WO2012007033A1 - Automatisierungsnetzwerk sowie feldgerät und netzwerkkomponente für ein automatisierungsnetzwerk - Google Patents

Automatisierungsnetzwerk sowie feldgerät und netzwerkkomponente für ein automatisierungsnetzwerk Download PDF

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WO2012007033A1
WO2012007033A1 PCT/EP2010/060073 EP2010060073W WO2012007033A1 WO 2012007033 A1 WO2012007033 A1 WO 2012007033A1 EP 2010060073 W EP2010060073 W EP 2010060073W WO 2012007033 A1 WO2012007033 A1 WO 2012007033A1
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field device
compressed air
automation
cable
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PCT/EP2010/060073
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Christoph Weiler
Gerhard Hammer
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to an automation network with at least one automation device, which is networked with at least one field device via at least one network component, which serves to connect various segments of a data transmission network, according to the preamble of claim 1 and a field device and a network component for such an automation network ,
  • the term automation device is understood to mean a device that processes a control program for influencing a process to be controlled.
  • Ge ⁇ boards are often called PLC (programmable Steue ⁇ tion), PLC (Programmable Logic Controller or short Control 1 Series) called soft PLC or soft PLC.
  • An automation ⁇ approximately device can be modular and include a programmable central unit as well as intelligent modules, assume that individual automation functions such. As weighing, axis control, regulation, etc.
  • an additional components of an automation network such as network ⁇ factory components or field devices.
  • Module which is referred to as a communication processor, are provided.
  • field device a device which can be arranged decentrally in the field, that exerts in a car ⁇ matleitersnetzwerk in the vicinity of the process to be controlled, and the functions for acquisition of process variables and / or for influencing the process.
  • Transmitter or a sensor an actuator or an actuator can generally be referred to as a field device.
  • ⁇ field devices usually have facilities, including ports overall called, for connection to a network and use for communication communication mechanisms of the automation world. Examples of such communication mechanisms based on Ethernet are PROFINET, Ethernet IP or Modbus TCP.
  • Known alternatives include PROFIBUS DP or PA, Interbus, CAN (Controller Area Network) or FF (Foundation Fieldbus).
  • an analog 4-20mA interface is to be regarded in the context of this application as a port for connecting a field device to a segment of a data transmission network.
  • the so-called network components are used to set up the network infrastructure. They are responsible for the other components of the automation network, such as B. for automation devices and field devices, transparent. That is, messages from these devices go through the network components without any process-related changes being made to them.
  • Network components e.g. As repeaters, hubs, switches, bridges or Rooter, thus exert no influence on the process itself.
  • Field devices can only be used in potentially explosive atmospheres if they satisfy the intrinsic safety type of protection due to their electrical or structural properties. For example, a spark formation is prevented by a limiting of current and voltage, which could trigger an explosion ⁇ plosion of explosive gas mixtures.
  • Field devices especially those with 4-20mA interface, are often characterized by a relatively low energy consumption. If only a small supply energy needs to be transmitted to the field device via a connection cable, an intrinsically safe design of the devices can often be implemented without major problems.
  • field devices are desired with a growing range of functions, for example with regard to diagnosis or security requirements, and extended communication possibilities. This will lead to a significant increase in their power consumption in the future. It is also intended to install Ethernet network components in potentially explosive areas in the future. The possible Power consumption of these devices is limited, however, since only about 3 watts of electrical power can be supplied by means of a conven- tional DC power supply to devices in potentially explosive areas.
  • a field device which has a generator for generating electrical operating energy from a pneumatic auxiliary power to avoid this disadvantage.
  • the generator comprises a vibra ⁇ tion converter, which is acted upon by a nozzle with pressure pulses and thus excited to vibrate.
  • the oscillations ⁇ supply converter converts the mechanical vibrations into an electrical energy signal, which is supplied to voltage converter unit of a regulator and voltage.
  • the invention has for its object to provide an automation ⁇ tion network with at least one automation device, which is networked with at least one field device via at least one network component to create, in which field devices with relatively high demand electrical operating energy in a particularly simple manner even in hazardous areas can be sufficiently supplied with energy.
  • Another object is to provide field devices or network components ⁇ for such automation network that can be installed with very little effort in an automated system in which the automation network is used.
  • the new automation ⁇ network of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features.
  • Advantageous developments of the automation network are described in the dependent claims, a field device is described in claim 5, and a network component for such an automation network is described in claim 6.
  • the invention has the advantage that the required energy is supplied to operate field ⁇ devices in hazardous areas, the field devices as compressed air, without the field devices need to be closed arrival to a separate compressed air line to advantage.
  • the field devices then convert the energy obtained in the form of compressed air by means of an energy ⁇ converter, which may include, for example, a miniaturized turbine and a generator coupled thereto, in a suitable for operation of the electronic circuits of the field device electrical energy form.
  • compressed air are called gaseous media of any chemical composition with the general notion that emit mechanical Ener gy ⁇ in their expansion.
  • Suitable energy converter consisting beispiels-, from mini turbines and generators have already been developed varied with the aim to supply equipment in places with elekt ⁇ -driven operating energy, where instead of a line-commutated current compressed air is available as an energy source.
  • the field devices are provided in an intrinsically safe manner by means of a single connection cable both a channel for data transmission and the compressed air required for the generation of energy. The installation of the new automation In this way, it is possible to implement a simple network as was the case with conventional automation networks in which data and energy transmission took place electrically via the same connection cable.
  • the at least one field device has a closed housing, the internal pressure of which can be set to a predefinable overpressure with the aid of the compressed air taken from the connecting cable.
  • This overpressure is required in the realization of a so-called Ex-p device, which can also be used in a Zone 1 hazardous area.
  • the supply of compressed air is thus used in two ways, namely on the one hand to generate the power required for the operation of electronic circuits of the field device and the other to produce an overpressure in the device housing. It can be used to adjust the overpressure advantageous Ab ⁇ air of the energy converter used for the electrical energy supply, so that no additional consumption of compressed air is produced for the overpressure.
  • the field device may be packed in a known manner into a pressure- resistant housing or the electronics of the field device may be cast in order to obtain the intrinsic safety type of protection.
  • these alternatives are usually associated with a higher production cost.
  • the line for data transmission is designed as an optical transmission ⁇ line.
  • Fiber optic cables for example, have the advantage in data transmission that they allow very high transmission rates and are unproblematic for use in potentially explosive areas.
  • a transmission of data with electrical signals for example via a twisted pair cable is possible, which can be designed as a copper cable with two or four crossed or twisted wire pairs.
  • special electrical control measures are required in the interfaces of the field device and the network component when using electrical signals for data transmission.
  • the compressed air consumption can be minimized if the network component provides the pressure depending on the one or more connected participants.
  • the pressure fed into the compressed air line is adjustable as a function of the field devices supplied with compressed air by the compressed air line.
  • the field device connected to the network component can , for example, specifically request a pressure on the compressed-air line.
  • a field device over a period of more operating energy required, this thus a corresponding request to the person concerned de network component via the data transmission channel stel ⁇ len.
  • the pressure on the compressed air line is reduced at the request of the field device. If the compressed air line ⁇ as in a case described above at the same time to produce an overpressure in the field device housing used has to be of course, ensure that the field device is constantly supplied with enough pressure as necessary to maintain the minimum overpressure.
  • the operating energy can be provided specifically in the required amount.
  • the intrinsic safety of the field devices can be achieved in a conventional manner, but particularly advantageous by generating an overpressure in the field device housing.
  • FIG. 1 shows an automation network
  • FIG. 2 shows a network component
  • FIG. 3 shows a field device
  • FIG. 5 shows a cross section of a second segment connecting ⁇ cable.
  • an automation network 1 comprises an automation device 2, field devices 5, 6, 7, 8 and 9, with which a process to be controlled, which is not shown in the figure for the sake of clarity, can be influenced, and network components 10 and 11 for connecting different segments of a data transmission network ⁇ nen.
  • the car is connected ⁇ matleiters réelle 2, while the other two ports are connected to a network segment 12 or a network segment. 13
  • the field ⁇ device 5 is connected.
  • the network component 11 has three other network segments 14, 15 and 16 to the network ⁇ segment 13 are coupled.
  • the field device 6 is connected to the network ⁇ segment 14, the field devices 7 and 8 are connected to the network segment 15 and the field device 9 is connected to the network segment sixteenth Only field devices 7, 8 and 9 are located in a potentially explosive area.
  • segment connecting cables are used which have both a line for the transmission of data and a line for supplying the field devices 7, 8 and 9 with compressed air.
  • the field devices 7, 8 and 9 produce the required electric power in each case for its operation by means of energy converters.
  • the network component 11 is therefore able, in the segment connecting cable, which are used for Realisie ⁇ tion of the network segments 15 and 16 to feed pressure air- ⁇ .
  • the data transmission network is re ⁇ al instrument in the embodiment shown on the basis of Ethernet and uses communication mechanisms according to PROFINET.
  • Segment connecting cables which are used to construct the network segments 12, 13 and 14, are designed without a compressed air line ⁇ . Since the field devices 5 and 6, by the programmable controller ⁇ 2 as well as the network components 10 and 11 are not in a hazardous area, the required for its operation energy can be supplied in electric way, without affecting the requirements of protection Müs be considered intrinsic safety ⁇ sen. Of course, it is also possible to do so as an alternative.
  • FIG. 2 shows a network component 20, which may be, for example, a switch for PROFINET.
  • a network component 20 which may be, for example, a switch for PROFINET.
  • To the network component 20 four segment ⁇ connecting cables 21, 22, 23 and 24 are connected, which are each drawn only with their reaching to the network component 20 end.
  • To connect the cable each serve ports 25, 26, 27 and 28.
  • the ports 25 and 26 are as forth ⁇ tional ports for a PROFINET connection executed.
  • the ports 27 and 28 and another port 29 to which no cable is connected in the illustrated state are designed intrinsically safe and also have a compressed air line through which in the connected cables 23 and 24 compressed air can be fed to the power supply connected field devices.
  • the compressed air line of port 29 is automatically closed by a locking device, as long as no cable is connected to this.
  • Compressed air is supplied to the ports 27, 28 and 29 within the network ⁇ station component 20 through a channel 30 which is connected to a device 31 for supplying compressed air. In the illustrated embodiment, it is
  • the device 31 shown in FIG. 2 may be a compressor which generates compressed air from ambient air sucked in from the surroundings and feeds this into the channel 30.
  • the energy required to run the Kompres ⁇ sors and the network component 20 is supplied as electrical energy via a non-illustrated in Figure 2 supply cable.
  • An intrinsically safe field device 34 is connected according to Figure 3 to a segment connecting cable 35 by means of a port 36.
  • the segment ⁇ connection cable 35 is in turn designed as a hybrid cable over which both compressed air and intrinsically safe Ethernet are guided.
  • the field device 34 draws its operating energy from an integrated energy converter 37, which has a miniaturized turbine and a generator. To fulfill the type of protection intrinsic safety, the exhaust air of the turbine is used to generate an overpressure in the housing of the field device 34. This ensures that no ignitable gas mixtures can penetrate into the housing of the field device 34. Since the field device extracts its operating energy from compressed air, comparatively consumption- intensive diagnostic or communication functions can be realized by the electronics of the field device.
  • Figure 4 shows the basic structure of a segment connecting cable 40.
  • a line 42 for compressed air and two optical fibers 43 and 44 are embedded for data transmission. It is thus a hybrid cable, which serves for optical data transmission and compressed air delivery.
  • segment connecting cable 50 shown in FIG. 5 which, in addition to a compressed air line 51, has four electrical lines 52, 53, 54 and 55 designed as twisted pair cables, which serve for data transmission by means of electrical signals. Since thus compressed air and electrical signals are transmitted via a single cable, this can also be referred to as hybrid ⁇ cable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Automatisierungsnetzwerk (1) mit wenigstens einem Automatisierungsgerät (2), das mit wenigstens einem Feldgerät (5... 9) über wenigstens eine Netzwerkkomponente (10, 11) vernetzt ist. Die Netzwerkkomponente (20) weist zumindest einen Port (27, 28, 29) zum Anschluss eines Segmentverbindungskabels (23, 24) auf, welches zumindest eine Leitung zur Übertragung von Daten (43, 44) und zumindest eine Druckluftleitung (42) aufweist. Zumindest ein Feldgerät (34) besitzt einen Port (36) zum Anschluss an das Segmentverbindungskabel (35) und einen Energiewandler (37), welcher elektrische Betriebsenergie für das Feldgerät aus der über das Segmentverbindungskabel (35) zugeführten Druckluft erzeugt. Dadurch können eigensichere Feldgeräte realisiert werden, die aufgrund eines erweiterten Funktionsumfangs einen vergleichsweise hohen Bedarf an elektrischer Energie besitzen, ohne dass diese neben einem Kabel zur Einbindung in ein Datenübertragungsnetzwerk ein zusätzliches Kabel zur Versorgung mit Betriebsenergie benötigen würden. Der mit dem Aufbau eines Automatisierungsnetzwerks verbundene Installationsaufwand wird damit erheblich reduziert.

Description

Beschreibung
Automatisierungsnetzwerk sowie Feldgerät und Netzwerkkompo¬ nente für ein Automatisierungsnetzwerk
Die Erfindung betrifft ein Automatisierungsnetzwerk mit wenigstens einem Automatisierungsgerät, das mit wenigstens einem Feldgerät über wenigstens eine Netzwerkkomponente, die zur Verbindung verschiedener Segmente eines Datenübertra- gungsnetzwerks dient, vernetzt ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Feldgerät und eine Netzwerkkomponente für ein derartiges Automatisierungsnetzwerk.
Ein derartiges Netzwerk ist bereits aus der EP 1 738 236 Bl bekannt. Dabei wird unter dem Begriff Automatisierungsgerät ein Gerät verstanden, das ein Steuerprogramm zur Beeinflussung eines zu steuernden Prozesses abarbeitet. Derartige Ge¬ räte werden häufig als SPS (speicherprogrammierbare Steue¬ rung) , PLC ( Programmable Logic Controller oder kurz Control- 1er), Soft SPS oder Soft PLC bezeichnet. Ein Automatisie¬ rungsgerät kann modular aufgebaut sein und eine programmierbare Zentraleinheit sowie intelligente Module enthalten, welche einzelne Automatisierungsfunktionen übernehmen, z. B. Wägung, Achsensteuerung, Regelung usw. Zum Anschluss an ein Netzwerk, das zum Datenaustausch mit weiteren Komponenten eines Automatisierungsnetzwerks dient, beispielsweise Netz¬ werkkomponenten oder Feldgeräten, kann ein zusätzliches
Modul, das als Kommunikationsprozessor bezeichnet wird, vorgesehen werden.
Mit dem Begriff Feldgerät wird ein Gerät bezeichnet, das dezentral im Feld angeordnet sein kann, d. h. in einem Auto¬ matisierungsnetzwerk in der Nähe des zu steuernden Prozesses, und das Funktionen zur Erfassung von Prozessgrößen und/oder zur Beeinflussung des Prozesses ausübt. Beispielsweise ein
Messumformer oder ein Sensor, ein Stellglied oder ein Aktua- tor kann allgemein als Feldgerät bezeichnet werden. Feld¬ geräte besitzen üblicherweise Einrichtungen, auch Ports ge- nannt, zum Anschluss an ein Netzwerk und nutzen zur Kommunikation Kommunikationsmechanismen der Automatisierungswelt. Beispiele für derartige Kommunikationsmechanismen auf der Basis von Ethernet sind PROFINET, Ethernet IP oder Modbus TCP. Bekannte Alternativen sind beispielsweise PROFIBUS DP oder PA, Interbus, CAN (Controller Area Network) oder FF (Foundation Fieldbus) . Auch eine analoge 4-20mA-Schnittstelle soll im Rahmen dieser Anmeldung als Port zum Anschluss eines Feldgeräts an ein Segment eines Datenübertragungsnetzwerks angesehen werden.
Die so genannten Netzwerkkomponenten dienen dem Aufbau der Netzinfrastruktur. Sie sind für die übrigen Komponenten des Automatisierungsnetzwerks, z. B. für Automatisierungsgeräte und Feldgeräte, transparent. D. h., Nachrichten dieser Geräte durchlaufen die Netzwerkkomponenten, ohne dass prozessrelevante Änderungen daran vorgenommen werden. Netzwerkkomponenten, z. B. Repeater, Hubs, Switches, Bridges oder Rooter, üben somit selbst keinen Einfluss auf den Prozessablauf aus.
Feldgeräte sind in explosionsgefährdeten Bereichen nur dann einsetzbar, wenn sie aufgrund ihrer elektrischen oder konstruktiven Eigenschaften der Zündschutzart Eigensicherheit genügen. Beispielsweise wird durch eine Begrenzung von Strom und Spannung eine Funkenbildung verhindert, welche eine Ex¬ plosion von explosionsfähigen Gasgemischen auslösen könnte. Feldgeräte, insbesondere diejenigen mit 4-20mA-Schnittstelle, zeichnen sich häufig durch einen relativ geringen Energieverbrauch aus. Muss nur wenig Versorgungsenergie über ein Verbindungskabel zum Feldgerät hin übertragen werden, so ist eine eigensichere Ausführung der Geräte häufig ohne große Probleme realisierbar. Feldgeräte werden jedoch mit einem wachsenden Funktionsumfang, beispielsweise bezüglich Diagnose oder Sicherheitsanforderungen, und erweiterten Kommunika- tionsmöglichkeiten gewünscht. Dies führt künftig zu einer deutlichen Erhöhung ihrer Leistungsaufnahme. Weiterhin ist beabsichtigt, zukünftig auch Ethernet-Netzwerkkomponenten in explosionsgefährdeten Bereichen zu installieren. Die mögliche Leistungsaufnahme dieser Geräte ist jedoch begrenzt, da nur etwa 3 Watt elektrischer Leistung mittels einer konventionel¬ len Gleichstromversorgung Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen zugeführt werden können.
Bei Feldgeräten mit 4-20mA-Schnittstelle wird häufig die zu ihrem Betrieb erforderliche Energie aus dem 4-20mA-Signal der Schnittstelle abgeleitet. Die Ableitung der elektrischen Energie allein aus diesem Signal hat den Nachteil, dass lediglich eine sehr begrenzte Energiemenge zum Betrieb der elektronischen Schaltungsteile des Feldgeräts zur Verfügung steht. Aus der WO 2008/098583 AI ist ein Feldgerät bekannt, das zur Vermeidung dieses Nachteils einen Generator zur Erzeugung elektrischer Betriebsenergie aus einer pneumatischen Hilfsenergie aufweist. Der Generator umfasst einen Schwin¬ gungswandler, der durch eine Düse mit Druckimpulsen beaufschlagt und so zu Schwingungen angeregt wird. Der Schwin¬ gungswandler wandelt die mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Energiesignal um, das einer Regler- und Span- nungskonvertereinheit zugeführt wird. Diese liefert auf einer Leitung eine Ausgangsspannung zur Versorgung der elektrischen Schaltkreise des Feldgeräts mit der erforderlichen Betriebs¬ energie. Bei dem bekannten Feldgerät muss daher zusätzlich zu einer Leitung zur Übertragung von Daten, die für die Anbin- dung des Feldgeräts an ein Automatisierungsnetzwerk benötigt wird, eine Druckluftleitung zur Zuführung der erforderlichen Druckluft angeschlossen werden. Eine automatisierungstechnische Anlage, in welcher die bekannten Feldgeräte zur Prozess¬ instrumentierung eingesetzt werden, ist daher in nachteiliger Weise mit einem erhöhten Installationsaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Automatisie¬ rungsnetzwerk mit wenigstens einem Automatisierungsgerät, das mit wenigstens einem Feldgerät über wenigstens eine Netzwerk- komponente vernetzt ist, zu schaffen, in welchem Feldgeräte mit vergleichsweise hohem Bedarf elektrischer Betriebsenergie in besonders einfacher Weise selbst in explosionsgefährdeten Bereichen ausreichend mit Energie versorgt werden können. Eine weitere Aufgabe besteht darin, Feldgeräte oder Netzwerk¬ komponenten für ein derartiges Automatisierungsnetzwerk bereitzustellen, die mit besonders geringem Aufwand in einer automatisierungstechnischen Anlage, in welcher das Automati- sierungsnetzwerk zum Einsatz kommt, installiert werden können .
Zur Lösung dieser Aufgaben weist das neue Automatisierungs¬ netzwerk der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den ab¬ hängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Automatisierungsnetzwerks, in Anspruch 5 ein Feldgerät sowie in Anspruch 6 eine Netzwerkkomponente für ein derartiges Automatisierungsnetzwerk beschrieben .
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die zum Betrieb von Feld¬ geräten in explosionsgefährdeten Bereichen erforderliche Energie den Feldgeräten als Druckluft zugeführt wird, ohne dass die Feldgeräte an eine gesonderte Druckluftleitung an- geschlossen werden müssen. Die Feldgeräte wandeln dann die in Form von Druckluft erhaltene Energie mittels eines Energie¬ wandlers, der beispielsweise eine miniaturisierte Turbine und einen mit dieser gekoppelten Generator enthalten kann, in eine zum Betrieb der elektronischen Schaltkreise des Feld- geräts geeignete elektrische Energieform um. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden mit dem allgemeinen Begriff Druckluft gasförmige Medien beliebiger chemischer Zusammensetzung bezeichnet, die bei ihrer Expansion mechanische Ener¬ gie abgeben. Geeignete Energiewandler, bestehend beispiels- weise aus Miniturbinen und Generatoren, wurden bereits vielfältig mit dem Ziel entwickelt, Geräte an Stellen mit elekt¬ rischer Betriebsenergie zu versorgen, an denen anstatt eines netzgeführten Stroms Druckluft als Energiequelle vorhanden ist. In vorteilhafter Weise werden gemäß der vorliegenden Er- findung den Feldgeräten mittels eines einzigen Verbindungskabels sowohl ein Kanal zur Datenübertragung als auch die für die Energiegewinnung erforderliche Druckluft auf eigensichere Weise bereitgestellt. Die Installation des neuen Automatisie- rungsnetzwerks ist somit in ebenso einfacher Weise möglich, wie dies bei herkömmlichen Automatisierungsnetzwerken der Fall war, in welchen Daten- und Energieübertragung elektrisch über dasselbe Verbindungskabel erfolgte. In vorteilhafter Weise ermöglicht nun jedoch die Verwendung von Druckluft als Energieträger für die Übertragung der Betriebsenergie in ebenfalls eigensicherer Weise die Übertragung einer erheblich größeren Leistung und damit zudem die Realisierung zusätzlicher nützlicher Funktionen in den Feldgeräten. Selbst die Kabelverriegelung, mit welcher ein unbeabsichtigtes Lösen des Verbindungskabels am Feldgerät verhindert wird, kann in ver¬ gleichsweise einfacher Ausführungsform realisiert werden. Ähnlich wie bei herkömmlichen elektrischen Verbindungskabeln kann die Verriegelung des Steckverbinders beispielsweise mit einem Schraub- oder Baj onettverschluss oder mit einer lös¬ baren Rastverriegelung realisiert sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das zumindest eine Feldgerät ein geschlossenes Gehäuse auf, dessen Innendruck mit Hilfe der aus dem Verbindungskabel entnommenen Druckluft auf einen vorgebbaren Überdruck einstellbar ist. Dieser Überdruck ist bei der Realisierung eines so genannten Ex-p-Geräts erforderlich, das auch in einem explosionsgefährdeten Bereich Zone 1 eingesetzt werden kann. Die Zuführung von Druckluft wird somit in zweifacher Funktion genutzt, nämlich zum einen zur Erzeugung der zum Betrieb elektronischer Schaltkreise des Feldgeräts erforderlichen Energie und zum anderen zur Herstellung eines Überdrucks im Gerätegehäuse. Dabei kann zur Einstellung des Überdrucks vorteilhaft Ab¬ luft des für die elektrische Energieversorgung verwendeten Energiewandlers genutzt werden, so dass für den Überdruck kein zusätzlicher Verbrauch an Druckluft entsteht.
Alternativ dazu kann das Feldgerät zur Erlangung der Zünd- schutzart Eigensicherheit in bekannter Weise in ein druck¬ festes Gehäuse gepackt oder die Elektronik des Feldgeräts vergossen werden. Diese Alternativen sind jedoch meist mit einem höheren Herstellungsaufwand verbunden. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leitung zur Datenübertragung als optische Übertragungs¬ leitung ausgeführt. Beispielsweise Glasfaserkabel haben bei der Datenübertragung den Vorteil, dass sie sehr hohe Über- tragungsraten ermöglichen und für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen unproblematisch sind. Alternativ dazu ist selbstverständlich eine Übertragung von Daten mit elektrischen Signalen beispielsweise über ein Twisted-Pair- Kabel möglich, welches als Kupferkabel mit zwei oder vier gekreuzten oder verdrillten Adernpaaren ausgeführt sein kann. Für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen sind bei Verwendung elektrischer Signale zur Datenübertragung spezielle schaltungstechnische Maßnahmen in den Schnittstellen des Feldgeräts und der Netzwerkkomponente erforderlich.
In vorteilhafter Weise kann der Druckluftverbrauch minimiert werden, wenn die Netzwerkkomponente den Druck abhängig von dem oder den jeweils angeschlossenen Teilnehmern bereitstellt. Dazu ist der in die Druckluftleitung eingespeiste Druck in Abhängigkeit der durch die Druckluftleitung mit Druckluft versorgten Feldgeräte einstellbar. Sowohl die
Bereitstellung in vorbestimmbaren Zeitintervallen als auch die Regulierung des angelegten Drucks auf ein gewünschtes Niveau sind möglich. Durch Kommunikation mittels Daten- Übertragung kann das jeweils an die Netzwerkkomponente an¬ geschlossene Feldgerät beispielsweise einen Druck auf der Druckluftleitung gezielt anfordern. Wenn ein Feldgerät über einen gewissen Zeitraum mehr Betriebsenergie benötigt, kann dieses somit eine entsprechende Anforderung an die betreffen- de Netzwerkkomponente über den Datenübertragungskanal stel¬ len. Ebenso ist es möglich, dass zur Energieeinsparung in einer Ruhephase der Druck auf der Druckluftleitung auf Anforderung des Feldgeräts reduziert wird. Wird die Druckluft¬ leitung wie in einem weiter oben beschriebenen Fall gleich- zeitig zur Erzeugung eines Überdrucks im Feldgerätegehäuse genutzt, muss dabei selbstverständlich sichergestellt werden, dass das Feldgerät ständig mit so viel Druck versorgt wird, wie zur Aufrechterhaltung des Mindestüberdrucks erforderlich ist .
Zusammenfassend ergeben sich somit die folgenden Vorteile: - Es wird, vergleichbar zu einer Power over Ethernet (PoE)- Verbindung, nur ein Kabel zu einem Feldgerät geführt, über welches das Gerät mit Energie und Daten in eigensicherer Form versorgt wird.
- Die Betriebsenergie kann gezielt in der bedarfsgerechten Menge bereitgestellt werden.
- Eine Einstellung der gewünschten Energiemenge ist vergleichsweise einfach möglich.
- Ebenso ist ein Abschalten der Energiezufuhr schnell und einfach möglich.
- Bei Bedarf können auch vergleichsweise hohe Energiemengen aufgrund der Verwendung von Druckluft zur Energieübertra¬ gung bereitgestellt werden.
- Die Eigensicherheit der Feldgeräte kann auf herkömmliche Art, besonders vorteilhaft jedoch durch Erzeugen eines Überdrucks im Feldgerätegehäuse, erreicht werden.
- Bei Erzeugen eines Überdrucks im Feldgerätegehäuse ergeben sich gegenüber einer druckfesten Gehäuseausführung Gewichtsvorteile und das Problem einer Kondensatbildung kann vergleichsweise einfach gelöst werden.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Automatisierungsnetzwerk,
Figur 2 eine Netzwerkkomponente,
Figur 3 ein Feldgerät,
Figur 4 einen Querschnitt eines ersten Segmentverbindungs- kabels und
Figur 5 einen Querschnitt eines zweiten Segmentverbindungs¬ kabels . Ein Automatisierungsnetzwerk 1 umfasst gemäß Figur 1 ein Automatisierungsgerät 2, Feldgeräte 5, 6, 7, 8 und 9, mit welchen ein zu steuernder Prozess, welcher in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist, beeinflussbar ist, sowie Netzwerkkomponenten 10 und 11, die zur Verbindung verschiedener Segmente eines Datenübertragungsnetzwerks die¬ nen. An einem Port der Netzwerkkomponente 10 ist das Auto¬ matisierungsgerät 2 angeschlossen, während die beiden anderen Ports mit einem Netzwerksegment 12 bzw. einem Netzwerksegment 13 verbunden sind. An das Netzwerksegment 12 ist das Feld¬ gerät 5 angeschlossen. Durch die Netzwerkkomponente 11 sind drei weitere Netzwerksegmente 14, 15 und 16 mit dem Netzwerk¬ segment 13 gekoppelt. Das Feldgerät 6 ist an das Netzwerk¬ segment 14, die Feldgeräte 7 und 8 sind an das Netzwerk- segment 15 und das Feldgerät 9 ist an das Netzwerksegment 16 angeschlossen. Lediglich die Feldgeräte 7, 8 und 9 befinden sich in einem explosionsgefährdeten Bereich. Zur Realisierung der Netzwerksegmente 15 und 16 werden daher Segmentverbindungskabel eingesetzt, die sowohl eine Leitung zur Übertra- gung von Daten als auch eine Leitung zur Versorgung der Feldgeräte 7, 8 und 9 mit Druckluft aufweisen. Aus der zugeführ¬ ten Druckluft erzeugen die Feldgeräte 7, 8 und 9 die jeweils zu ihrem Betrieb erforderliche elektrische Energie mit Hilfe von Energiewandlern. Die Netzwerkkomponente 11 ist daher in der Lage, in die Segmentverbindungskabel, die zur Realisie¬ rung der Netzwerksegmente 15 und 16 eingesetzt werden, Druck¬ luft einzuspeisen. Das Datenübertragungsnetzwerk ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf der Basis von Ethernet re¬ alisiert und nutzt Kommunikationsmechanismen gemäß PROFINET. Segmentverbindungskabel, die zum Aufbau der Netzwerksegmente 12, 13 und 14 verwendet werden, sind ohne eine Druckluft¬ leitung ausgeführt. Da sich die Feldgeräte 5 und 6, das Auto¬ matisierungsgerät 2 sowie die Netzwerkkomponenten 10 und 11 nicht in einem explosionsgefährdeten Bereich befinden, kann die zu ihrem Betrieb erforderliche Energie in elektrischer Weise zugeführt werden, ohne dass hierbei die Anforderungen der Zündschutzart Eigensicherheit berücksichtigt werden müs¬ sen. Selbstverständlich ist es alternativ dazu ebenso mög- lieh, auch die Netzwerkkomponente 11, welcher die zur Spei¬ sung der Netzwerksegmente 15 und 16 erforderliche Druckluft zugeführt wird, wie es in Figur 1 durch einen Pfeil 17 symbo¬ lisiert ist, mit einem Energiewandler zu versehen, der die zum Betrieb der Netzwerkkomponente 11 notwendige elektrische Energie aus Druckluft gewinnt. Abweichend von dem beschriebe¬ nen Ausführungsbeispiel, in welchem PROFINET genutzt wird, können selbstverständlich auch andere Netzwerktypen zum Einsatz kommen.
In Figur 2 ist eine Netzwerkkomponente 20 dargestellt, bei welcher es sich beispielsweise um einen Switch für PROFINET handeln kann. An die Netzwerkkomponente 20 sind vier Segment¬ verbindungskabel 21, 22, 23 und 24 angeschlossen, die jeweils nur mit ihrem an die Netzwerkkomponente 20 reichenden Ende eingezeichnet sind. Zum Anschluss der Kabel dienen jeweils Ports 25, 26, 27 bzw. 28. Die Ports 25 und 26 sind wie her¬ kömmliche Ports für einen PROFINET-Anschluss ausgeführt. Die Ports 27 und 28 sowie ein weiterer Port 29, an welchen im dargestellten Zustand kein Kabel angeschlossen ist, sind dagegen eigensicher ausgeführt und verfügen zudem über eine Druckluftleitung, über welche in die angeschlossenen Kabel 23 und 24 Druckluft zur Energieversorgung angeschlossener Feldgeräte eingespeist werden kann. Die Druckluftleitung des Ports 29 ist durch eine Sperrvorrichtung automatisch verschlossen, solange kein Kabel an diesen angeschlossen wird. Druckluft wird den Ports 27, 28 und 29 innerhalb der Netz¬ werkkomponente 20 durch einen Kanal 30 zugeführt, der mit einer Einrichtung 31 zur Druckluftversorgung verbunden ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der
Einrichtung 31 um einen Druckregler, welchem von außen bereits komprimierte Druckluft zugeführt wird. In Figur 2 ist dies durch einen Pfeil 32 angedeutet. Durch die Einrichtung 31 wird der auf den Kanal 30 gegebene Druck in Abhängigkeit des jeweiligen Bedarfs, welchen an die Segmentverbindungs¬ kabel 23 und 24 angeschlossene, in Figur 2 nicht dargestellte Feldgeräte der Netzwerkkomponente 20 über das Datennetzwerk anzeigen, eingestellt. Bei den Segmentverbindungskabeln 23 und 24 handelt es sich somit um Hybridkabel, über welche gleichzeitig Daten und Druckluft übertragbar sind. Die Netz¬ werkkomponente 20 ist mit einem in Figur 2 nicht dargestell¬ ten Energiewandler versehen, durch welchen aus der zugeführ- ten Druckluft die zum Betrieb der Netzwerkkomponente 20 er¬ forderliche elektrische Energie gewonnen wird.
Abweichend vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann es sich bei der in Figur 2 gezeigten Einrichtung 31 um einen Kompressor handeln, welcher aus von der Umgebung angesaugter Umgebungsluft Druckluft erzeugt und diese in den Kanal 30 einspeist. In diesem Fall wird die zum Betrieb des Kompres¬ sors sowie der Netzwerkkomponente 20 benötigte Energie als elektrische Energie über ein in Figur 2 nicht dargestelltes Versorgungsanschlusskabel zugeführt.
Ein eigensicher ausgeführtes Feldgerät 34 ist gemäß Figur 3 an ein Segmentverbindungskabel 35 mit Hilfe eines Ports 36 angeschlossen. In Figur 3 ist lediglich das mit dem Feldgerät 34 verbundene Ende des Kabels 35 gezeichnet. Das Segment¬ verbindungskabel 35 ist wiederum als Hybridkabel ausgeführt, über welches sowohl Druckluft als auch eigensicheres Ethernet geführt sind. Das Feldgerät 34 bezieht seine Betriebsenergie aus einem integrierten Energiewandler 37, der eine miniaturi- sierte Turbine sowie einen Generator besitzt. Zur Erfüllung der Zündschutzart Eigensicherheit wird die Abluft der Turbine zur Erzeugung eines Überdrucks im Gehäuse des Feldgeräts 34 genutzt. Dadurch ist sichergestellt, dass in das Gehäuse des Feldgeräts 34 keine zündfähigen Gasgemische eindringen kön- nen. Da das Feldgerät seine Betriebsenergie aus Druckluft gewinnt, können vergleichsweise verbrauchsintensive Diagnose¬ oder Kommunikationsfunktionen durch die Elektronik des Feldgeräts 34 realisiert werden. In vorteilhafter Weise genügt zum Betrieb des Feldgeräts 34 der Anschluss lediglich eines einzigen Kabels 35, mit welchem das Feldgerät 34 beispiels¬ weise in das in Figur 1 dargestellte Automatisierungsnetzwerk 1 eingebunden werden kann. Figur 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Segmentverbindungskabels 40. In einer Ummantelung 41 sind eine Leitung 42 für Druckluft sowie zwei optische Lichtleitfasern 43 und 44 zur Datenübertragung eingebettet. Es handelt sich somit um ein Hybridkabel, welches zu einer optischen Datenübertragung und einer Druckluftförderung dient.
Eine alternative Ausführung ist das in Figur 5 gezeigte Segmentverbindungskabel 50, welches zusätzlich zu einer Druckluftleitung 51 vier als Twisted-Pair-Kabel ausgeführte elektrische Leitungen 52, 53, 54 und 55 aufweist, die zur Datenübertragung mit Hilfe von elektrischen Signalen dienen. Da somit Druckluft und elektrische Signale über ein einziges Kabel übertragen werden, kann dieses ebenfalls als Hybrid¬ kabel bezeichnet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Automatisierungsnetzwerk mit wenigstens einem Automatisierungsgerät (2), das mit wenigstens einem Feldgerät (5 ... 9) über wenigstens eine Netzwerkkomponente (10, 11), die zur Verbindung verschiedener Segmente (12 ... 16) eines Datenübertragungsnetzwerks dient, vernetzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine Netzwerkkomponente (20) zumindest einen Port (27 ... 29) zum Anschluss eines Segmentverbindungskabels (23, 24) aufweist, welches zumindest eine Leitung (43, 44) zur Übertragung von Daten und zumindest eine Druckluftleitung (42) aufweist, wobei durch die Netzwerkkomponente Druckluft in das Segmentverbindungskabel einspeisbar ist, und dass zumindest ein Feldgerät (34) zumindest einen Port (36) zum Anschluss des Segmentverbindungskabels (35) aufweist, wobei das Feldgerät einen Energiewandler (37) zur Erzeugung elektrischer Betriebsenergie für das Feldgerät aus Druckluft aufweist, welche durch das Feldgerät aus dem Segmentverbin- dungskabel entnehmbar ist.
2. Automatisierungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Feldgerät (34) ein ge¬ schlossenes Gehäuse aufweist, dessen Innendruck mit Hilfe der aus dem Segmentverbindungskabel (35) entnommenen Druckluft auf einen vorgebbaren Überdruck einstellbar ist.
3. Automatisierungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zur
Datenübertragung eine optische Übertragungsleitung (43, 44) ist .
4. Automatisierungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Netzwerkkomponente (20) derart ausgebildet ist, dass der in die Druckluftleitung eingespeiste Druck in Abhängigkeit der durch die Druckluftleitung mit Druckluft versorgten Feldgeräte einstellbar ist.
5. Feldgerät für ein Automatisierungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen Energiewandler (37) zur Erzeugung elektrischer Betriebsenergie für das Feldgerät aus Druckluft aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Feldgerät mit einem Port (36) an ein Segmentverbin¬ dungskabel (35) anschließbar ist, welches zumindest eine Lei¬ tung zur Übertragung von Daten und zumindest eine Leitung zur Übertragung der Druckluft aufweist, und
dass die Druckluft durch das Feldgerät aus dem Segmentverbin¬ dungskabel entnehmbar ist.
6. Netzwerkkomponente für ein Automatisierungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzwerkkomponente (20) zumindest einen Port (27, 28, 29) zum Anschluss eines Segmentverbindungskabels (23, 24) aufweist, welches zumindest eine Leitung zur Übertragung von Daten und zumindest eine Druckluftleitung aufweist, wobei durch die Netzwerkkomponente Druckluft in das Segmentverbindungskabel einspeisbar ist.
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Citations (4)

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