG. 3 shows a possible time behavior of the regulation of the intrinsically safe fieldbus system 1.
  • the control of the field bus input current l bus should take place as directly as possible in the range of a few microseconds (point A, to point B,).
  • the field bus input current l bus is readjusted sluggishly in the range of a few milliseconds.
  • the voltage remains at the constant value of the maximum voltage U max with the field bus input current l bus of point B ,.
  • the line impedance Z bus corresponds to the characteristic impedance Z w .
  • the input impedance Z bus decreases again to the value of the characteristic impedance Z w .
  • t 0 to t,:
  • the input impedance Z bus corresponds to the characteristic impedance Z w .
  • the fieldbus input voltage U Bus regulates itself automatically depending on the input impedance Z Bus and is:
  • Z bus 6 * Z w
  • the maximum value of the fieldbus input current l bus is:
  • FIG. 4 shows an embodiment of the control and regulating unit 13, which is essentially formed from a Zener diode 14 and an optocoupler as a current measuring element 15.
  • the optocoupler is used for the electrical isolation of the control circuit from the supply circuit.
  • the zener diode 14 and the optocoupler are connected in series, the series connection being clamped in parallel to the input terminals of the fieldbus 2.
  • the zener diode 14 is dimensioned such that a breakdown occurs only after the maximum voltage U max is reached at the fieldbus input 5 and a current flows through the optocoupler.
  • the pulses characterizing the current are integrated up or down with a subsequent integrator 16 and used to regulate the voltage source 11.
  • the integrator 16 preferably has different time constants for the up and down integration.
  • the integration with a large time constant in the millisecond range ensures a slow increase in the permissible fieldbus input current I bus (range t 2 to t 3 ) for the respective input impedance Z bus .
  • the fieldbus input current l bus remains constant at this value.
  • a change in the input impedance Z bus which would mean an increase in the permissible field bus input voltage U bus , leads to a very rapid decrease in the field bus input current I bus in the microsecond range due to a smaller time constant of the integrator 16 for the disintegration (range t to t 2 ).
  • the controllable voltage source 1 1 has an AC voltage generator that supplies an AC voltage with a constant frequency, wherein this voltage can be varied in amplitude by means of a control voltage generated by the control and regulation unit 13.
  • This alternating voltage forms the input voltage for the subsequent voltage-current converter 12.
  • This can preferably be implemented by an inverse quadrupole, also known as an antimetric filter, for example by a Collins filter 17 outlined in FIG. 5, which effects a reciprocal impedance conversion.
  • the fieldbus 2 is wired at the input and output with a high-pass filter that is adapted to the wave resistance and which adapts in this frequency range.
  • the Collins filter 17 is a T-bridge with two inductors L ,, L 2 in the longitudinal branch and a capacitance C in the transverse branch. It reverses the resistance at the input or output of the four-pole to a reciprocal value (inverse four-pole).
  • the Collins filter 17 has a bridge rectifier with a bridge impedance at its output in order to ensure a brief overcurrent limitation during a transition from an idle state to a load state.
  • the capacitance C of the Collins filter 17 When idle, the capacitance C of the Collins filter 17 is charged, so that the charge flows off during the transition to the load and can lead to an overcurrent. Due to the bridge inductance, the current is delayed and thus temporarily limited.
  • FIG. 6 shows a diagram of the voltage distribution on a fieldbus line, the broken line representing the voltage distribution of a fictitious line with a line length of 600 m and a short circuit at the end of the line.
  • the actual fieldbus line is 400 m long.
  • a fictitious line section is only simulated at the end of the real fieldbus line with a length of 200 m, so that the voltage occurring on the real fieldbus line lies in the upper range of the voltage curve of the fictitious line.
  • the line is simulated by a terminating impedance L at the end of the fieldbus line or by a corresponding adaptation of the power source 3.
  • FIG. 7 shows a symmetrical power distribution calculated in a simulation over the entire length of the real fieldbus line.
  • the power that can be tapped at the beginning and end of the fieldbus line is approximately the same with a terminating impedance of 200 ⁇ H and a load resistance of 100 ⁇ for a 400 m long fieldbus line (approx. 5 watts).
  • the available power is highest at around 9 watts.
  • FIG. 8 shows a diagram of the power distribution over the fieldbus length with a terminating impedance of 140 ⁇ H and a load resistance of 100 ⁇ . It is clear that the power available at the beginning of the fieldbus line of approximately 6.5 watts to approximately 9 watts is significantly greater compared to the power distribution from FIG. 7. At the end of the fieldbus line, on the other hand, the power decreases more sharply down to approximately 4 watts at the end of the fieldbus line. With an asymmetrical distribution of the fieldbus devices 4 in the front area of a fieldbus line, the power distribution can be increased in this way can be optimally adapted to the distribution of the fieldbus devices 4.
  • FIG. 9 shows a diagram of an asymmetrical power distribution with a terminating impedance of 180 ⁇ H and a load resistance of 100 ⁇ , the power being reduced at the beginning of the fieldbus line and from the middle of the fieldbus line to the end of the fieldbus line with approximately 9 watts up to 6 watts.
  • Such an adjustment of the power distribution is particularly advantageous if the fieldbus devices 4 are concentrated at the end of the fieldbus line.
  • FIG. 10 shows a circuit diagram of a control and regulating unit 13 for rapid overvoltage limitation.
  • a transformer TR1 is provided, the secondary winding of which controls a FET transistor which is connected to the bridge of a Graetz rectifier.
  • U Bus exceeds the maximum voltage U max
  • a current flows through the primary winding of the transformer TR1 and a voltage is built up on the secondary winding.
  • the FET transistor is closed almost without delay and the capacitor C is discharged via the Graetz rectifier, so that the fieldbus current I bus is reduced very quickly.
  • FIG. 4 shows a spark suppressor circuit 18 which is clamped in parallel to the power source 3 to the first end 5 of the field bus 2.
  • the spark extinguishing circuit 18 reduces the current in the event of a fault in operating area I (working area).
  • the spark extinguishing circuit 18 is constructed on the principle of an undervoltage switch.
  • FIG. 12 shows an advantageous exemplary embodiment of a supply device for a fieldbus, which includes voltage monitoring, current monitoring and phase monitoring.
  • the feed device essentially has the power source 3, a T-shaped Collins filter 17 coupled to the power source 3 with a T-point T and a transformer 19 for controlling an electronic switch 20.
  • the electronic switch 20 is coupled to the T-point T of the Collins filter 17 to control the potential of the T-point T.
  • the output voltage of the power supply ie the fieldbus input voltage U bus
  • voltage monitoring means which are implemented as Z diodes ZD y . If the output voltage U A of the supply device or the corresponding field bus input voltage U bus exceeds the value that can be preset by the Z-diodes ZDg, a current flows through these Z-diodes ZDu. The current also flowing through the primary winding (connection 2 and 3) of the transformer 19 generates a current flow on the secondary side. This causes the electronic switch 20 to pull the potential at the T point T of the Collins filter 17 towards ground. This leads to a reduction in the field bus input voltage U bus .
  • the output current is monitored using current monitoring means in the form of the Z diodes ZD S by monitoring the voltage across the inductor L 2 . If the voltage across inductor L2 exceeds the value preset by Z-diodes ZD S , a current flows through the primary winding of transformer 19 (connections 1 and 2). Again, a secondary-side current flow is generated in the transformer 19, which causes the electronic switch 20 to reduce the potential at the T point T of the Collins filter 17.
  • the curve shape of the output voltage U A of the supply device or the field bus input voltage U bus is monitored by phase monitoring means.
  • the inductance L2 of the Collins filter 17 results in a phase shift of approximately 45 degrees between the T point T of the Collins filter and the connection 2 of the transmitter 19.
  • the same phase shift is used as a reference phase by the phase monitoring means in Form of a phase shifter, which is realized for example by a simple RC combination C P and R P between the T point T of the Collins filter 17 and the connection 1 of the transformer 19.
  • a phase shifter which is realized for example by a simple RC combination C P and R P between the T point T of the Collins filter 17 and the connection 1 of the transformer 19.
  • the current and voltage controls shown in FIG. 2 can be implemented in the error area (operating area I), working area (operating area II a) and curtailment area (operating area II b).

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Abstract

An intrinsically safe field bus system (1) comprising a field bus (2), a power source (3), a terminating resistor (7) and at least one field bus device (4) connected to the field bus (2). The power source (3) is connected to a first end (5) of the field bus (2) and the terminating resistor (8) terminates the field bus (2) on the other end (7). The power source (3) generates a periodic alternating signal, has a reactance (ZAbsch) as a terminating resistor (8) and a unit for control and adjustment (13) of the power source (3) according to the input impedance (ZBus) of the field bus (2). The field bus input current (IBus) is kept constant when the input impedance (ZBus) in a first range of operation (I) is smaller than the wave impedance (ZW) of the field bus line, and the field bus input voltage (UBus) is adjusted to a constant maximum voltage (Umax) and the field bus input current (IBus) is adjusted according to the input impedance (ZBus) if the input impedance (ZBus) exceeds the value of the wave impedance (Zw) in a second operating range (II).

Description

Eigensicheres FeldbussystemIntrinsically safe fieldbus system
Die Erfindung betrifft ein eigensicheres Feldbussystem mit einem Feldbus, einer Leistungsquelle, einem Abschlusswiderstand und mindestens einem an den Feldbus angeschlossenen Feldbusgerät, wobei die Leistungsquelle an ein erstes Ende des Feldbusses angeschlossen ist und der Abschlusswiderstand den Feldbus an dem anderen Ende abschließt, und wobei die Leistungsquelle ein periodisches Wechselsignal generiert.The invention relates to an intrinsically safe fieldbus system with a fieldbus, a power source, a terminating resistor and at least one fieldbus device connected to the fieldbus, the power source being connected to a first end of the fieldbus and the terminating resistor terminating the fieldbus at the other end, and wherein the power source generates a periodic alternating signal.
Ein Feldbus ist ein serieller Daten- und ggf. Energiebus zur aufwandsarmen Ankoppelung von Feldgeräten, wie z. B. Fühlern und Stellgeräten ggf. mit peripherer Intelligenz in Prozesssteuerungs- und Überwachungsanlagen an ein zentrales Prozessleitsystem. Ein Feldbus ist leicht handhabbar und ein- zelne Feldkomponenten können leicht ausgetauscht werden.A fieldbus is a serial data and possibly energy bus for the effortless connection of field devices such as B. sensors and actuators, if necessary, with peripheral intelligence in process control and monitoring systems to a central process control system. A fieldbus is easy to handle and individual field components can be easily replaced.
Leitungssysteme mit einer ein periodisches Wechselsignal generierenden Leistungsquelle, einem Abschlusswiderstand und Feldbusgeräten in Form von Zweitoren sind grundsätzlich hinreichend bekannt und theoretisch z.B. in Michel, Hans-Jürgen: Zweitor-Analyse mit Leistungswellen, Teubner Studienbücher Elektronik, Teubner- Verlag Stuttgart, 1981 , Seite 197 beschrieben. In dieser Druckschrift ist weiterhin eine Messanordnung zur Bestimmung von Reflektionsfaktoren und Übertragungsfaktoren beschrieben, um die Eigenschaften eines solchen Systems mit Hilfe von hochfrequenten Leistungswellen zu messen.Line systems with a power source generating a periodic alternating signal, a terminating resistor and fieldbus devices in the form of two-port systems are generally well known and theoretically, for example, in Michel, Hans-Jürgen: Two-port analysis with power waves, Teubner study books, electronics, Teubner-Verlag Stuttgart, 1981, page 197 described. This publication also describes a measuring arrangement for determining reflection factors and transmission factors to measure the properties of such a system with the help of high-frequency power waves.
In der DE-OS 38 21 181 A1 ist eine Leistungsregelanordnung für Lei- stungsendstufenfrequenz variabler Sender offenbart, bei der der Verstärkungsgrad der Leistungsendstufe in Abhängigkeit von den hin- und rücklaufenden Signalen geregelt wird, um die Leistungsstufe vor Überlastung zu schützen.DE-OS 38 21 181 A1 discloses a power control arrangement for power output stage frequency of variable transmitters, in which the degree of amplification of the power output stage is controlled as a function of the signals going back and forth in order to protect the power stage from overload.
Insbesondere für verfahrenstechnische Anlagen im explosionsgefährdeten Bereich sind oftmals eigensichere Feldbusse gefordert. Eine Sicherheit gegen Explosionsgefahr wird durch entsprechende Ausgestaltung der durch explosionsgefährdete Bereiche geführten Stromkreise gewährleistet.Intrinsically safe fieldbuses are often required, especially for process engineering systems in potentially explosive areas. Protection against the risk of explosion is guaranteed by appropriate design of the circuits routed through potentially explosive areas.
Eine Möglichkeit zur Schaffung eines eigensicheren Feldbusses ist es, die in dem Feldbus vorhandene elektrische Energie so zu begrenzen, dass die Stromkreise in den explosionsgefährdeten Bereichen weder im Normalbetrieb noch im Störfall, z. B. bei Leerlauf oder Kurzschluss, in der Lage sind, explosionsfähige Gemische zu entzünden.One way to create an intrinsically safe fieldbus is to limit the electrical energy available in the fieldbus so that the circuits in the potentially explosive areas are neither in normal operation nor in the event of a fault, e.g. B. at idle or short circuit, are able to ignite explosive mixtures.
Deshalb kann nur eine relativ geringe Energie zur Versorung der Feldgeräte übertragen werden, wodurch bei einem eigensicheren Feldbus deutlich weniger Feldgeräte als bei einem herkömmlichen Feldbus im Normalbereich anschließbar sind.For this reason, only a relatively small amount of energy can be transmitted to supply the field devices, which means that with an intrinsically safe field bus, significantly fewer field devices can be connected in the normal range than with a conventional field bus.
Die Zahl der heute anschaltbaren Busteilnehmer an eigensichere Feldbusse ist für eine breite kostenoptimale Einführung und Nutzung der Feldbustechnik in verfahrenstechnischen Prozessanlagen noch zu gering. In der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 100 49 233.9 ist ein eigensicheres Feldbussystem beansprucht, die eine Reflexionsfaktorüberwachungsschaltung an dem Feldbus zur Bestimmung eines Größenmaßes für die zu der Leistungsquelle zurückreflektierten Wellen und zur Abre- gelung der Leistungsquelle in Abhängigkeit von dem Reflexionsfaktor hat.The number of bus participants that can be connected to intrinsically safe fieldbuses today is still too small for a broad, cost-effective introduction and use of fieldbus technology in process engineering process systems. The post-published German patent application DE 100 49 233.9 claims an intrinsically safe fieldbus system which has a reflection factor monitoring circuit on the fieldbus for determining a size measure for the waves reflected back to the power source and for regulating the power source as a function of the reflection factor.
Bei der Schaffung dieses verbesserten eigensicheren Feldbussystems hat sich zunächst herausgestellt, dass der eigensicher umsetzbare Leistungsumsatz durch Verwendung eines periodischen Wechselsignals anstelle der üblichen Gleichstromsignale deutlich vergrößert werden kann. Dann treten aber leitungstheoretische Probleme auf, die die Eigensicherheit des Feldbusses stark beeinträchtigen. Aus der Leitungstheorie ist bekannt, dass durch die bei fehlangepasster Anschaltung an eine Leitung entstehenden Reflexionen durch die Überlagerung von reflektierter und von der Leistungs- quelle gelieferter Leistung zur Ausbildung von lokalen Spannungs- und Stromknoten bzw. Spannungs- und Strombäuche kommen kann. Diese Überlagerungen sind in zweierlei Hinsicht problematisch:When creating this improved intrinsically safe fieldbus system, it was first found that the intrinsically safe implementable power conversion can be significantly increased by using a periodic alternating signal instead of the usual direct current signals. Then, however, problems arise in line theory that severely impair the intrinsic safety of the fieldbus. It is known from line theory that the reflections that occur when a connection is mismatched to a line can result in the formation of local voltage and current nodes or voltage and current bellies through the superimposition of reflected power and the power supplied by the power source. These overlays are problematic in two ways:
1. Sicherheitstechnischer Aspekt:1. Safety aspect:
Durch die Überlagerung der vom Bus reflektierten Leistungswelle mit der vom Generator kommenden Leistungswelle kann es durch Addition beider unter bestimmten Bedingungen zu einer Überschreitung der Zündgrenzwerte kommen.The superposition of the power wave reflected by the bus with the power wave coming from the generator can result in the ignition limit values being exceeded under certain conditions by adding them together.
2. Funktioneller Aspekt:2. Functional aspect:
Bei der räumlichen Konzentration von Teilnehmern kommt es durch die konzentrierte Störung des Wellenwiderstandes zu starken Reflexionen. Diese führen zu einem starken Absinken der Spannung an der Störstelle. Die Teilnehmer versuchen durch Erhöhung ihrer Stromaufnahme ihre Leistung konstant zu halten. Hierdurch sinkt die Spannung weiter ab. Durch die Rückwirkung kommt es zusätzlich zum Absinken der Spannung in einem Ab- stand von der Hälfte der Wellenlänge der Leistungsquelle (λ/2) zur Störstelle.In the case of the spatial concentration of participants, the concentrated disturbance of the wave resistance leads to strong reflections. This lead to a sharp drop in the voltage at the fault location. The participants try to keep their performance constant by increasing their current consumption. As a result, the voltage drops further. The reaction also leads to a drop in the voltage at a distance of half the wavelength of the power source (λ / 2) from the point of interference.
Um nun trotz der erwähnten Probleme die Vorteile des Wechselsignals bezüglich des Leistungsumsatzes für ein eigensicheres Feldbussystem ausnut- zen zu können, wurde ein reflexionsarmes System realisiert, wobei die Einhaltung des Anpassungsgrades durch eine Sicherheitsüberwachungsschal- tung überprüft wird. Im Gegensatz hierzu erfolgt bei der Leistungsrege- lungseinheit der DE-OS 38 21 181 A1 eine Regelung zum Schutz der Endstufe.In order to be able to utilize the advantages of the alternating signal with regard to the power conversion for an intrinsically safe fieldbus system despite the problems mentioned, a low-reflection system was implemented, with compliance with the degree of adaptation being checked by a safety monitoring circuit. In contrast to this, the power control unit of DE-OS 38 21 181 A1 is regulated to protect the output stage.
Hierzu ist die Reflexionsfaktorüberwachungsschaltung zur Bestimmung eines Größenmaßes für die zu der Leistungsquelle zurückreflektierten Wellen ausgebildet. Die Leistungsquelle wird abgeregelt, wenn der Reflexionsfaktor eine Sollgröße überschreitet. Auf diese Weise können durch Reflexionen entstehende sicherheitstechnisch kritische Zustände durch Abregein des Feldbusses vermieden werden.For this purpose, the reflection factor monitoring circuit is designed to determine a size measure for the waves reflected back to the power source. The power source is shut down when the reflection factor exceeds a target value. In this way, critical safety-related conditions caused by reflections in the fieldbus can be avoided.
Die Reflexionsfaktorüberwachungsschaltung ist zur Bestimmung des Verhältnisses der auf dem Feldbus hin- und zurücklaufenden Strom- und Span- nungswellen als Maß für den Reflexionsfaktor z. B. durch Eingangsimpedanzmessung ausgebildet.The reflection factor monitoring circuit is used to determine the ratio of the current and voltage waves traveling back and forth on the fieldbus as a measure of the reflection factor z. B. formed by input impedance measurement.
Weiterhin wird die von der Leistungsquelle auf den Feldbus übertragenen Last anhand der an einem Abschlusswiderstand des Feldbussystems umge- setzten Leistung geregelt. Hierzu ist eine Leistungsüberwachungsschaltung zur Bestimmung der an dem Abschlusswiderstand umgesetzten Leistung als Leistungssignal und eine Lastregelungsschaltung zur Regelung der von der Leistungsquelle auf den Feldbus übertragenen Leistung vorgesehen, wobei die Lastregelungsschaltung von dem Leistungssignal so gesteuert wird, dass die an dem Abschlusswiderstand umgesetzte Leistung einen Sollwert nicht überschreitet. Diesem Konzept liegt folgende Überlegung zugrunde:Furthermore, the load transferred from the power source to the fieldbus is converted based on the terminating resistor of the fieldbus system. set performance regulated. For this purpose, a power monitoring circuit for determining the power converted at the terminating resistor is provided as a power signal and a load regulating circuit for regulating the power transmitted from the power source to the fieldbus, the load regulating circuit being controlled by the power signal in such a way that the power converted at the terminating resistor does not reach a setpoint exceeds. This concept is based on the following consideration:
Die auf einer reflexionsfreien Leitung verfügbare Leistung nimmt vom Lei- tungsanfang bis zum Leitungsabschluss stetig entsprechend der Leitungsdämpfung sowie durch die Leistungsauskopplung der Feldbusgeräte ab. Die am Abschlusswiderstand umgesetzte Leistung entspricht somit der Differenz der am Leitungsanfang eingebrachten Leistung und der von der Leitung entnommenen Leistung. Ein Überschuss an eingebrachter Leistung wird im Abschlusswiderstand des Feldbusses umgesetzt. Es wurde daher vorgeschlagen, dass nur eine minimal erforderliche Leistung in den Feldbus eingebracht wird. Hierzu wird ein unbedingt notwendiges Minimum an Leistung definiert, das am Abschlusswiderstand ankommen muss. Aus der am Abschlusswiderstand umgesetzten Leistung wird eine Leistungsregelgröße generiert, die mit dem definierten notwendigen Minimum der am Abschlusswiderstand ankommenden Leistung verglichen wird. Das Differenzsignal wird zur Regelung der Leistungsquelle verwendet.The power available on a reflection-free line decreases continuously from the beginning of the line to the end of the line in accordance with the line attenuation as well as the power decoupling of the fieldbus devices. The power implemented at the terminating resistor thus corresponds to the difference between the power introduced at the beginning of the line and the power drawn from the line. An excess of the power input is implemented in the terminating resistor of the fieldbus. It has therefore been proposed that only a minimally required power be introduced into the fieldbus. For this, an absolutely necessary minimum of power is defined, which must arrive at the terminating resistor. A power control variable is generated from the power implemented at the terminating resistor, which is compared with the defined minimum of the power arriving at the terminating resistor. The difference signal is used to control the power source.
Die Feldbusgeräte können über einen reflexionsfreien wellenwiderstands- mäßig richtig angepassten Strom-/Spannungskoppler an den Feldbus angeklemmt werden. Dadurch ist eine An- und Abkopplung von Feldbusgeräten reflexionsarm möglich. Bei dem Strom-/Spannungskoppler wird der Strom nach dem Prinzip eines Transformators längs zu den Feldbusleitungen und die Spannung quer zu den Feldbusleitungen ausgekoppelt. Bei einem Zwei- Draht-Feldbus sind dann an mindestens einem, vorzugsweise aber an jedem der Drähte im Längszweig z. B. ein induktiver Stromwandler zur Stromauskopplung vorgesehen. Die Spannungsauskopplung kann galvanisch oder transformatorisch zwischen den Drähten im Querzweig erfolgen.The fieldbus devices can be connected to the fieldbus via a reflection-free current / voltage coupler that is correctly adjusted in terms of wave resistance. This enables coupling and uncoupling of fieldbus devices with low reflection. With the current / voltage coupler, the current is coupled out along the fieldbus lines and the voltage across the fieldbus lines according to the principle of a transformer. With a two- Wire fieldbus are then on at least one, but preferably on each of the wires in the longitudinal branch z. B. an inductive current transformer is provided for decoupling the current. The voltage can be decoupled galvanically or transformer-wise between the wires in the shunt arm.
Der Strom-/Spannungskoppler kann einen Gleichrichter beinhalten, dessen Ausgang an das Feldbusgerät geklemmt ist.The current / voltage coupler can include a rectifier, the output of which is clamped to the fieldbus device.
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein verbessertes eigensicheres Feld- bussystem zu schaffen, das auch im nicht angepassten Betrieb z.B. beiThe object of the invention was therefore to create an improved intrinsically safe fieldbus system which, even in non-adapted operation, e.g. at
Verwendung von Spannungskopplem eigensicher ist und eine optimale Leistungsübertragung gewährleistet. In einer Ausführungsform sollte die Leistungsverteilung so steuerbar sein, dass an jedem Punkt der Feldbusleitung eine höchstmögliche Leistung übertragen werden kann.Use of voltage couplers is intrinsically safe and ensures optimal power transmission. In one embodiment, the power distribution should be controllable in such a way that the highest possible power can be transmitted at every point on the fieldbus line.
Die Aufgabe wird durch Verwendung einer Reaktanz als Abschlußwiderstand gelöst, an der keine Wirkleistung umgesetzt wird. Damit ist die herkömmliche Leistungsregelungseinheit und das Leistungsregelsignal nicht erforderlich. Zudem ist eine Steuer- und Regelungseinheit für die Leistungs- quelle vorgesehen, um die Leistungsquelle in Abhängigkeit von der Eingangsimpedanz des Feldbusses in einem ersten Betriebsbereich I zu steuern und in einem zweiten Betriebsbereich II zu regeln. Der Feldbus- Eingangsstrom wird in dem ersten Betriebsbereich I konstant gehalten, wenn die Eingangsimpedanz kleiner als der Wellenwiderstand der Feldbus- leitung ist. Andernfalls wird in dem zweiten Betriebsbereich II, wenn die Eingangsimpedanz den Wert des Wellenwiderstandes überschreitet, die Feldbus-Eingangsspannung auf eine konstante Maximalspannung eingestellt und der Feldbus-Eingangsstrom in Abhängigkeit von der Eingangsimpedanz abgeregelt. Auf diese Weise wird ein sicherheitstechnischer Maximalstrom am Feldbuseingang sichergestellt, wobei sich die Feldbus-Eingangsspannung entsprechend der am Feldbuseingang vorliegenden Eingangsimpedanz bis zu einem definierten Maximalwert einstellt. Dieser Wert ist erreicht, wenn die Eingangsimpedanz dem Wert des Wellenwiderstandes der Feldbusleitung entspricht.The problem is solved by using a reactance as a terminating resistor on which no active power is implemented. The conventional power control unit and the power control signal are therefore not required. In addition, a control and regulating unit is provided for the power source in order to control the power source in a first operating area I as a function of the input impedance of the fieldbus and to regulate it in a second operating area II. The fieldbus input current is kept constant in the first operating range I if the input impedance is less than the characteristic impedance of the fieldbus line. Otherwise, in the second operating range II, when the input impedance exceeds the value of the characteristic impedance, the fieldbus input voltage is set to a constant maximum voltage and the fieldbus input current is regulated as a function of the input impedance. In this way, a safety-related maximum current is ensured at the fieldbus input, the fieldbus input voltage being set up to a defined maximum value in accordance with the input impedance present at the fieldbus input. This value is reached when the input impedance corresponds to the value of the characteristic impedance of the fieldbus line.
Bei Änderung der Eingangsimpedanz wird die Feldbus-Eingangsspannung auf die sicherheitstechnisch festgelegte Maximalspannung begrenzt und der Feld-Eingangsstrom abgeregelt, wobei sich die Regelgröße aus einem fiktiven linear weiterführenden Verlauf der Feldbus-Eingangsspannung ohne Begrenzung auf die Maximalspannung aus der Eingangsimpedanz ergibt. Damit erfolgt automatisch eine Anpassung des zulässigen Feldbus- Eingangsstroms an die höhere Eingangsimpedanz des Feldbusses.If the input impedance changes, the fieldbus input voltage is limited to the safety-related maximum voltage and the field input current is limited, whereby the controlled variable results from a fictitious linear progression of the fieldbus input voltage without limitation to the maximum voltage from the input impedance. This automatically adjusts the permissible fieldbus input current to the higher input impedance of the fieldbus.
Die Steuer- und Regelungseinheit ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das Abregein des Feldbus-Eingangsstroms möglichst verzögerungsfrei erfolgt, wenn die Eingangsimpedanz ansteigt und den Wert des Wellenwiderstandes überschreitet, d. h. beim Übergang von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich. Bei zunehmender Eingangsimpedanz erfolgt die Regelung des Feldbus-Eingangsstroms somit zeitlich annähernd direkt im μs-Bereich.The open-loop and closed-loop control unit is preferably designed in such a way that the de-energization of the fieldbus input current takes place with as little delay as possible when the input impedance rises and exceeds the value of the characteristic impedance, i. H. during the transition from the first operating area to the second operating area. With increasing input impedance, the control of the fieldbus input current takes place almost directly in the μs range.
Vorzugsweise ist die Steuer- und Regelungseinheit weiterhin so ausgebildet, dass nach einer Abregelung in dem zweiten Betriebsbereich II die Hochregelung des Feldbus-Eingangsstroms zeitlich träge erfolgt, wenn die Eingangsimpedanz wieder abfällt. Nach Abfallen der Eingangsimpedanz verringert sich automatisch aufgrund des geregelten Feldbus-Eingangsstroms die Feldbus-Eingangsspannung schlagartig. Der Feldbus-Eingangsstrom wird jedoch zeitlich träge im ms-Bereich nachgeführt. Damit wird im Kurzschlussfall verhindert, dass der abgeregelte Feldbus-Eingangsstrom sofort wieder auf den maximalen Wert lmax ansteigt und hierdurch eine Funkenge- fahr entsteht.Preferably, the control and regulating unit is further designed such that after a curtailment in the second operating area II, the up-regulation of the fieldbus input current takes place sluggishly when the input impedance drops again. After the input impedance drops, it automatically decreases due to the regulated fieldbus input current the fieldbus input voltage suddenly. However, the fieldbus input current is tracked sluggishly in the ms range. In the event of a short circuit, this prevents the regulated fieldbus input current from immediately rising again to the maximum value l max and thereby creating a risk of sparks.
In einem Abregeibereich kann zudem ein Abregier der Feldbus- Eingangsspannung und damit auch des Feldbus-Eingangsstroms vorgenommen werden, wenn die Eingangsimpedanz eine definierte Überlastimpe- danz überschreitet.In a de-energizing area, the fieldbus input voltage and thus the fieldbus input current can also be de-regulated if the input impedance exceeds a defined overload impedance.
Vorzugsweise hat die Leistungsquelle eine regelbare Spannungsquelle und einen an die regelbare Spannungsquelle angeschlossenen Spannungs- Stromwandler, um den Feldbus-Eingangsstrom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der regelbaren Spannungsquelle zu regeln. In dem ersten Betriebsbereich, bei dem die Feldbus-Eingangsspannung kleiner als eine definierte Maximalspannung ist, wird die Ausgangsspannung durch die Steuer- und Regelungseinheit in Abhängigkeit von der Feldbus- Eingangsspannung so gesteuert, dass ein Feldbus-Eingangsstrom mit einem definierten konstanten Wert eingestellt ist. In dem zweiten Betriebsbereich hingegen wird die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Feldbus- Eingangsspannung so geregelt, dass die Feldbus-Eingangsspannung auf dem Wert der definierten Maximalspannung konstant gehalten wird.The power source preferably has a controllable voltage source and a voltage-current converter connected to the controllable voltage source in order to regulate the fieldbus input current as a function of the output voltage of the controllable voltage source. In the first operating range, in which the fieldbus input voltage is less than a defined maximum voltage, the output voltage is controlled by the control and regulation unit as a function of the fieldbus input voltage in such a way that a fieldbus input current is set with a defined constant value. In the second operating range, however, the output voltage is regulated as a function of the fieldbus input voltage so that the fieldbus input voltage is kept constant at the value of the defined maximum voltage.
Vorteilhafterweise ist die Steuer- und Regelungseinheit aus einer parallel an den Feldbuseingang geklemmten Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einem Strommesselement gebildet, wobei die Zenerdiode die definierte Maximalspannung festlegt und nur bei Überschreiten der Maximalspannung einen Strom durch das Strommesselement durchlässt. Der von dem Strommesselement gemessene Strom dient zur Steuerung und Regelung der Leistungsquelle.The control and regulation unit is advantageously formed from a series connection of a zener diode and a current measuring element clamped in parallel to the fieldbus input, the zener diode defining the defined maximum voltage and passing a current through the current measuring element only when the maximum voltage is exceeded. The one from that Current measuring element measured current is used to control and regulate the power source.
Das Strommesselement ist vorzugsweise ein Optokoppler, um eine galvani- sehe Trennung zwischen dem Regelkreis und dem Versorgungskreis des Feldbusses zu gewährleisten, wobei ein Integrierer zur Aufsummierung der Impulse des Optokopplers vorgesehen ist.The current measuring element is preferably an optocoupler in order to ensure a galvanic separation between the control circuit and the supply circuit of the field bus, an integrator being provided for summing up the pulses of the optocoupler.
Der Spannungs-Stromwandler hat vorzugweise einen Umkehrungsvierpol, beispielsweise einen Collinsfiiter. Umkehrungsvierpole sind auch als antimetrische Filter bekannt.The voltage-current converter preferably has an inverse quadrupole, for example a Collins filter. Reversing four poles are also known as antimetric filters.
Die Feldbusgeräte werden vorzugsweise mit einem Spannungskoppler an den Feldbus geklemmt, wobei der Spannungskoppler quer zu den Feldbus- leitungen zur Spannungsauskopplung geschaltet ist. Diese parallele Anschlußtechnik ist leicht durchführbar und kostengünstig. Zudem müssen die Spannungskoppler nicht angepaßt werden.The fieldbus devices are preferably clamped to the fieldbus with a voltage coupler, the voltage coupler being connected across the fieldbus lines for voltage decoupling. This parallel connection technology is easy to implement and inexpensive. In addition, the voltage couplers do not have to be adapted.
Zur Einstellung der Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung, insbesondere zur optimalen Anpassung des Feldbusses an die räumliche Verteilung der Feldbusgeräte auf der Feldbusleitung, wird vorgeschlagen, dass die Reaktanz veränderbar ist. Eine Leistungsregelungseinheit dient zur Einstellung der Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung durch Veränderung der Reaktanz. Als einstellbare Reaktanz kann vorteilhaft eine gesteuerte Induktivität, z.B. ein Transduktor, verwendet werden.In order to adjust the power distribution on the fieldbus line, in particular for optimally adapting the fieldbus to the spatial distribution of the fieldbus devices on the fieldbus line, it is proposed that the reactance can be changed. A power control unit is used to adjust the power distribution on the fieldbus line by changing the reactance. A controlled inductance, e.g. a transducer.
Diese Ausführungsform mit einer Reaktanz und einer parallelen Anschlußtechnik sollte auf kurze Leitungslängen beschränkt sein, die kleiner als % der Wellenlänge (λ/4) sind. Durch Zwischenschalten eines oder mehrerer Phasenschieber-Netzwerke ist es möglich, den Feldbus zu verlängern.This embodiment with a reactance and a parallel connection technology should be limited to short line lengths that are less than% the wavelength (λ / 4). By interposing one or more phase shifter networks, it is possible to extend the fieldbus.
Vorzugsweise sind Phasensteuerungsmittel zur Steuerung der Phase zwi- sehen der Feldbus-Eingangsspannung und dem Feldbus-Eingangsstrom vorgesehen, die beispielsweise in dem Spannungs-Stromwandler integriert werden können.Phase control means for controlling the phase between the fieldbus input voltage and the fieldbus input current are preferably provided, which can be integrated, for example, in the voltage-current converter.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the accompanying drawings of exemplary embodiments. Show it:
Figur 1 - ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen eigensicheren Feldbussystems mit einem Wechselsignal, mit paralleler Anschlußtechnik, einer Leistungsquelle mit Regelungseinheit und einer Reaktanz als Feldbusabschluß;Figure 1 - a block diagram of an intrinsically safe fieldbus system according to the invention with an alternating signal, with parallel connection technology, a power source with control unit and a reactance as fieldbus termination;
Figur 2 - Kennlinie zur Regelung des erfindungsgemäßen eigensicheren Feldbussystems;Figure 2 - characteristic curve for controlling the intrinsically safe fieldbus system according to the invention;
Figur 3 - Diagramm zur Darstellung des Zeitverhaltens der Regelung des erfindungsgemäßen eigensicheren Feldbussystems;Figure 3 - Diagram to show the timing of the control of the intrinsically safe fieldbus system according to the invention;
Figur 4 - Blockdiagramm der Leistungsquelle mit einer Zenerdiode und einem Optokoppler für die Regelungseinheit;Figure 4 - block diagram of the power source with a Zener diode and an optocoupler for the control unit;
Figur 5 - Schaltbild eines Collins-Filters als Umkehrungsvierpol;Figure 5 - Circuit diagram of a Collins filter as a reversing quadrupole;
Figur 6 - Diagramm zur Veranschaulichung der Anpassung der Feldbus leitung durch eine Leitungsnachbildung; Figur 7 - Diagramm einer symmetrischen Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung mit einem entsprechenden Abschlusswiderstand;Figure 6 - diagram illustrating the adaptation of the fieldbus line by a line simulation; Figure 7 - Diagram of a symmetrical power distribution on the fieldbus line with a corresponding terminating resistor;
Figur 8 - Diagramm einer unsymmetrischen Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung mit einer verminderten Leistung am Ende der Feldbusleitung;Figure 8 - Diagram of an asymmetrical power distribution on the fieldbus line with a reduced power at the end of the fieldbus line;
Figur 9 - Diagramm einer unsymmetrischen Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung mit einer verminderten Leistung am Anfang der Feldbusleitung;FIG. 9 - diagram of an asymmetrical power distribution on the fieldbus line with a reduced power at the beginning of the fieldbus line;
Figur 10 - Schaltbild einer Regelungseinheit zur schnellen Überspan- nungsbegrenzung;FIG. 10 - circuit diagram of a control unit for rapid overvoltage limitation;
Figur 1 1 - Schaltbild einer Funkenlöschschaltung zur Stromverminderung bei einem Fehlerfall im Arbeitsbereich;Figure 1 1 - Circuit diagram of a spark extinguishing circuit for current reduction in the event of a fault in the work area;
Figur 12 - Blockschaltbild eines Speisegerätes für einen Feldbus mit Spannungsüberwachungs-, Stromüberwachungs- und Phasenüberwachungsmitteln.Figure 12 - Block diagram of a power supply for a field bus with voltage monitoring, current monitoring and phase monitoring means.
Die Figur 1 lässt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen eigensicheren Feldbussystems 1 erkennen, das in bekannter Weise einen Feldbus 2 und eine Leistungsquelle 3 zur Energieversorgung und ggf. zur Datenversorgung von Feldbusgeräten 4 hat, die an den Feldbus 2 angeschlossen sind. Der Feldbus 2 ist beispielhaft als Zwei-Draht- Busleitung ausgeführt. An das erste Ende 5 des Feldbusses 2 ist die Lei- stungsquelle 3 in einem nicht explosionsgefährdeten Bereich 6 angeschlossen. Der Feldbus 2 ist an dem anderen Ende 7 mit einem Abschlusswiderstand 8 abgeschlossen, der als Reaktanz ZAbsch ausgebildet ist. Dies hat zur Folge, dass keine Wirkleistung mehr umgesetzt wird.FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of an intrinsically safe fieldbus system 1 according to the invention, which in a known manner has a fieldbus 2 and a power source 3 for energy supply and possibly for data supply of fieldbus devices 4 which are connected to the fieldbus 2. The fieldbus 2 is designed, for example, as a two-wire bus line. At the first end 5 of the fieldbus 2 is the line Power source 3 connected in a non-hazardous area 6. The fieldbus 2 is terminated at the other end 7 with a terminating resistor 8, which is designed as a reactance Z Ab . As a result, no more active power is implemented.
Die Feldbusgeräte 4 werden in dieser Ausführungsform mit ausschließlich parallel zum Feldbus 2 angeschlossenen Spannungskopplern 9 an den Feldbus 2 geklemmt.In this embodiment, the fieldbus devices 4 are clamped to the fieldbus 2 with voltage couplers 9 connected exclusively in parallel to the fieldbus 2.
In einem explosionsgefährdeten Bereich 10 sind ein Teil des Feldbusses 2, die Spannungskoppler 9, die Feldbusgeräte 4 und die Reaktanz ZAbsch angeordnet. Diese Komponenten gelten gemäß der in den Normen EN 50 014, EN 50 020 und EN 50 039 für die Zündschutzart "Eigensicherheit" definierten Anforderungen an den Explosionsschutz als eigensicher und für die An- Ordnung im explosionsgefährdeten Bereich 10 geeignet. Die restlichen Komponenten gelten im Sinne der Norm EN 50 020 als zugehörige Betriebsmittel und sollten vorzugsweise in dem nicht explosionsgefährdeten Bereich 6 angeordnet sein.In an area 10 at risk of explosion, part of the fieldbus 2, the voltage couplers 9, the fieldbus devices 4 and the reactance Zab are arranged. These components are considered to be intrinsically safe and suitable for arrangement in hazardous areas 10 in accordance with the explosion protection requirements defined in the standards EN 50 014, EN 50 020 and EN 50 039 for the type of protection "intrinsic safety". The remaining components are considered to be associated equipment within the meaning of standard EN 50 020 and should preferably be located in non-hazardous area 6.
Die Leistung auf dem Feldbus 2 im explosionsgefährdeten Bereich 10 wird nunmehr so geregelt, dass an keinem Ort auf der Leitung des Feldbusses 2 die eigensicheren Zündgrenzwerte überschritten werden.The power on the fieldbus 2 in the potentially explosive area 10 is now regulated so that the intrinsically safe ignition limit values are not exceeded at any point on the line of the fieldbus 2.
Hierzu ist die Leistungsquelle 3 vorzugsweise aus einer regelbaren Span- nungsquelle 1 1 und einem Spannungs-Stromwandler 12 gebildet, der einen Feldbus-Eingangsstrom lBus als Funktion der Ausgangsspannung Us der regelbaren Spannungsquelle 1 1 bereitstellt. Die regelbare Spannungsquelle 1 1 wird von einer Steuer- und Regelungseinheit 13 in einem ersten Betriebsbereich I so gesteuert und in einem zweiten Betriebsbereich II so geregelt, dass die Feldbus-Eingangsspannung UBus immer kleiner oder gleich einer sicherheitstechnisch vorgegebenen Maximalspannung Umax ist. Sofern die Feldbus-Eingangsspannung UBus kleiner als die Maximalspannung Umax ist, wird ein sicherheitstechnisch zulässiger Maximalstrom lmax eingestellt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass immer eine sicherheitstechnisch maximale Energie übertragen werden und die Leistung des Feldbusses 2 nicht unnötig begrenzt ist.For this purpose, the power source 3 is preferably formed from a controllable voltage source 11 and a voltage current converter 12, which provides a fieldbus input current I bus as a function of the output voltage U s of the controllable voltage source 11. The controllable voltage source 11 is controlled by a control and regulation unit 13 in a first operating area I and regulated in a second operating area II, that the fieldbus input voltage U bus is always less than or equal to a safety-related maximum voltage U max . If the fieldbus input voltage U Bus is less than the maximum voltage U max , a safety-related maximum current I max is set. In this way it is ensured that a maximum of safety-related energy is always transmitted and the power of the fieldbus 2 is not unnecessarily limited.
Die Figur 2 lässt die Kennlinie zur Regelung des eigensicheren Feldbussy- stems 1 erkennen, anhand welcher das Prinzip zur Regelung des mit einer Reaktanz ZAbsch abgeschlossenen nicht angepassten Feldbusses 2 deutlich wird.FIG. 2 shows the characteristic curve for regulating the intrinsically safe fieldbus system 1, on the basis of which the principle for regulating the non-adapted fieldbus 2 concluded with a reactance Z termination becomes clear.
In dem ersten Betriebsbereich I ist die Eingangsimpedanz ZBus kleiner als der Wellenwiderstand Zw der Feldbusleitung. In diesem Falle wird ein sicherheitstechnisch festgelegter Maximalstrom lmax am Feldbuseingang eingestellt (0 bis Punkt A,). Die Feldbus-Eingangsspannung UBus stellt sich entsprechend der am Feldbuseingang vorliegenden Eingangsimpedanz ZBus bis zu einem maximalen Wert Umax (Maximalspannung) ein (0 bis Punkt Ag). Die Maximalspannung Umax wird erreicht, wenn die Eingangsimpedanz ZBus dem Wert des Wellenwiderstandes Zw enspricht (Punkt Ay). In dem gesamten ersten Betriebsbereich I gilt:In the first operating range I, the input impedance Z bus is less than the characteristic impedance Z w of the field bus line. In this case, a safety-related maximum current I max is set at the fieldbus input (0 to point A,). The fieldbus input voltage U bus is set according to the input impedance Z bus present at the fieldbus input up to a maximum value U max (maximum voltage) (0 to point Ag). The maximum voltage U max is achieved when the input impedance Z bus the value of the characteristic impedance Z corresponds to w (point A y). The following applies in the entire first operating area I:
'BUS = ax = Umax / Zw = UBUS / ZBus = konstant ≠ Funktion (UBus).' BUS = ax = U max / Z w = U BUS / Z Bus = constant ≠ function (U Bus ).
In dem zweiten Betriebsbereich übersteigt der Wert der Eingangsimpedanz ZBus den Wert des Wellen Widerstandes Zw (ZBus < Zw). Bei Änderung der Eingangsimpedanz ZBus in diesem Bereich (in Richtung Leerlauf) wird die Feldbus-Eingangsspannung UBus auf die sicherheitstechnisch festgelegte Maximalspannung Umax begrenzt (Punkt An. bis Punkt B 'u). Dabei wird der Feldbus-Eingangsstrom lBus am Feldbuseingang entsprechend des in der Figur 2 dargestellten prinzipiellen Verlaufes heruntergeregelt, wobei gilt:In the second operating range, the value of the input impedance Z bus exceeds the value of the wave resistance Z w (Z bus <Z w ). If the input impedance Z Bus changes in this area (in the direction of idling), the field bus input voltage U Bus is set to the safety level Maximum voltage U max limited (point An . To point B ' u ). The fieldbus input current I bus is regulated down at the fieldbus input in accordance with the basic curve shown in FIG. 2, the following applies:
'Bus 'Regel ^max ' ^"Bus ^ 'max-'Bus' rule ^ max '^ "Bus ^' max-
Die Regelgrößen zur Regelung des Feldbus-Eingangsstroms lBus bildet der sich aus der Eingangsimpedanz ZBus ergebene fiktive linear weiterführende Verlauf der Feldbus-Eingangsspannung UBus ohne Begrenzung auf die Maxi- malspannung Umax (Punkt Au bis Punkt Bu). Somit erfolgt automatisch eine Anpassung des zulässigen Feldbus-Eingangsstromes lBus an die höhere Eingangsimpedanz ZBus.The controlled variables for regulating the fieldbus input current I bus are formed by the fictitious linear progression of the fieldbus input voltage U bus resulting from the input impedance Z bus without limitation to the maximum voltage U max (point A u to point B u ). The permissible fieldbus input current I bus is thus automatically adapted to the higher input impedance Z bus .
Sofern die Eingangsimpedanz ZBus nach einer erfolgten Abregelung in dem zweiten Betriebsbereich II wieder z.B. schlagartig abnimmt, gilt für die Regelung von dem zweiten Betriebsbereich II in Richtung des ersten Betriebsbereichs II kommend:If the input impedance Z bus decreases again suddenly after a curtailment in the second operating area II, the following applies to the control coming from the second operating area II in the direction of the first operating area II:
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Die Spannung stellt sich hierbei in Abhängigkeit von dem eingeregelten Feldbus-Eingangsstrom lBus und der Eingangsimpedanz ZBus ein.The voltage is set as a function of the regulated fieldbus input current I bus and the input impedance Z bus .
Der zweite Betriebsbereich II hat vorzugsweise einen Abregelungsbereich (Betriebsbereich II b), in dem die Feldbus-Eingangsspannung UBus beispielsweise linear proportional zu der Eingangsimpedanz ZBus abgeregelt wird, wenn die Eingangsimpedanz ZBus eine definierte Überlastimpedanz ZLL überschreitet. Hierdurch ergibt sich eine weitergehende Abregelung des Feldbus-Eingangsstroms lBus. In einem Fehlerbereich, insbesondere im Kurzschlussfall, wird der Feldbus- Eingangsstrom lBus abgeregelt, sobald die Feldbus-Eingangsspannung UBus eine definierte Betriebsspannung unterschreitet bzw. die Eingangsimpedanz ZBus kleiner als eine Funkenimpedanz ZFunke ist. An diesem Grenzwert wird, wie in der Figur 2 erkennbar ist, der Feldbus-Eingangsstrom lBus schlagartig heruntergefahren.The second operating region II preferably has a Abregelungsbereich (operating region II b) in which the field bus input voltage U bus is, for example, linear governed proportional to the input impedance Z bus if the input impedance Z bus exceeds a defined overload impedance Z LL. This results in further curtailment of the fieldbus input current I bus . In an error range, in particular in the event of a short circuit, the fieldbus input current I bus is curtailed as soon as the fieldbus input voltage U bus falls below a defined operating voltage or the input impedance Z bus is less than a spark impedance Z spark . At this limit value, as can be seen in FIG. 2, the fieldbus input current I bus is suddenly shut down.
Die Figur 3 läßt ein mögliches Zeitverhalten der Regelung des eigensicheren Feldbussystems 1 erkennen. Bei zunehmender Eingangsimpedanz ZBus (in Richtung Leerlauf) sollte die Regelung des Feldbus-Eingangsstromes lBus zeitlich möglichst direkt im Bereich einiger Mikrosekunden erfolgen (Punkt A, bis Punkt B,). Nach dem Erreichen des Strompunktes B„ an dem die Eingangsimpedanz ZBus wieder kleiner als der Wellenwiderstand Zw ist (ZBus < Zw) erfolgt die Nachregelung des Feldbus-Eingangsstroms lBus träge im Bereich einiger Millisekunden. Für den stationären Zustand der Eingangsimpedanz ZBus bleibt für den Fall, dass die Eingangsimpedanz ZBus größer als der Wellenwiderstand Zw (ZBus > Zw) ist, die Spannung auf dem konstanten Wert der Maximalspannung Umax mit dem Feldbus-Eingangsstrom lBus des Punktes B,.FIG. 3 shows a possible time behavior of the regulation of the intrinsically safe fieldbus system 1. With increasing input impedance Z bus (in the direction of idling), the control of the field bus input current l bus should take place as directly as possible in the range of a few microseconds (point A, to point B,). After reaching the current point B "at which the input impedance Z bus is again smaller than the characteristic impedance Z w (Z bus <Z w ), the field bus input current l bus is readjusted sluggishly in the range of a few milliseconds. For the steady state of the input impedance Z bus , in the event that the input impedance Z bus is greater than the characteristic impedance Z w (Z bus > Z w ), the voltage remains at the constant value of the maximum voltage U max with the field bus input current l bus of point B ,.
Das beispielhafte Zeitverhalten wird nunmehr in drei Abschnitte unterteilt. Zur Zeit t = 0 bis t = 1 entspricht die Leitungsimpedanz ZBus dem Wellenwiderstand Zw. Im Bereich t, bis t2 nimmt die Eingangsimpedanz ZBus auf das Sechsfache des Wellenwiderstandes Zw zu (ZBus = 6 * Zw). Im Bereich t2 bis t3 nimmt die Eingangsimpedanz ZBus wieder auf den Wert des Wellenwiderstandes Zw ab. t = 0 bis t, : Die Eingangsimpedanz ZBus entspricht dem Wellenwiderstand Zw. Für diesen Leitungszustand darf der sicherheitstechnische Maximalwert des Feldbus-Eingangsstrom 'BUS = ' ax m das Netzwerk fließen. Die Feldbus- Eingangsspannung UBus regelt sich in Abhängigkeit von der Eingangsimpedanz ZBus automatisch und beträgt:The exemplary timing behavior is now divided into three sections. At time t = 0 to t = 1, the line impedance Z bus corresponds to the characteristic impedance Z w . In the range t to t 2 , the input impedance Z bus increases to six times the characteristic impedance Z w (Z bus = 6 * Z w ). In the range t 2 to t 3 , the input impedance Z bus decreases again to the value of the characteristic impedance Z w . t = 0 to t,: The input impedance Z bus corresponds to the characteristic impedance Z w . For this line status, the safety-related maximum value of the fieldbus input current ' BUS = ' ax m may flow through the network. The fieldbus input voltage U Bus regulates itself automatically depending on the input impedance Z Bus and is:
I uIBus — — I 'Bus * 7 /V — — I uImax-I u IBus - - I 'Bus * 7 / V - - I u Imax-
t = , bis t2: Die Eingangsimpedanz ZBus entspricht dem Sechsfachen des Wellen Widerstandes Zw (ZBus = 6 * Zw). Für diesen Leitungszustand ergibt sich nun der Maximalwert des Feldbus-Eingangstromes lBus zu:t =, to t 2 : The input impedance Z bus corresponds to six times the wave resistance Z w (Z bus = 6 * Z w ). For this line status, the maximum value of the fieldbus input current l bus is:
IBUS = Lax / 6 = Umax / 6 * Zw.I BUS = L ax / 6 = U max / 6 * Z w .
Die mit einer möglichen Vergrößerung der Eingangsimpedanz ZBus verbundene Änderung des Feldbus- Eingangsstromes lBus erfolgt im zeitlichen Bezug direkt der Änderung der Eingangsimpedanz ZBus, so dass sich eine konstante Feldbus-Eingangsspannung UBus ergibt.The change in the field bus input current I bus associated with a possible increase in the input impedance Z bus occurs directly over time in relation to the change in the input impedance Z bus , so that a constant field bus input voltage U bus results.
Ußus = 'max " " Zw = Umaχ.Ußus = 'max "" Z w = U maχ .
t = t2 bis t3: Bei einer nachfolgenden Verringerung der Eingangsimpedanz ZBus von dem sechsfachen Wert des Wellenwiderstandes 6 * Zw auf den Wert des Wellenwiderstandes Zw zur Zeit t2 erfolgt eine Änderung des Feldbus- Eingangsstromes lBus auf den für die Eingangsimpedanz ZBUs = Zw zulässigen Wert lmax mit einer entsprechenden zeitlichen Verzögerung t = t3 - t2 im Millisekunden- Bereich. Die Feldbus-Eigangsspannung lBus bricht zur Zeit t = t2 schlagartig auf ein Sechstel der Maximalspannung Umax ein:t = t 2 to t 3 : When the input impedance Z bus is subsequently reduced from six times the value of the wave resistance 6 * Z w to the value of the wave resistance Z w at time t 2 , the field bus input current l bus changes to that for the input impedance Z BUs = Z w permissible value l max with a corresponding time delay t = t 3 - t 2 in the millisecond range. The fieldbus input voltage l bus suddenly drops to one sixth of the maximum voltage U max at time t = t 2 :
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Die Figur 4 lässt eine Ausführungsform der Steuer- und Regelungseinheit 13 erkennen, die im wesentlichen aus einer Zenerdiode 14 und einem Optokoppler als Strommesselement 15 gebildet ist. Der Optokoppler dient zur galvanischen Trennung des Regelkreises von dem Versorgungskreis. Die Zenerdiode 14 und der Optokoppler sind in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung parallel an die Eingangsklemmen des Feldbusses 2 geklemmt sind. Die Zenerdiode 14 ist so bemessen, dass erst nach Erreichen der Maximalspannung Umax am Feldbuseingang 5 ein Durchbruch erfolgt und ein Strom durch den Optokoppler fließt. Die den Strom kennzeichnenden Impulse werden mit einem nachfolgenden Integrierer 16 auf- bzw. abintegriert und zur Regelung der Spannungsquelle 1 1 verwendet.FIG. 4 shows an embodiment of the control and regulating unit 13, which is essentially formed from a Zener diode 14 and an optocoupler as a current measuring element 15. The optocoupler is used for the electrical isolation of the control circuit from the supply circuit. The zener diode 14 and the optocoupler are connected in series, the series connection being clamped in parallel to the input terminals of the fieldbus 2. The zener diode 14 is dimensioned such that a breakdown occurs only after the maximum voltage U max is reached at the fieldbus input 5 and a current flows through the optocoupler. The pulses characterizing the current are integrated up or down with a subsequent integrator 16 and used to regulate the voltage source 11.
Der Integrierer 16 hat vorzugsweise unterschiedliche Zeitkonstanten für die Auf- und die Abintegration. Entsprechend des zuvor beschriebenen Zeitverhaltens sorgt die Aufintegration mit einer großen Zeitkonstante im Millisekunden-Bereich für einen langsamen Anstieg des zulässigen Feldbus- Eingangsstromes lBus (Bereich t2 bis t3) für die jeweile Eingangsimpedanz ZBus. Sobald der sicherheitstechnisch zulässige Maximalwert des Feldbus- Eingangsstroms lmax erreicht ist, bleibt der Feldbus-Eingangsstrom lBus auf diesem Wert konstant. Eine Änderung der Eingangsimpedanz ZBus, die einen Anstieg der zulässigen Feldbus-Eingangsspannung UBus bedeuten würde, führt zu einer sehr raschen Abnahme des Feldbus-Eingangsstromes lBus im Mikrosekunden-Bereich durch eine kleinere Zeitkonstante des Integrierers 16 für die Abintegration (Bereich t bis t2).The integrator 16 preferably has different time constants for the up and down integration. In accordance with the time behavior described above, the integration with a large time constant in the millisecond range ensures a slow increase in the permissible fieldbus input current I bus (range t 2 to t 3 ) for the respective input impedance Z bus . As soon as the safety-related maximum value of the fieldbus input current l max is reached, the fieldbus input current l bus remains constant at this value. A change in the input impedance Z bus , which would mean an increase in the permissible field bus input voltage U bus , leads to a very rapid decrease in the field bus input current I bus in the microsecond range due to a smaller time constant of the integrator 16 for the disintegration (range t to t 2 ).
Die steuerbare Spannungsquelle 1 1 hat einen Wechselspannungsgenerator, der eine Wechselspannung mit einer konstanten Frequenz liefert, wobei diese Spannung mittels einer von der Steuer- und Regelungseinheit 13 generierten Steuerspannung in ihrer Amplitude variiert werden kann. Diese Wechselspannung bildet die Eingangsspannung für den nachfolgenden Spannungs-Stromwandler 12. Dieser kann vorzugsweise durch einen Umkehrungsvierpol, auch als antimetrisches Filter bekannt, z.B. durch einen in der Figur 5 skizziertes Collins-Filter 17 ausgeführt sein, das eine reziproke Impedanzwandlung bewirkt. Für die reflexionsfreie Übertragung von Daten mit höheren Frequenzen wird der Feldbus 2 am Ein- und Ausgang mit einem wellenwiderstandsrichtig angepassten Hochpaß beschaltet, der in diesem Frequenzbereich eine Anpassung bewirkt. Der Collins-Filter 17 ist eine T- Brücke mit zwei Induktivitäten L,, L2 im Längszweig und einer Kapazität C im Querzweig. Es kehrt den Widerstand am Ein- oder Ausgang des Vierpols in einen reziproken Wert um (Umkehrungsvierpol).The controllable voltage source 1 1 has an AC voltage generator that supplies an AC voltage with a constant frequency, wherein this voltage can be varied in amplitude by means of a control voltage generated by the control and regulation unit 13. This alternating voltage forms the input voltage for the subsequent voltage-current converter 12. This can preferably be implemented by an inverse quadrupole, also known as an antimetric filter, for example by a Collins filter 17 outlined in FIG. 5, which effects a reciprocal impedance conversion. For the reflection-free transmission of data with higher frequencies, the fieldbus 2 is wired at the input and output with a high-pass filter that is adapted to the wave resistance and which adapts in this frequency range. The Collins filter 17 is a T-bridge with two inductors L ,, L 2 in the longitudinal branch and a capacitance C in the transverse branch. It reverses the resistance at the input or output of the four-pole to a reciprocal value (inverse four-pole).
Das Collins-Filter 17 hat einen Brückengleichrichter mit einer Brückenimpedanz an seinem Ausgang, um eine kurzzeitige Überstrombegrenzung bei einem Übergang von einem Leerlaufzustand ind einen Belastungszustand zu gewährleisten. Im Leerlauf ist die Kapazität C des Collins-Filters 17 geladen, so dass bei dem Übergang in die Belastung die Ladung abfließt und zu einem Überstrom führen kann. Aufgrund der Brückeninduktivität wird der Strom verzögert und damit kurzzeitig begrenzt. Die Figur 6 lässt ein Diagramm der Spannungsverteilung auf einer Feldbusleitung erkennen, wobei die gestrichelte Linie die Spannungsverteilung einer fiktiven Leitung bei einer Leitungslänge von 600 m und einem Kurzschluss am Leitungsende darstellt. Die tatsächliche Feldbusleitung hat eine Länge von 400 m. Um eine optimale Leistungsübertragung zu gewährleisten, wird ein fiktiver Leitungsabschnitt nur noch am Ende der realen Feldbusleitung mit einer Länge von 200 m nachgebildet, so dass die auf der realen Feldbusleitung auftretende Spannung im oberen Bereich der Spannungskurve der fiktiven Leitung liegt. Die Leitungsnachbildung erfolgt durch eine Ab- schlussimpedanz L am Ende der Feldbusleitung bzw. durch eine entsprechende Anpassung der Leistungsquelle 3.The Collins filter 17 has a bridge rectifier with a bridge impedance at its output in order to ensure a brief overcurrent limitation during a transition from an idle state to a load state. When idle, the capacitance C of the Collins filter 17 is charged, so that the charge flows off during the transition to the load and can lead to an overcurrent. Due to the bridge inductance, the current is delayed and thus temporarily limited. FIG. 6 shows a diagram of the voltage distribution on a fieldbus line, the broken line representing the voltage distribution of a fictitious line with a line length of 600 m and a short circuit at the end of the line. The actual fieldbus line is 400 m long. To ensure optimal power transmission, a fictitious line section is only simulated at the end of the real fieldbus line with a length of 200 m, so that the voltage occurring on the real fieldbus line lies in the upper range of the voltage curve of the fictitious line. The line is simulated by a terminating impedance L at the end of the fieldbus line or by a corresponding adaptation of the power source 3.
Die Figur 7 zeigt eine in einer Simulation berechnete symmetrische Leistungsverteilung über die gesamte Länge der realen Feldbusleitung. Die am Anfang und Ende der Feldbusleitung jeweils abgreifbare Leistung ist bei einer Abschlussimpedanz von 200 μH und einem Lastwiderstand von 100 Ω bei einer 400 m langen Feldbusleitung etwa gleich hoch (ca. 5 Watt). In der Mitte der Feldbusleitung bei ca. 200 m ist die verfügbare Leistung mit etwa 9 Watt am höchsten.FIG. 7 shows a symmetrical power distribution calculated in a simulation over the entire length of the real fieldbus line. The power that can be tapped at the beginning and end of the fieldbus line is approximately the same with a terminating impedance of 200 μH and a load resistance of 100 Ω for a 400 m long fieldbus line (approx. 5 watts). In the middle of the fieldbus line at approx. 200 m, the available power is highest at around 9 watts.
Die Figur 8 zeigt ein Diagramm der Leistungsverteilung über die Feldbuslänge bei einer Abschlussimpedanz von 140 μH und einem Lastwiderstand von 100 Ω. Es wird deutlich, dass die am Anfang der Feldbusleitung verfügbare Leistung von etwa 6,5 Watt bis ca. 9 Watt im Vergleich zu der Leistungs- Verteilung aus der Figur 7 wesentlich größer ist. Am Ende der Feldbusleitung nimmt die Leistung hingegen stärker bis auf ca. 4 Watt am Ende der Feldbusleitung ab. Bei einer unsymmetrischen Verteilung der Feldbusgeräte 4 im vorderen Bereich einer Feldbusleitung kann die Leistungsverteilung auf diese Weise optimal an die Verteilung der Feldbusgeräte 4 angepasst werden.FIG. 8 shows a diagram of the power distribution over the fieldbus length with a terminating impedance of 140 μH and a load resistance of 100 Ω. It is clear that the power available at the beginning of the fieldbus line of approximately 6.5 watts to approximately 9 watts is significantly greater compared to the power distribution from FIG. 7. At the end of the fieldbus line, on the other hand, the power decreases more sharply down to approximately 4 watts at the end of the fieldbus line. With an asymmetrical distribution of the fieldbus devices 4 in the front area of a fieldbus line, the power distribution can be increased in this way can be optimally adapted to the distribution of the fieldbus devices 4.
Entsprechend läßt die Figur 9 ein Diagramm einer unsymmetrischen Lei- stungsverteilung bei einer Abschlussimpedanz von 180 μH und einem Lastwiderstand von 100 Ω erkennen, wobei die Leistung am Anfang der Feldbusleitung vermindert und von der Mitte der Feldbusleitung bis zum Ende der Feldbusleitung mit ca. 9 Watt bis 6 Watt erhöht ist. Eine derartige Anpassung der Leistungsverteilung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Feldbusgeräte 4 an dem Ende der Feldbusleitung konzentriert sind.Accordingly, FIG. 9 shows a diagram of an asymmetrical power distribution with a terminating impedance of 180 μH and a load resistance of 100 Ω, the power being reduced at the beginning of the fieldbus line and from the middle of the fieldbus line to the end of the fieldbus line with approximately 9 watts up to 6 watts. Such an adjustment of the power distribution is particularly advantageous if the fieldbus devices 4 are concentrated at the end of the fieldbus line.
Die Figur 10 lässt ein Schaltbild einer Steuer- und Regelungseinheit 13 zur schnellen Überspannungsbegrenzung erkennen. Anstelle des in der Figur 4 skizzierten Optokopplers ist ein Übertrager TR1 vorgesehen, dessen Sekun- därwicklung einen FET-Transistor steuert, der in die Brücke eines Graetz- Gleichrichters geschaltet ist. Sobald die Feldbusspannung UBus, die Maximalspannung Umax überschreitet, fließt ein Strom durch die Primärwicklung des Übertragers TR1 und es wird eine Spannung auf der Sekundärwicklung aufgebaut. Hierdurch wird der FET-Transistor nahezu verzögerungsfrei ge- schlössen und der Kondensator C über den Graetz-Gleichrichter entladen, so dass der Feldbusstrom lBus sehr schnell reduziert wird. Die Eigenkapazität des FET-Transistors führt bei einem Abfall der Steuerspannung zu einem verzögerten Öffnen, so dass der Feldbuseingangsstrom lBus anschließend wieder langsam hochgefahren wird. Durch den FET-Transistor können auf diese Weise die unterschiedlichen Zeitkonstanten des in der Schaltungsanordnung der Figur 4 skizzierten Integrierers 16 realisiert werden. Die Schaltung zur schnellen Überspannungsbegrenzung kann parallel zu der in der Figur 4 dargestellten Schaltungsordnung aufgebaut werden, um Anforderungen an die sicherheitstechnische Zuverlässigkeit Genüge zu tun. Die Figur 1 1 zeigt eine Funkenlöschschaltung 18, die parallel zu der Leistungsquelle 3 an das erste Ende 5 des Feldbusses 2 geklemmt ist. Mit der Funkenlöschschaltung 18 wird der Strom bei einem Fehlerfall im Betriebs- bereich I (Arbeitsbereich) vermindert. Die Funkenlöschschaltung 18 ist nach dem Prinzip eines Unterspannungsschalters aufgebaut.FIG. 10 shows a circuit diagram of a control and regulating unit 13 for rapid overvoltage limitation. Instead of the optocoupler sketched in FIG. 4, a transformer TR1 is provided, the secondary winding of which controls a FET transistor which is connected to the bridge of a Graetz rectifier. As soon as the fieldbus voltage U Bus exceeds the maximum voltage U max , a current flows through the primary winding of the transformer TR1 and a voltage is built up on the secondary winding. As a result, the FET transistor is closed almost without delay and the capacitor C is discharged via the Graetz rectifier, so that the fieldbus current I bus is reduced very quickly. The inherent capacitance of the FET transistor leads to a delayed opening when the control voltage drops, so that the fieldbus input current I bus is then slowly started up again. In this way, the different time constants of the integrator 16 outlined in the circuit arrangement of FIG. 4 can be realized by the FET transistor. The circuit for rapid overvoltage limitation can be set up in parallel with the circuit arrangement shown in FIG. 4 in order to meet safety reliability requirements. Figure 1 1 shows a spark suppressor circuit 18 which is clamped in parallel to the power source 3 to the first end 5 of the field bus 2. The spark extinguishing circuit 18 reduces the current in the event of a fault in operating area I (working area). The spark extinguishing circuit 18 is constructed on the principle of an undervoltage switch.
Die Figur 12 lässt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Speisegeräts für einen Feldbus erkennen, das eine Spannungsüberwachung, Stromüber- wachung und Phasenüberwachung beinhaltet.FIG. 12 shows an advantageous exemplary embodiment of a supply device for a fieldbus, which includes voltage monitoring, current monitoring and phase monitoring.
Das Speisegerät weist im wesentlichen die Leistungsquelle 3, einen an die Leistungsquelle 3 angekoppelten T-förmigen Collins-Filter 17 mit einem T- Punkt T und einen Übertrager 19 zur Ansteuerung eines elektronischen Schalters 20 auf. Der elektronische Schalter 20 ist mit dem T-Punkt T des Collins-Filters 17 gekoppelt, um das Potential des T-Punktes T zu steuern.The feed device essentially has the power source 3, a T-shaped Collins filter 17 coupled to the power source 3 with a T-point T and a transformer 19 for controlling an electronic switch 20. The electronic switch 20 is coupled to the T-point T of the Collins filter 17 to control the potential of the T-point T.
Die Überwachung der Ausgangsspannung des Speisegerätes, d. h. der Feldbus-Eingangsspannung UBus, erfolgt mit Spannungsüberwachungsmit- teln, die als Z-Dioden ZDy realisiert sind. Wenn die Ausgangsspannung UA des Speisegerätes bzw. die entsprechende Feldbus-Eingangsspannung UBus den durch die Z-Dioden ZDg voreinstellbaren Wert übersteigt, fließt ein Strom durch diese Z-Dioden ZDu. Der dabei auch durch die Primärwicklung (Anschluss 2 und 3) des Übertragers 19 fließende Strom erzeugt einen se- kundärseitigen Stromfluss. Dieser bewirkt, dass der elektronische Schalter 20 das Potential am T-Punkt T des Collins-Filters 17 in Richtung Masse zieht. Dies führt zu einer Reduzierung der Feldbus-Eingangsspannung UBus. Die Überwachung des Ausgangsstromes erfolgt mit Stromüberwachungsmitteln in Form der Z-Dioden ZDS durch Überwachung der Spannung über der Induktivität L2. Übersteigt die Spannung über der Induktivität L2 den durch die Z-Dioden ZDS voreingestellten Wert, so fließt ein Strom durch die Primärwicklung des Übertragers 19 (Anschlüsse 1 und 2). Wiederum wird ein sekundärseitiger Stromfluss in dem Übertrager 19 erzeugt, der durch den elektronischen Schalter 20 eine Reduzierung des Potentials im T-Punkt T des Collins-Filters 17 bewirkt.The output voltage of the power supply, ie the fieldbus input voltage U bus , is monitored using voltage monitoring means which are implemented as Z diodes ZD y . If the output voltage U A of the supply device or the corresponding field bus input voltage U bus exceeds the value that can be preset by the Z-diodes ZDg, a current flows through these Z-diodes ZDu. The current also flowing through the primary winding (connection 2 and 3) of the transformer 19 generates a current flow on the secondary side. This causes the electronic switch 20 to pull the potential at the T point T of the Collins filter 17 towards ground. This leads to a reduction in the field bus input voltage U bus . The output current is monitored using current monitoring means in the form of the Z diodes ZD S by monitoring the voltage across the inductor L 2 . If the voltage across inductor L2 exceeds the value preset by Z-diodes ZD S , a current flows through the primary winding of transformer 19 (connections 1 and 2). Again, a secondary-side current flow is generated in the transformer 19, which causes the electronic switch 20 to reduce the potential at the T point T of the Collins filter 17.
Zudem erfolgt eine Überwachung des Kurvenverlaufs der Ausgangsspannung UA des Speisegeräts bzw. der Feldbus-Eingangsspannung UBus durch Phasenüberwachungsmittel. Im ungestörten Betriebsfall ergibt sich über die Induktivität L2 des des Collins-Filters 17 eine Phasenverschiebung von ca. 45 Grad zwischen dem T-Punkt T des Collins-Filters und dem Anschluss 2 des Übertragers 19. Die gleiche Phasenverschiebung wird als Referenzphase durch die Phasenüberwachungsmittel in Form eines Phasenschiebers erzeugt, der beispielsweise durch eine einfache RC-Kombination CP und RP zwischen dem T-Punkt T des Collins-Filters 17 und dem Anschluss 1 des Übertragers 19 realisiert wird. Im ungestörten Betrieb tritt keine Phasendif- ferenz und somit auch keine Potentialdifferenz im Übertrager 19 auf. Nur der gestörte bzw. nicht optimale Betrieb verursacht eine Phasendifferenz in deren Folge die elektronischen Schaltmittel 20 eine Potentialabsenkung im T-Punkt T des Collins-Filters 17 bewirken.In addition, the curve shape of the output voltage U A of the supply device or the field bus input voltage U bus is monitored by phase monitoring means. In the case of undisturbed operation, the inductance L2 of the Collins filter 17 results in a phase shift of approximately 45 degrees between the T point T of the Collins filter and the connection 2 of the transmitter 19. The same phase shift is used as a reference phase by the phase monitoring means in Form of a phase shifter, which is realized for example by a simple RC combination C P and R P between the T point T of the Collins filter 17 and the connection 1 of the transformer 19. In undisturbed operation, there is no phase difference and therefore no potential difference in the transformer 19. Only the disturbed or non-optimal operation causes a phase difference in the consequence of which the electronic switching means 20 bring about a potential drop in the T point T of the Collins filter 17.
Mit Hilfe dieses Speisegerätes sind die in der Figur 2 dargestellten Strom- und Spannungsregelungen im Fehlerbereich (Betriebsbereich I), Arbeitsbereich (Betriebsbereich II a) und Abregelungsbereich (Betriebsbereich II b) realisierbar. With the aid of this power supply unit, the current and voltage controls shown in FIG. 2 can be implemented in the error area (operating area I), working area (operating area II a) and curtailment area (operating area II b).

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Eigensicheres Feldbussystem (1 ) mit einem Feldbus (2), einer Leistungsquelle (3), einem Abschlusswiderstand (8) und mindestens einem an den Feldbus (2) angeschlossenen Feldbusgerät (4), wobei die Leistungsquelle (3) an ein erstes Ende (5) des Feldbusses (2) angeschlossen ist und der Abschlusswiderstand (7) den Feldbus (2) an dem anderen Ende (7) abschließt, und wobei die Leistungsquelle (3) ein periodisches Wechselsignal generiert,1 . Intrinsically safe fieldbus system (1) with a fieldbus (2), a power source (3), a terminating resistor (8) and at least one fieldbus device (4) connected to the fieldbus (2), the power source (3) being connected to a first end (5 ) the field bus (2) is connected and the terminating resistor (7) closes the field bus (2) at the other end (7), and the power source (3) generates a periodic alternating signal,
gekennzeichnet durchmarked by
eine Reaktanz (ZAbsch) als Abschlußwiderstand (8), unda reactance (Z cut ) as a terminating resistor (8), and
eine Steuer- und Regelungseinheit (13) für die Leistungsquelle (3) ina control and regulation unit (13) for the power source (3) in
Abhängigkeit von der Eingangsimpedanz (ZBus) des Feldbusses (2), wobeiDependence on the input impedance (Z bus ) of the field bus (2), where
der Feldbus-Eingangsstrom (lBus) konstant gehalten wird, wenn in einem ersten Betriebsbereich (I) die Eingangsimpedanz (ZBus) kleiner als der Wellenwiderstand (Zw) der Feldbusleitung ist, undthe fieldbus input current (l bus ) is kept constant if, in a first operating range (I), the input impedance (Z bus ) is less than the characteristic impedance (Z w ) of the field bus line, and
die Feldbus-Eingangsspannung (UBus) auf eine konstante Maxi- malspannung (Umax) eingestellt und der Feldbus-Eingangsstromthe fieldbus input voltage (U bus ) is set to a constant maximum voltage (U max ) and the fieldbus input current
(lBus) in Abhängigkeit von der Eingangsimpedanz (ZBus) abgeregelt wird, wenn in einem zweiten Betriebsbereich (II) die Eingangsimpedanz (ZBus) den Wert des Wellenwiderstandes (Zw) überschreitet. (I bus ) is regulated as a function of the input impedance (Z bus ) if the input impedance (Z bus ) exceeds the value of the characteristic impedance (Z w ) in a second operating range (II).
2. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regelungseinheit (13) so ausgebildet ist, dass das Abregein des Feldbus-Eingangsstroms (lBus) beim Übergang von dem ersten Betriebsbereich (I) in den zweiten Betriebsbe- reich (II) erfolgt, sobald die Eingangsimpedanz (ZBus) den Wert des2. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to claim 1, characterized in that the control and regulating unit (13) is designed such that the de-energizing of the fieldbus input current (I bus ) during the transition from the first operating range (I) to the second Operating range (II) takes place as soon as the input impedance (Z bus ) reaches the value of
Wellenwiderstandes (Zw) überschreitet.Characteristic impedance (Z w ) exceeds.
3. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regelungseinheit (13) so aus- gebildet ist, dass nach einer Abregelung im zweiten Betriebsbereich3. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the control and regulating unit (13) is designed such that after a curtailment in the second operating range
(II) die Hochregelung des Feldbus-Eingangsstroms (lBus) zeitlich träge erfolgt, wenn die Eingangsimpedanz (ZBus) wieder in den Betriebsbereich (I) abfällt.(II) the up-regulation of the fieldbus input current (l bus ) takes place at a slower time when the input impedance (Z bus ) falls back into the operating range (I).
4. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regelungseinheit (13) so ausgebildet ist, dass ein Abregein der Feldbus- Eingangsspannung (UBus) und des Feldbus-Eingangsstroms (lBus) in dem zweiten Betriebsbereich (II) erfolgt, wenn die Eingangsimpedanz (ZBUS) eine definierte Überlastimpedanz (ZLL) überschreitet.4. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control and regulating unit (13) is designed such that an excitation of the fieldbus input voltage (U bus ) and the fieldbus input current (l bus ) in the second operating range (II) takes place when the input impedance (Z BUS ) exceeds a defined overload impedance (Z LL ).
5. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden5. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsquelle (3) eine regelbare Spannungsquelle (1 1 ) und einen an die regelbare Span- nungsquelle (1 1 ) angeschlossenen Spannungs-Stromwandler (12) hat, um den Feldbus-Eingangsstrom (lBus) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (Us) der regelbaren Spannungsquelle (1 1 ) einzustellen, wobei die Steuer- und Regelungseinheit (13) in dem ersten Betriebsbereich (I), bei dem die Feldbus-Eingangsspannung (UBus) klei- ner als eine definierte Maximalspannung (Umax) ist, die Ausgangsspannung (Us) in Abhängigkeit von der Feldbus-Eingangsspannung (UBus) so steuert, dass ein Feldbus-Eingangsstrom (lBus) mit einem definierten konstanten Wert (lBus.max) eingestellt ist, und die Steuer- und Regelungseinheit (13) in dem zweiten Betriebsbereich (II) die Ausgangsspannung (Us) in Abhängigkeit von der Feldbus-Eingangsspannung (UBus) so regelt, dass die Feldbus-Eingangsspannung (UBus) auf dem Wert der definierten Maximalspannung (Umax) konstant gehalten wird.Claims, characterized in that the power source (3) has a controllable voltage source (1 1) and a voltage-current converter (12) connected to the controllable voltage source (1 1) in order to make the field bus input current (1 bus ) dependent from the output voltage (U s ) of the controllable voltage source (1 1), the control and regulation unit (13) in the first operating range (I) in which the fieldbus input voltage (U bus ) is small is less than a defined maximum voltage (U max ), controls the output voltage (U s ) depending on the fieldbus input voltage (U bus ) in such a way that a fieldbus input current (l bus ) with a defined constant value (l bus . max ) is set, and the control and regulating unit (13) in the second operating range (II) regulates the output voltage (U s ) as a function of the fieldbus input voltage (U bus ) so that the fieldbus input voltage (U bus ) the value of the defined maximum voltage (U max ) is kept constant.
6. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regelungseinheit (13) eine parallel an den Feldbuseingang geklemmte Reihenschaltung aus einer Zenerdiode (14) und einem Strommesselement ( 15) hat, wobei der mit dem Strommesselement (15) gemessene6. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control and regulating unit (13) has a series connection of a zener diode (14) and a current measuring element (15) clamped in parallel to the fieldbus input, the one with the Current measuring element (15) measured
Strom zur Steuerung und Regelung der Leistungsquelle (3) dient.Electricity is used to control and regulate the power source (3).
7. Eigensicheres Feldbussystem ( 1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strommesselement (15) ein Optokoppler ist und ein Integrierer ( 16) zur Aufsummierung von Impulsen des Optokopplers vorgesehen ist.7. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to claim 6, characterized in that the current measuring element (15) is an optocoupler and an integrator (16) is provided for summing up pulses of the optocoupler.
8. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs-Stromwandler (12) einen Umkehrungsvierpol hat.8. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage-current converter (12) has a four-way reversal.
9. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldbusgeräte (4) mit einem Spannungskoppler (9) an den Feldbus (2) geklemmt sind, wobei mindestens ein Spannungskoppler (9) quer zu den Feldbusleitungen zur Spannungskopplung geschaltet ist.9. intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fieldbus devices (4) with a voltage coupler (9) are clamped to the fieldbus (2), wherein at least one voltage coupler (9) is connected across the fieldbus lines for voltage coupling.
10. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanz (ZAbsch) veränderbar ist und eine Leistungsregelungseinheit zur Einstellung der Leistungsverteilung auf der Feldbusleitung durch Veränderung der Reaktanz (ZAbsch) vorgesehen ist.10. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reactance (Z Ab ) can be changed and a power control unit is provided for setting the power distribution on the fieldbus line by changing the reactance (Z Ab ).
1 1 . Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanz (ZAbsch) eine gesteuerte Induktivität ist.1 1. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reactance (Z cutoff ) is a controlled inductance.
12. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Bestimmung des Phasenunterschieds der Phase am Feldbus-Eingang und einer vorgegebenen Referenzphase, wobei die Mittel mit dem Spannungs-Stromwandler (12) und/oder der Leistungsquelle (3) zur Abregelung des Feldbus- Eingangstroms (lBus) oder der Feldbus-Eingangsspannung (UBus) in Ab- hängigkeit von dem Phasenunterschied gekoppelt sind.12. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to one of the preceding claims, characterized by means for determining the phase difference of the phase at the fieldbus input and a predetermined reference phase, the means with the voltage-current converter (12) and / or the power source ( 3) are coupled to limit the fieldbus input current (l bus ) or the fieldbus input voltage (U bus ) depending on the phase difference.
13. Eigensicheres Feldbussystem (1 ) nach Anspruch 12, wobei an die Leistungsquelle (3) ein Collins-Filter (17) angeschlossen ist und der Ausgang des Collins-Filters (17) an den Feldbus-Eingang geklemmt ist, gekennzeichnet durch Schaltmittel zur Steuerung des Potentials eines T-Punktes (T) des Collins-Filters (17), wobei Spannungsüber- wachungsmittel zur Ansteuerung der Schaltmittel (20) vorgesehen sind, um das Potential am T-Punkt (T) des Collins-Filters (17) mit den Schaltmitteln (20) zu reduzieren, wenn die Feldbus- Eingangsspannung (UBus) einen definierten maximalen Spannungswert (Umax) überschreitet, Stromüberwachungsmittel mit den Schaltmitteln gekoppelt sind, um das Potential des T-Punktes (T) des Collins-Filters (17) zu reduzieren, wenn der Feldbus-Eingangsstrom (lBus) einen definierten maximalen Stromwert (lmax) überschreitet, und Phasenüberwachungsmittel mit den Schaltmitteln (20) gekoppelt sind, um das Potential des T-Punktes (T) des Collins-Filters (17) in Abhängigkeit einer Phasenverschiebung der Phase am Feldbus-Eingang in Bezug auf eine Referenzphase zu reduzieren. 13. Intrinsically safe fieldbus system (1) according to claim 12, wherein a Collins filter (17) is connected to the power source (3) and the output of the Collins filter (17) is clamped to the fieldbus input, characterized by switching means for control the potential of a T point (T) of the Collins filter (17), voltage monitoring means being provided for controlling the switching means (20) in order to compare the potential at the T point (T) of the Collins filter (17) with the Switching means (20) to reduce if the fieldbus Input voltage (U bus ) exceeds a defined maximum voltage value (U max ), current monitoring means are coupled to the switching means in order to reduce the potential of the T-point (T) of the Collins filter (17) when the fieldbus input current (l bus ) exceeds a defined maximum current value (l max ), and phase monitoring means are coupled to the switching means (20) in order to determine the potential of the T point (T) of the Collins filter (17) as a function of a phase shift of the phase at the fieldbus input in To reduce reference to a reference phase.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202004004637U1 (en) * 2004-03-25 2004-12-09 Schiff, Andreas, Dr. Actuator-sensor (AS) interface for network with impedance as network closure end, voltage supply and network through, two-wire cable coupled to voltage supply, to which are coupled several communication appliances
DE10328532B3 (en) * 2003-06-24 2004-12-16 Bundesrepublik Deutschland, vertr. d. d. Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, dieses vertr. d. d. Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Intrinsically safe supply device has arrangement for reducing d.c. output voltage driven periodically so rising spark voltage build-up inhibited by periodic voltage reduction in event of opening spark
WO2005041484A1 (en) * 2003-10-03 2005-05-06 Gunther Rogoll Diagnostic system for a modular fieldbus board
US7509105B2 (en) 2003-08-11 2009-03-24 Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg Radio frequency excitation arrangement including a limiting circuit
US8467196B2 (en) 2005-07-21 2013-06-18 Pepperl + Fuchs Gmbh Modular fieldbus segment protector

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10245273B4 (en) * 2002-09-27 2004-10-07 Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Power supply for intrinsically safe energy supply
DE102004006507A1 (en) * 2004-02-10 2005-09-15 Siemens Ag Network and network termination for networks with a continuous two-wire network cable
DE102005001601B4 (en) * 2005-01-12 2011-07-28 Endress + Hauser GmbH + Co. KG, 79689 Field device with bus interface
EP2090946B1 (en) 2008-02-14 2011-04-06 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for receiving and transmitting signals for safety-oriented automation components

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996004735A1 (en) * 1994-08-04 1996-02-15 Siemens Aktiengesellschaft Bus node
US5589813A (en) * 1991-10-14 1996-12-31 Nielsen; Ole C. Data communication system of the field bus type with a twin lead for power supply to connect units and for data transmission between the units
US5757265A (en) * 1992-07-15 1998-05-26 Hitachi, Ltd. Multiple-cable field bus system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3931539A1 (en) * 1989-09-21 1991-04-04 Siemens Ag Terminal connector to voltage supply bus - has diode between bus and connector in front of output coupling capacitors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5589813A (en) * 1991-10-14 1996-12-31 Nielsen; Ole C. Data communication system of the field bus type with a twin lead for power supply to connect units and for data transmission between the units
US5757265A (en) * 1992-07-15 1998-05-26 Hitachi, Ltd. Multiple-cable field bus system
WO1996004735A1 (en) * 1994-08-04 1996-02-15 Siemens Aktiengesellschaft Bus node

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10328532B3 (en) * 2003-06-24 2004-12-16 Bundesrepublik Deutschland, vertr. d. d. Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, dieses vertr. d. d. Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Intrinsically safe supply device has arrangement for reducing d.c. output voltage driven periodically so rising spark voltage build-up inhibited by periodic voltage reduction in event of opening spark
US7509105B2 (en) 2003-08-11 2009-03-24 Huettinger Elektronik Gmbh + Co. Kg Radio frequency excitation arrangement including a limiting circuit
WO2005041484A1 (en) * 2003-10-03 2005-05-06 Gunther Rogoll Diagnostic system for a modular fieldbus board
EP1895711A3 (en) * 2003-10-03 2009-03-18 Pepperl + Fuchs Gmbh Diagnostic system for a modular fieldbus board
US7698103B2 (en) 2003-10-03 2010-04-13 Pepperl + Fuschs GmbH Diagnostic system for a modular fieldbus board
DE202004004637U1 (en) * 2004-03-25 2004-12-09 Schiff, Andreas, Dr. Actuator-sensor (AS) interface for network with impedance as network closure end, voltage supply and network through, two-wire cable coupled to voltage supply, to which are coupled several communication appliances
US8467196B2 (en) 2005-07-21 2013-06-18 Pepperl + Fuchs Gmbh Modular fieldbus segment protector

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