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Die Erfindung betrifft ein Speisesystem für einen Feldbus in explosionsgef?hrdeten verfahrenstechnischen Anlagen.

Feldbusse sind elektrische Einrichtungen zur Kommunikation zwischen im Feldbereich angeordneten Feldger?ten wie Sensoren, Aktoren und Me?umformer einerseits und im Wartenbereich angeordneten Steuerungs- und Regelungssystemen andererseits. üblicherweise ist ein Feldbus als Zweidrahtleitung ausgeführt, die gleichzeitig zur übertragung der Speiseleistung der angeschlossenen Feldger?te dient. Die Kommunikation erfolgt analog über eine übliche 0/4...20 mA-Stromschleife oder digital, beispielsweise mittels FSK-Modulation oder mit einer kombiniert analog/digitalen Signalübertragung.

Zur Verwendung in explosionsgef?hrdeten Anlagen sind an elektrische Einrichtungen besondere Anforderungen gestellt, um einen m?glichen Explosionsunfall auszuschlie?en. Diese Anforderungen sind in sogenannten Zündschutzarten zusammengefa?t. Wegen der einfachen Handhabung bei Installation, Wartung und Reparatur wird für elektrische Einrichtungen an Stromkreisen im Feldbereich die Zündschutzart "Eigensicherheit", im folgenden Ex'i' genannt, bevorzugt.

Aus der Zeitschrift "Automatisierungstechnische Praxis 33 (1991) 9", Seiten 469-473, sind eine Reihe von Konzepten für Feldbussysteme für den Einsatz in explosionsgef?hrdeten Bereichen bekannt. Im Bild 1a ist die Struktur eines ersten Feldbussystems gezeigt, das ausgehend von einer sogenannten proze?nahen Komponente, im folgenden PNK genannt, eine einzige Zweidrahtleitung zur Kommunikation und Speisung der Feldger?te vorsieht, an die die einzelnen Feldger?te angeschlossen sind. Das Feldbussystem ist ausschlie?lich in Ex'i' ausgeführt. Die Besonderheit dieser Zündschutzart liegt darin, da? es w?hrend des laufenden Betriebes gestattet ist, den in Ex'i' ausgeführten Stromkreis an beliebiger Stelle zu ?ffnen, kurzzuschlie?en und/oder zu erden. Die Leistung in einem Ex'i'-Stromkreis ist derart begrenzt, da? bei o.g. Handlungen sowohl zündende Funken als auch explosionsausl?sende Erw?rmungen von Bauelementen innerhalb des Ex'i'-Stromkreises sicher vermieden werden. Aus der Leistungsbegrenzung resultiert, da?, wie aus der Zeitschrift "Automatisierungstechnische Praxis 34 (1992) 11", Seiten 617-622, bekannt ist, weniger als 10 reale Feldger?te an einen derart ausgeführten Feldbus in Bereichen der Explosionsgruppe IIC anschlie?bar sind. Die Begrenzung auf 10 Feldger?te an einen Feldbus reicht aber nicht aus, da neben Analogsignalen für viele Me?umformerger?te oder Stellumformerger?te auch gleichzeitig Bin?rsignale für Kontakte, N?herungsinitiatoren und Magnetventile zu übertragen sind.

In Bild 1b ist die Struktur eines zweiten Feldbussystems gezeigt, bei dem die Kommunikation über eine Ex'i' ausgeführte Zweidrahtleitung realisiert ist und die Speisung der einzelnen Feldger?te über jeweils separate Zuleitungen für die Hilfsenergie erfolgt. Das bedeutet zwar, da? einerseits eine Vielzahl von Feldger?ten an einen Feldbus anschlie?bar ist, aber andererseits für n Feldger?te n+1 Leitungspaare aus dem Wartenbereich an die Feldger?te zu, führen sind. Um die beschriebenen Vorzüge des in Ex'i' ausgeführten Feldbusses nutzen zu k?nnen, müssen zwangsl?ufig auch die Stromkreise der erforderlichen n Speiseleitungspaare in der Zündschutzart Ex'i' ausgeführt sein.

Ein drittes Feldbussystem ist in Bild 1c gezeigt, das eine Kombination aus dem ersten und dem zweiten Feldbussystem darstellt, wobei eine Mehrzahl von Feldger?ten blockweise mit einer separat heranzuführenden und einzuspeisenden Hilfsenergie versorgt wird. Zur Kommunikation sind mehrere Bl?cke an einen Feldbus geschaltet. Jedoch ist weiterhin eine Vielzahl von Leitungspaaren zwischen dem Wartenbereich und den Bl?cken von Feldger?ten erforderlich.

Weiterhin ist in Bild 1d ein viertes Feldbussystem dargestellt, bei dem zwar eine Zweidrahtleitung zur Kommunikation und Speisung der Feldger?te genügt, aber jedem Feldger?t eine Sicherheitsbarriere zugeordnet werden mu?, um das Feldger?t an einem Ex'i'-Stromkreis betreiben zu k?nnen. Der Feldbus selbst ist als nichteigensicherer Stromkreis ausgeführt. Die im Feldbereich angeordneten Sicherheitsbarrieren sind zus?tzlich druckfest gekapselt, Ex'd', also mit mechanisch aufwendig gefertigten, pa?genauen Ummantelungen versehen. Jede Barriere umfa?t jeweils Mittel zur Strombegrenzung, zur Spannungsbegrenzung, zum Potentialausgleich und zum thermischen Schutz für nachgeschaltete Bauelemente. Die Montage von Barrieren ist bisher nur im nicht-explosionsgef?hrdeten Bereich gestattet. Darüber hinaus ist jede Umrüstung, Aufrüstung oder sonstige Manipulation an Betriebsmitteln der Zündschutzarten Ex'e' und Ex'd' ausschlie?lich im abgeschalteten Zustand gestattet.

Die PNK ist bei angeschlossenen, eigensicheren Stromkreisen üblicherweise mit Mitteln zur Potentialtrennung sowie Mitteln zur Begrenzung von Strom und Spannung ausgestattet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Speisesystem für einen Feldbus in explosionsgef?hrdeten Bereichen anzugeben, bei dem der Verkabelungsaufwand minimal ist, der auf die Verwendung weniger, konstruktiv einfacher Zündschutzarten beschr?nkt ist und der den Anschlu? einer Vielzahl von Feldger?ten sowie deren freizügige Manipulation im Sinne der Schutzart Eigensicherheit im laufenden Betrieb gestattet.

Ausgehend von einem Feldbus, bei dem die Kommunikation und die Speisung der angeschlossenen Feldger?te über dasselbe Adernpaar erfolgt, wird diese Aufgabe erfindungsgem?? dadurch gel?st, da? die Mittel zur Strom- und Spannungsbegrenzung r?umlich getrennt angeordnet und über einen nichteigensicheren Stromkreis verbunden sind.

Im Wartenbereich ist eine PNK vorgesehen, die mit Mitteln zur Spannungs- oder Strombegrenzung und zur galvanisch getrennten Einspeisung der Hilfsenergie für die Feldger?te ausgestattet ist. Im Feldbereich ist ein Verteiler mit einem Eingangsklemmenpaar und einer Vielzahl von Ausgangsklemmenpaaren vorgesehen. Die Ausgangsklemmenpaare sind eingeteilt in eigensichere und optionale nichteigensichere Anschlu?paare. Den eigensicheren Anschlu?paaren sind jeweils Mittel zur Strom- oder Spannungsbegrenzung zugeordnet.

Optional sind der Feldbus und die PNK redundant ausgeführt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Verteiler kaskadiert an einen Feldbus anschaltbar.

Vorteilhafterweise genügt eine Zweidrahtleitung zwischen der PNK im Wartenbereich und dem abgesetzten Verteiler im Feldbereich zur Kommunikation einer im Wartenbereich vorgesehenen Steuerung mit allen einem Feldbus zugeordneten Feldger?ten und zur Speisung aller über den Verteiler an den Feldbus angeschlossenen Feldger?te. Der Feldbus ist als nichteigensicherer Stromkreis und der Verteiler in der Schutzart Ex'e' ausgeführt, so da? neben der feldger?teseitig geforderten Schutzart Ex'i' auf mechanisch aufwendig zu realisierende Schutzarten verzichtet werden kann.

Die maximale Anzahl anschlie?barer Feldger?te ist unabh?ngig von der Leistungsbegrenzung in eigensicheren Stromkreisen und ist nur noch durch das kaskadierbare Leistungsverm?gen der PNK bestimmt. Bei Spannungsbegrenzung in der PNK kann der Strom im Feldbus hohe Werte annehmen, w?hrend bei Strombegrenzung in der PNK di Spannung hohe Werte annehmen kann, so da? sehr hohe Leistungen ins Feld übertragen werden k?nnen.

Von besonderem Vorteil ist, da? mit dem erfindungsgem??en Speisesystem Feldger?te, die der Schutzart "Eigensicherheit" genügen, zusammen mit Feldger?ten in konventionellen Zündschutzarten, wie z. B. "erh?hte Sicherheit", überdruckkapselung, Sandkapselung, druckfeste Kapselung und Vergu?kapselung, an denselben Feldbus anschlie?bar sind. Dadurch k?nnen kurze übertragungswege zwischen beiden Feldger?tearten realisiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen n?her erl?utert. Es zeigen:

Fig. 1

Darstellung eines Speisesystems für einen Feldbus mit Spannungsbegrenzung in der Warte und Strombegrenzung im Feld.

Fig. 2

Darstellung wie Fig. 1, jedoch mit redundant ausgeführtem Feldbus und PNK,

Fig. 3

Darstellung wie Fig. 1 mit zus?tzlichen Feldger?ten in konventionellen Zündschutzarten.

Fig. 4

Darstellung eines Speisesystems für einen Feldbus mit Strombegrenzung in der Warte und Spannungsbegrenzung

Fig. 5

Darstellung wie Fig. 4 mit redundant ausgeführtem Feldbus und PNK,

Fig. 6

Darstellung wie Fig. 4 mit zus?tzlichen Feldger?ten in konventionellen Zündschutzarten.

Gem?? Fig. 1 ist im Wartenbereich 10 eine PNK 12 vorgesehen, die jeweils galvanisch voneinander getrennte Stromkreise für die Einspeisung der Hilfsenergie 13 für den Wartenbus 11 und für den Feldbus 22 aufweist. An den Wartenbus 11 sind Einrichtungen zur Proze?steuerung, -regelung und -visualisierung anschlie?bar. Der Feldbus 22 ist als nichteigensicherer Stromkreis 26 ausgeführt und im Feldbereich 20 (Zone 1) an einen Verteiler 21 über Klemmen in erh?hter Sicherheit 215, angeschlossen. Diese Anschlu?klemmen sind gegen Selbstlockern und Selbstl?sen gesichert. Der Verteiler 21 ist mit Sammelleitern 211 ausgestattet, die an den Feldbus 22 angeschlossen sind. Der Verteiler 21 weist darüber hinaus eine Mehrzahl von Anschlüssen für eigensichere Stromkreise 25 auf, denen jeweils Mittel zur Strombegrenzung (ohm'sch oder elektronisch) zugeordnet sind. Die Mittel zur Strombegrenzung sind in der Fig. 1 als ohmsche Widerst?nde 212 ausgeführt und an die Sammelleiter 211 angeschlossen. Im Feldbereich sind darüber hinaus station?re eigensichere Feldger?te 23 dargestellt, die über eigensichere Stromkreise 25 an den Verteiler 21 angeschlossen sind. Darüber hinaus ist ein portables eigensicheres Feldger?t 24, ein sogenanntes hand held terminal, dargestellt, das ebenfalls über einen eigensicheren Stromkreis 25 mit Hilfe von Steckkontakten an den Verteiler 21 anschlie?bar ist.

Den Erfordernissen der Zündschutzart Eigensicherheit wird durch galvanische Trennung und Spannungsbegrenzung in dem PNK 12 sowie Strombegrenzung im Verteiler 21 realisiert. Dabei genügt für eine Vielzahl von Feldger?ten eine einzige galvanische Trennung im Wartenbereich und die einfache Ausführung der Spannungsbegrenzung in der PNK. Vorzugsweise ist der Spannungsbegrenzung eine Spannungsregelung vorgeschaltet.

Unter Verwendung gleicher Mittel und gleicher Bezugszeichen ist in Fig. 2 ein Speisesystem für einen Feldbus dargestellt, bei dem die PNK 12 und der Feldbus 22 redundant ausgeführt sind. Es sind zwei PNK 12 vorgesehen, die jeweils separat mit Hilfsenergie 13 versorgt sind und jeweils einen galvanisch getrennten Anschlu? an den Wartenbus 11 aufweisen. Darüber hinaus weist jede PNK 12 einen separaten, galvanisch getrennten Stromkreis auf, an den jeweils ein Feldbus 22 angeschlossen ist. Im Verteiler 21 sind die Anschlüsse der redundanten Feldbusse 22 parallel an die Sammelleiter 211 über Anschlu?klemmen in erh?hter Sicherheit 215 angeschlossen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 3 unter Verwendung gleicher Mittel und Bezugszeichen der Verteiler 21 um Anschlüsse in erh?hter Sicherheit für nichteigensichere Stromkreise erg?nzt. Die Anschlüsse in erh?hter Sicherheit 215 sind unter Verzicht auf Mittel zur Strombegrenzung direkt an die Sammelleiter 211 angeschlossen. Im Feldbereich sind station?re Feldger?te in konventionellen Zündschutzarten über nichteigensichere Stromkreise 26 an Anschlüsse 215 in erh?hter Sicherheit des Verteilers 21 angeschlossen. Bei diesen Feldger?ten kann es sich z.B. um Analyseger?te handeln. Auf diese Weise ist es m?glich, an denselben Feldbus 22 sowohl Feldger?te der Schutzart Eigensicherheit 23 und 24 als auch Feldger?te 27 in konventionellen Zündschutzarten anzuschlie?en.

Weiterhin ist vorgesehen, den Verteiler 21 zu kaskadieren. Dabei sind die Sammelleiter 211 mindestens zweier Verteiler 21 über Anschlu?klemmen in erh?hter Sicherheit 215 mit einem nichteigensicheren Stromkreis 26 miteinander verbunden.

In Fig. 4 ist ein Speisesystem für einen Feldbus dargestellt, bei dem im Wartenbereich 10 eine PNK 12 über galvanisch getrennte Anschlüsse mit einem Wartenbus 11 verbunden ist. Die PNK 12 ist galvanisch getrennt mit Hilfsenergie 13 versorgt. Darüber hinaus weist die PNK 12 einen galvanisch getrennten Stromkreis mit Strombegrenzung auf, an den der Feldbus 22 angeschlossen ist. Vorzugsweise weist die PNK 12 im Feldbereich 20 ist ein Verteiler 21 vorgesehen, der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Interlockdioden 214 und Spannungsbegrenzeranordnungen 213 aufweist, die in den Stromkreis des Feldbusses 22 eingeschleift sind. Die Spannungsbegrenzeranordnungen sind mit Zenerdioden als Spannungsbegrenzerdioden 213 realisiert. Die Interlockdioden 214 sind Zenerdioden mit einer kleineren Zenerspannung als die Spannungsbegrenzerdioden 213. Die Interlockdioden 214 dienen dazu, bei unbelegten eigensicheren Feldger?teeingang 25 den Feldbusstrom durchzuschalten, ihre Zenerspannung ist gr??er als die Betriebsspannung der Feldger?te zuzüglich einem vorgegebenen maximalen Spannungsabfall auf der Leitung 25. Jeder Spannungsbegrenzeranordnung ist ein eigensicherer Stromkreis 25 zugeordnet, an dem ein eigensicheres Feldger?t anschlie?bar ist. Dazu geh?ren station?re eigensichere Feldger?te 23 sowie portable eigensichere Feldger?te 24, z.B. hand held terminals. Der Feldbus 22 ist in Form einer Zweidrahtleitung als nichteigensicherer Stromkreis 26 ausgeführt.

Unter Verwendung gleicher Mittel und Bezugszeichen ist in Fig. 5 ein Speisesystem für einen Feldbus dargestellt, bei dem der Feldbus 22 und die PNK 12 redundant ausgeführt sind. Jede PNK 12 weist eine separate Einspeisung für die Hilfsenergie 13 auf sowie einen separaten galvanisch getrennten Anschlu? an den Wartenbus 11. Darüber hinaus sind in jeder PNK 12 in gleicher Weise Mittel zur Strombegrenzung bzw. Stromregelung in einem galvanisch getrennten Stromkreis realisiert. Die redundanten Feldbusse 22 sind als nichteigensichere Stromkreise 26 ausgeführt und im Verteiler 21 parallelgeschaltet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist gem?? Fig. 6 vorgesehen, station?re Feldger?te 26 in konventionellen Zündschutzarten über nichteigensichere Stromkreise 26 über weitere Anschlu?klemmen in erh?hter Sicherheit 26 an den Verteiler 21 anzuschlie?en. Die bauartgem??en Unterschiede zwischen Anschlüssen in erh?hter Sicherheit und Anschlüssen in Eigensicherheit ?u?ern sich in der Anzahl der den Spannungsbegrenzerschaltungen zugeordneten Dioden. W?hrend zum Anschlu? von Feldger?ten in konventionellen Zündschutzarten eine Interlockdiode 214 genügt, sind Spannungsbegrenzerschaltungen für eigensichere Stromkreise der Kategorie "ib" redundante Diodenanordnungen 213 erforderlich.

Bezugszeichenliste

10

Wartenbereich (nicht explosionsgef?hrdet)

11

Wartenbus

12,

PNK, proze?nahe Komponenten

13

Hilfsenergie

20

Feldbereich (Zone 1)

21

Verteiler

211

Sammelleiter

212

Strombegrenzungswiderstand

213

Spannungsbegrenzerdioden

214

Interlockdioden

215,

Anschlu?klemmen mit erh?hter Sicherheit

22

Feldbus

23

station?res eigensicheres Feldger?t

24

portables eigensicheres Feldger?t

25

eigensicherer Stromkreis

26,

nichteigensicherer Stromkreis

27

station?res Feldger?t in konventionellen Zündschutzarten