WO2005013022A1 - Service interface to be connected to field devices used in process automation - Google Patents

Service interface to be connected to field devices used in process automation Download PDF

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Thomas Gillen
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    • 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 a service interface that can be connected to a field device of process automation.
  • the invention relates to a service interface with intrinsically safe circuits.
  • Service interfaces are usually connected between a field device and a personal computer, for example also a laptop, and are used for data transmission between the computer and the field device. In this way, it is possible for an operator to read data from the field device, to change existing data there or to install new data in the field device.
  • Data here means not only data in the usual sense, such as parameters for the function of the field device, but also software programs, program parts, updates or upgrades of such software programs.
  • a field device in the sense described here has a communication output and can both be a field measuring device for recording a so-called process variable, e.g. Pressure, temperature, level, flow or limit level as well as an actuator, e.g. a valve or a slide in a pipeline.
  • process variable e.g. Pressure, temperature, level, flow or limit level
  • actuator e.g. a valve or a slide in a pipeline.
  • the service interfaces provide a kind of link between the danger area of the field devices and the computer located outside the danger zone represents.
  • the service interfaces which are connected to the described, certified explosion-proof and / or intrinsically safe field devices, also include a circuit module to ensure intrinsic safety at the output to which these field devices are connected via a cable. These service interfaces are also certified accordingly.
  • the invention is therefore based on the object of providing a certified service interface with an intrinsically safe circuit, the intrinsic safety of which is not destroyed even when connected to a non-intrinsically safe field device.
  • a service interface for connection to a field device of process automation which interface comprises a circuit module to ensure intrinsic safety, a protective circuit being provided which, when connected to a non-intrinsically safe or non-explosion-protected field device, the circuit module to ensure intrinsic safety protects against damage.
  • the protective circuit is a voltage limiter circuit.
  • the protective circuit is a current limiter circuit.
  • Still other preferred embodiments of the invention provide at least one protective resistor or at least one protective capacitance as a protective circuit.
  • Figure 1 is a schematic representation of a connection of a computer with a field device by means of a service interface according to the invention.
  • Fig. 2 is a block diagram of a preferred embodiment of the service interface according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates how the service interface 10 according to the invention is used to connect a computer 20 to a field device.
  • three field measuring devices can alternatively be connected to the service interface 10: an explosion-protected flow measuring device 40, an explosion-protected flow measuring device 42 and a non-certified fill level measuring device 44.
  • the field measuring devices shown here are examples, of course, other field measuring devices or actuators for process automation can also be used to be connected to the service interface 10.
  • an additional voltage source 30 can also be connected to the service interface 10, as shown in FIG. 1.
  • the connections from and to the service interface 10 are realized by suitable cables, not specified here.
  • FIG. 1 a separation of the potentially explosive area EX from the non-hazardous area NON-EX is illustrated in FIG. 1 by a dividing line TL.
  • the service interface 10 which is intrinsically safe itself, forms a link between the danger zone of the field devices and the computer located outside the danger zone. It is also possible that the approved Ex-protected field devices are not exposed to an explosive atmosphere when connected to the service interface 10.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of the service interface 10 according to the invention.
  • the computer 20 and optionally also the optional voltage source 30 are connected to an input 12.
  • a galvanic isolating stage 13 separates the input 12 from an output 14, to which the field devices, for example the field measuring devices 40, 42, 44 according to FIG. 1, are connected.
  • the service interface 10 is an associated intrinsically safe and appropriately certified device and therefore comprises a circuit module 15 to ensure intrinsic safety.
  • this circuit module 15 in turn comprises three Zener diodes 16a, 16b and 16c and a resistor 16d.
  • the connected explosion-protected field measuring devices 40 or 42 shown in FIG. 1 pose no problem for the service interface 10.
  • an un certified field measuring device such as the level measuring device 44 shown in FIG. 1
  • the invention provides the Zener diodes 16a, 16b, 16c and the resistor 16d of the circuit module 15 by means of a protective circuit 17 to protect.
  • the protective circuit 17 is a fuse 18 which melts when the voltages or currents are too high and reliably protects the circuit module 15. The circuit module 15 is then not destroyed and the service interface 10 can be put into operation again after the fuse 18 has been replaced.
  • Other, alternative protective circuits 17 can be implemented by means of suitable protective resistors, protective capacitors or by further voltage or current-limiting diodes.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

The invention relates to a service interface that comprises intrinsically safe electrical circuits and is used for connecting a computer to field devices utilized in process automation. If such a certified intrinsically safe service interface is connected to a non-certified field device which is neither intrinsically safe nor explosion-proof, voltages and currents which exceed those allowed by measures taken according to anti-explosion requirements can occur at the output end in case of a fault but also during normal operation such that a circuit module ensuring intrinsic safety in the service interface risks being damaged. In order to prevent this from happening, the inventive service interface (10) is provided with a protective circuit (17) for protecting the circuit module (15) so as to ensure intrinsic safety.

Description

Service-Interface zum Anschluß an Feldgeräte der Prozeßautomation Service interface for connection to process automation field devices
Die Erfindung betrifft ein Service-Interface, das mit einem Feldgeräte der Prozeßautomation verbunden werden kann. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Service-Interface mit eigensicheren Stromkreisen.The invention relates to a service interface that can be connected to a field device of process automation. In particular, the invention relates to a service interface with intrinsically safe circuits.
Service-Interfaces werden üblicherweise zwischen ein Feldgerät und einen Personal Computer, beispielsweise auch ein Laptop, geschaltet und dienen der Datenübermittlung zwischen dem Computer und dem Feldgerät. Auf diese Weise ist es einem Bediener möglich, Daten aus dem Feldgerät zu lesen, dort vorhandene Daten zu verändern oder neue Daten im Feldgerät zu installieren. Daten bedeutet hier nicht nur Daten im üblichen Sinne, wie beispielsweise Parameter zur Funktion des Feldgerätes, sondern auch Software-Programme, Programmteile, Updates oder Upgrades von solchen Software-Programmen.Service interfaces are usually connected between a field device and a personal computer, for example also a laptop, and are used for data transmission between the computer and the field device. In this way, it is possible for an operator to read data from the field device, to change existing data there or to install new data in the field device. Data here means not only data in the usual sense, such as parameters for the function of the field device, but also software programs, program parts, updates or upgrades of such software programs.
In besonderen Fällen ist es auch möglich, statt eines einzelnen Feldgeräts mehrere Feldgeräte an das Service-Interface anzuschließen. Die Verbindung eines Service-Interfaces mit einem Computer wird üblicherweise wie die Verbindung mit dem oder den Feldgeräten über Kabel hergestellt. Ein Feldgerät im hier beschriebenen Sinne hat einen Kommunikationsausgang und kann sowohl ein Feldmeßgerät zum Erfassen einer sogenannten Prozeßvariablen, wie z.B. Druck, Temperatur, Füllstand, Durchfluß oder Grenzstand sein als auch ein Stellglied, wie z.B. ein Ventil oder einen Schieber in einer Rohrleitung.In special cases it is also possible to connect several field devices to the service interface instead of a single field device. The connection of a service interface to a computer is usually established like the connection to the field device or devices via cable. A field device in the sense described here has a communication output and can both be a field measuring device for recording a so-called process variable, e.g. Pressure, temperature, level, flow or limit level as well as an actuator, e.g. a valve or a slide in a pipeline.
Bei besonderen Feldgeräten, die in einem explosionsgefährdeten oder sonst wie gefährlichen Bereich einer industriellen Produktionsanlage installiert sind und die entsprechend den nationalen Bestimmungen zum Explosionsschutz zertifiziert sein müssen, stellen die Service-Interfaces eine Art Verbindungsglied zwischen dem Gefahrenbereich der Feldgeräte und dem außerhalb der Gefahrenzone befindlichen Computer dar. Die Service-Interfaces, die mit den beschriebenen, zertifizierten explosionsgeschützten und/oder eigensicheren Feldgeräten verbunden werden, umfassen ebenfalls ein Schaltungsmodul zur Gewährleistung der Eigensicherheit an dem Ausgang, an dem über ein Kabel diese Feldgeräten angeschlossen werden. Auch diese Service-Interfaces sind entsprechend zertifiziert.In the case of special field devices that are installed in a potentially explosive or otherwise dangerous area of an industrial production plant and that must be certified in accordance with the national regulations on explosion protection, the service interfaces provide a kind of link between the danger area of the field devices and the computer located outside the danger zone represents. The service interfaces, which are connected to the described, certified explosion-proof and / or intrinsically safe field devices, also include a circuit module to ensure intrinsic safety at the output to which these field devices are connected via a cable. These service interfaces are also certified accordingly.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß es im normalen Feldbetrieb nicht verhindert werden kann, daß an zertifizierte eigensichere Seπ/ice-Interfaces auch nicht zertifizierte Feldgeräte angeschlossen werden, die weder eigensicher noch explosionsgeschutzt sind. Bei dieser Art von Feldgeräten können jedoch im Normal- und auch im Fehlerfall ausgangsseitig höhere Spannungen und Ströme auftreten als es die Maßnahmen nach den Explosionsschutz-Bestimmungen erlauben. Bei einer Datenübertragung zwischen einem zertifizierten eigensicheren Service-Interface und einem daran angeschlossenen nicht zertifizierten Feldgerät besteht dann die Gefahr von solch hohen Spannungen und/oder Strömen, die das Schaltungsmodul zur Gewährleistung der Eigensicherheit im Sen/ice-Interface zerstören können.It has been shown in practice that it cannot be prevented in normal field operation that non-certified field devices that are neither intrinsically safe nor explosion-protected are also connected to certified intrinsically safe Seπ / ice interfaces. With this type of field device, however, higher voltages and currents can occur on the output side in normal and also in the event of a fault than the measures according to the explosion protection regulations allow. When data is transferred between a certified intrinsically safe service interface and a non-certified field device connected to it, there is a risk of such high voltages and / or currents that can destroy the circuit module to ensure intrinsic safety in the Sen / ice interface.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein zertifiziertes Service- Interface mit einem eigensicheren Stromkreis zu schaffen, dessen Eigensicherheit auch beim Anschluß an ein nicht eigensicheres Feldgerät nicht zerstört wird.The invention is therefore based on the object of providing a certified service interface with an intrinsically safe circuit, the intrinsic safety of which is not destroyed even when connected to a non-intrinsically safe field device.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Service-Interface zum Anschluß an ein Feldgerät der Prozeßautomation, welches Interface eine Schaltungsmodul zur Gewährleistung der Eigensicherheit umfaßt, wobei eine Schutzbeschaltung vorgesehen ist, die beim Anschluß an ein nicht eigensicheres oder nicht explosionsgeschütztes Feldgerät das Schaltungsmodul zur Gewährleistung der Eigensicherheit vor Beschädigung schützt. Bei einer besonderen und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schutzbeschaltung eine Spannungsbegrenzer-Schaltung.This object is achieved by a service interface for connection to a field device of process automation, which interface comprises a circuit module to ensure intrinsic safety, a protective circuit being provided which, when connected to a non-intrinsically safe or non-explosion-protected field device, the circuit module to ensure intrinsic safety protects against damage. In a special and preferred embodiment of the invention, the protective circuit is a voltage limiter circuit.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schutzbeschaltung eine Strombegrenzer-Schaltung.In another preferred embodiment of the invention, the protective circuit is a current limiter circuit.
Noch andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen wenigstens einen Schutzwiderstand oder wenigstens eine Schutzkapazität als Schutzbeschaltung vor.Still other preferred embodiments of the invention provide at least one protective resistor or at least one protective capacitance as a protective circuit.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen eine Schmelzsicherung oder Dioden als Schutzbeschaltung.Further preferred embodiments of the invention include a fuse or diodes as a protective circuit.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels genauer beschrieben. Dabei zeigen :The invention is described in more detail below with reference to an embodiment shown in the accompanying drawing. Show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verbindung eines Computers mit einem Feldgerät mittels eines Service- Interface nach der Erfindung; undFigure 1 is a schematic representation of a connection of a computer with a field device by means of a service interface according to the invention. and
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Service-Interface nach der Erfindung.Fig. 2 is a block diagram of a preferred embodiment of the service interface according to the invention.
Fig. 1 veranschaulicht, wie das Service-Interface 10 nach der Erfindung zur Verbindung eines Computer 20 mit einem Feldgerät dient. Bei dem hier dargestellten Beispiel sind alternativ drei Feldmeßgeräte an das Service- Interface 10 anschließbar: ein explosionsgeschütztes Durchflußmeßgerät 40, ein explosionsgeschütztes Durchflußmeßgerät 42 und ein nicht zertifiziertes Füllstandsmeßgerät 44. Die hier dargestellten Feldmeßgeräte sind Beispiele, es können selbstverständlich auch andere Feldmeßgeräte oder Stellglieder der Prozeßautomation an das Service-Interface 10 angeschlossen werden. Optional kann an das Service-Interface 10 noch eine zusätzliche Spannungsquelle 30 angeschlossen werden, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Verbindungen vom und zum Service-Interface 10 wird durch hier nicht näher bezeichnete geeignete Kabel realisiert.1 illustrates how the service interface 10 according to the invention is used to connect a computer 20 to a field device. In the example shown here, three field measuring devices can alternatively be connected to the service interface 10: an explosion-protected flow measuring device 40, an explosion-protected flow measuring device 42 and a non-certified fill level measuring device 44. The field measuring devices shown here are examples, of course, other field measuring devices or actuators for process automation can also be used to be connected to the service interface 10. Optionally, an additional voltage source 30 can also be connected to the service interface 10, as shown in FIG. 1. The connections from and to the service interface 10 are realized by suitable cables, not specified here.
Weiterhin ist in Fig. 1 eine Trennung des explosionsgefährdeten Bereichs EX vom nicht gefährdeten Bereich NON-EX durch eine Trennungslinie TL veranschaulicht. Das Service-Interface 10, das selbst eigensicher ist, bildet ein Verbindungsglied zwischen dem Gefahrenbereich der Feldgeräte und dem außerhalb der Gefahrenzone befindlichen Computer. Es ist auch möglich, daß die zugelassenen Ex-geschützten Feldgeräte beim Anschluß an das Service- Interface 10 keiner explosionsgefährdeten Atmosphäre ausgesetzt sind.Furthermore, a separation of the potentially explosive area EX from the non-hazardous area NON-EX is illustrated in FIG. 1 by a dividing line TL. The service interface 10, which is intrinsically safe itself, forms a link between the danger zone of the field devices and the computer located outside the danger zone. It is also possible that the approved Ex-protected field devices are not exposed to an explosive atmosphere when connected to the service interface 10.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Service-Interface 10 nach der Erfindung dargestellt. An einem Eingang 12 werden wie in Fig. 1 veranschaulicht, der Computer 20 und gegebenenfalls auch die optionale Spannungsquelle 30 angeschlossen. Eine galvanische Trennstufe 13 trennt den Eingang 12 von einem Ausgang 14, an dem die Feldgeräte, beispielsweise die Feldmeßgeräte 40, 42, 44 nach Fig. 1 angeschlossen werden. Wie bereits erwähnt, ist das Service-Interface 10 ein zugehöriges eigensicheres und entsprechend zertifiziertes Gerät und umfaßt daher ein Schaltungsmodul 15 zur Gewährleistung der Eigensicherheit. Dieses Schaltungsmodul 15 wiederum umfaßt bei dem hier dargestellten Beispiel des Service-Interface 10 drei Zenerdioden 16a, 16b und 16c und einen Widerstand 16d.FIG. 2 shows a preferred embodiment of the service interface 10 according to the invention. As illustrated in FIG. 1, the computer 20 and optionally also the optional voltage source 30 are connected to an input 12. A galvanic isolating stage 13 separates the input 12 from an output 14, to which the field devices, for example the field measuring devices 40, 42, 44 according to FIG. 1, are connected. As already mentioned, the service interface 10 is an associated intrinsically safe and appropriately certified device and therefore comprises a circuit module 15 to ensure intrinsic safety. In the example of the service interface 10 shown here, this circuit module 15 in turn comprises three Zener diodes 16a, 16b and 16c and a resistor 16d.
Wie bereits oben erklärt, stellen die in Fig. 1 dargestellten angeschlossenen explosionsgeschützten Feldmeßgeräte 40 oder 42 kein Problem für das Service-Interface 10. Falls jedoch an das Service-Interface 10 ein nicht zertifiziertes Feldmeßgerät, wie z.B. das in Fig. 1 dargestellte Füllstandsmeßgerät 44 angeschlossen wird, kann es eventuell zu solch hohen Spannungen oder Strömen kommen, die über die für die Eigensicherheit zulässigen Werte übersteigen und die das Schaltungsmodul 15 zur Gewährleistung der Eigensicherheit beschädigen oder zerstören können. Um dies zu verhindern und das Schaltungsmodul 15 auch beim Anschluß eines nicht zertifiziertes Feldgerätes an den Ausgang 14 des Service-Interface 10 zu schützen, ist nach der Erfindung vorgesehen, die Zenerdioden 16a, 16b, 16c und den Widerstand 16d des Schaltungsmoduls 15 durch eine Schutzbeschaltung 17 zu schützen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Service-Interface 10 ist die Schutzbeschaltung 17 eine Schmelzsicherung 18, die bei zu hohen Spannungen oder Strömen durchschmilzt und das Schaltungsmodul 15 zuverlässig schützt. Das Schaltungsmodul 15 wird dann nicht zerstört und das Service-Interface 10 kann nach Auswechseln der Schmelzsicherung 18 wieder in Betrieb genommen werden. Andere, alternative Schutzbeschaltungen 17 sind durch geeignete Schutzwiderstände, Schutzkapazitäten oder durch weitere spannungs- oder strombegrenzende Dioden realisierbar. As already explained above, the connected explosion-protected field measuring devices 40 or 42 shown in FIG. 1 pose no problem for the service interface 10. However, if an un certified field measuring device, such as the level measuring device 44 shown in FIG. 1, is connected to the service interface 10 connected, such high voltages or currents may occur that exceed those for intrinsic safety permissible values exceed and which can damage or destroy the circuit module 15 to ensure intrinsic safety. In order to prevent this and to protect the circuit module 15 even when a non-certified field device is connected to the output 14 of the service interface 10, the invention provides the Zener diodes 16a, 16b, 16c and the resistor 16d of the circuit module 15 by means of a protective circuit 17 to protect. In the exemplary embodiment of the service interface 10 shown here, the protective circuit 17 is a fuse 18 which melts when the voltages or currents are too high and reliably protects the circuit module 15. The circuit module 15 is then not destroyed and the service interface 10 can be put into operation again after the fuse 18 has been replaced. Other, alternative protective circuits 17 can be implemented by means of suitable protective resistors, protective capacitors or by further voltage or current-limiting diodes.

Claims

Patentansprüche claims
1. Sen/ice-Interface (10) zum Anschluß an ein Feldgerät (40, 42, 44) der Prozeßautomation, welches Service-Interface (10) ein Schaltungsmodul (15; 16a, 16b, 16c, 16d) zur Gewährleistung einer Eigensicherheit umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzbeschaltung (17; 18) vorgesehen ist, die beim Anschluß an ein nicht eigensicheres Feldgerät (42) das Schaltungsmodul (15) zur Gewährleistung einer Eigensicherheit vor Beschädigung schützt.1. Sen / ice interface (10) for connection to a field device (40, 42, 44) of process automation, which service interface (10) comprises a circuit module (15; 16a, 16b, 16c, 16d) to ensure intrinsic safety , characterized in that a protective circuit (17; 18) is provided which, when connected to a non-intrinsically safe field device (42), protects the circuit module (15) from damage to ensure intrinsic safety.
2. Service-Interface (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzbeschaltung (17) eine Spannungsbegrenzer-Schaltung ist.2. Service interface (10) according to claim 1, characterized in that the protective circuit (17) is a voltage limiter circuit.
3. Service-Interface (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzbeschaltung (17) eine Strombegrenzer-Schaltung ist.3. Service interface (10) according to claim 1, characterized in that the protective circuit (17) is a current limiter circuit.
4. Service-Interface (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzbeschaltung (17) wenigstens ein Schutzwiderstand ist.4. Service interface (10) according to claim 1, characterized in that the protective circuit (17) is at least one protective resistor.
5. Sen/ice-Interface (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzbeschaltung (17) wenigstens eine Schutzkapazität ist.5. Sen / ice interface (10) according to claim 1, characterized in that the protective circuit (17) is at least one protective capacitance.
6. Service-Interface (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzbeschaltung (17) eine Schmelzsicherung (18) ist.6. Service interface (10) according to claim 1, characterized in that the protective circuit (17) is a fuse (18).
7. Service-Interface (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzbeschaltung (17) Dioden umfaßt. 7. Service interface (10) according to claim 1, characterized in that the protective circuit (17) comprises diodes.
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