DE10220708B4

DE10220708B4 - Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus

Info

Publication number: DE10220708B4
Application number: DE2002120708
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Westerfeld
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: WESTERFELD, PETER, DIPL.-ING., DE
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2022-05-11
Also published as: DE10220708A1

Abstract

Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus in explosionsgefährdeten Betriebsanlagen bestehend aus einem Feldbusspeisegerät und einer Mehrzahl von parallel an eine gemeinsame zweiadrige Feldbusleitung angeschlossenen Feldgeräten
dadurch gekennzeichnet,
– dass der Isolationswiderstand (33) der zweiadrigen Feldbusleitung (3) in Abhängigkeit vom Induktivitätsbelag (31) der Feldbusleitung (3) derart herabgesetzt ist, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag (31) und dem Isolationswiderstand (33) in einem vorgebbaren Verhältnis zum Produkt aus dem Kapazitätsbelag (32) und dem Leitungswiderstand (34) der zweiadrigen Feldbusleitung (3) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus in explosionsgefährdeten Betriebsanlagen.
Derartige eigensichere Feldbusse sind insbesondere in der chemischen Industrie gebräuchlich.
Feldbusse sind elektrische Einrichtungen zur Kommunikation zwischen im explosionsgefährdeten Bereich, dem sogenannten Feldbereich, angeordneten Feldgeräten wie Sensoren, Akturen und Messumformern einerseits und im nicht-explosionsgefährdeten Bereich, dem sogenannten Wartenbereich, angeordneten Steuerungs- und Regelungssystemen andererseits. Üblicherweise ist ein Feldbus als Zweidrahtleitung ausgeführt, die gleichzeitig zur Übertragung der Speiseleistung der angeschlossenen Feldgeräte dient. Die Kommunikation erfolgt dabei digital, beispielsweise mittels FSK-Modulation.
Zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen sind an elektrische Betriebsmittel besondere Anforderungen gestellt, um einen möglichen Explosionsunfall auszuschließen. Bei der Installation und Inbetriebnahme von elektrotechnischen Einrichtungen und Ausrüstungen sowie bei Wartungsarbeiten an elektrotechnischen Einrichtungen und Ausrüstungen in verfahrenstechnischen Anlagen, die sich aufgrund ihrer Zweckbestimmung in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre befinden, ist die Beachtung einschlägiger Rechtsvorschriften wie die "Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen – ElexV" und die europäischen Normen zum Explosionsschutz EN 50 014 ff verbindlich.
Aufgrund dieser Rechtsvorschriften ist es ausschließlich bei eigensicheren Stromkreisen, die als Zündschutzart "Eigensicherheit" den Regeln der EN 50 020 unterliegen, gestattet, während des laufenden Betriebes elektrische Leitungen bedingungslos ab- und anzuklemmen, zu erden sowie kurzzuschließen.
Eigensichere Stromkreise sind daher leistungsbegrenzt und somit zum Anschluss von Geräten und Einrichtungen mit einem den vorgegebenen Grenzwert übersteigenden Leistungsbedarf ungeeignet.
Aus der Leistungsbegrenzung resultiert, dass, wie aus der Zeitschrift "Automatisierungstechnische Praxis 34 (1992) 11", Seiten 617–622, bekannt ist, weniger als 10 reale Feldgeräte an einen derart ausgeführten Feldbus in Bereichen der Explosionsgruppe IIC anschliessbar sind. Die Begrenzung auf 10 Feldgeräte an einen Feldbus reicht aber nicht aus, da neben Analogsignalen für viele Messumformergeräte oder Stellumformergeräte auch gleichzeitig Binärsignale für Kontakte, Näherungsinitiatoren und Magnetventile zu übertragen sind.
Aus der EP 0 666 631 A2 ist ein Speisesystem für einen Feldbus bekannt, bei dem es unter Zurhilfenahme eines Feldbusverteilers gelingt, mehr als 10 Teilnehmer an einen Feldbusstrang anzuschließen. Dabei weist der Feldbusverteiler Strombegrenzungsmittel für jeden eigensicheren Ausgang auf. Nachteilig an diesem System ist der zusätzliche materielle Aufwand durch den Feldbusverteiler und die Tatsache, dass Speisesystem in seiner Gesamtheit nicht mehr den Anforderungen an die Schutzart Eigensicherheit genügt, da die Verbindung zwischen der Speiseeinrichtung und dem Feldbusverteiler nur in der Zündschutzart Ex "e" – erhöhte Sicherheit – ausgeführt ist.
Bei allen anderen Zündschutzarten ist vor der Manipulation an elektrischen Stromkreisen die gesamte Anlage soweit spannungsfrei zu schalten, dass metallische Bauteile der betreffenden Stromkreise spannungslos sind. Dabei wird der Fortgang des auf der verfahrenstechnischen Anlage ablaufenden Prozesses für die Zeitspanne zwischen Spannungsfreischaltung und Wiederinbetriebnahme unterbrochen.
Anschließend ist der Prozess neu anzufahren. Diese Unterbrechungen werden von Betreibern derartiger verfahrenstechnischer Anlagen als überaus störend empfunden.
Bekannt ist der sogenannte Profibus-PA der Profibus-Nutzerorganisation e. V. in Karlsruhe, insbesondere durch das Dokument "Profibus Richtlinie/Inbetriebnahmeleitfaden", Best.-Nr. 2.091, Ausgabe 1.1, September 1996, und basierend auf dem PTB-Bericht W-53 "Untersuchungen zur Eigensicherheit bei Feldbus-Systemen (FISCO-Modell)", der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig, März 1993.
Wegen der anwenderseitig geforderten geräteherstellerunabhängigen Interoperabilität zwischen den elektrischen Betriebsmitteln hat sich der Profibus-PA als Quasi-Industriestandard etabliert.
Beim Profibus-PA sind in einem Bussegment ausgehend von einem Feldbusspeisegerät eine Mehrzahl von Feldgeräten parallel an eine gemeinsame zweiadrige Busleitung angeschlossen. Infolge der oben bereits erwähnten Leistungsbegrenzung ist die Anzahl der an einem Bussegment betreibbaren Feldgeräte auf wenige Stück begrenzt.
Die Leistungsbegrenzung resultiert aus den elektrischen Eigenschaften einer Zweidrahtleitung, die unvermeidbar mit einem Induktivitätsbelag und einem Kapazitätsbelag behaftet ist. Beim in einem eigensicheren Stromkreis zugelassenen Kurzschluss der Busleitungen führt die gespeicherte Energie des Kapazitätsbelags zu einem Schließfunken. Beim Öffnen des Kurzschlusses führt die gespeicherte Energie des Induktivitätsbelags zu einem Öffnungsfunken. Die elektrische Leistung in einem eigensicheren Stromkreis ist soweit reduziert, dass die Funkenenergie des Schließfunken und des Öffnungsfunken jeweils sicher unterhalb der Zündenergie bleibt, die zur Zündung der umgebenden explosionsgefährdeten Atmosphäre führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für den bekannten Feldbus ein Speisesystem anzugeben, das die parallele Anschaltung von mehr Feldgeräten als bisher unter Aufrechterhaltung der Schutzart Eigensicherheit gestattet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt die Erfahrung zugrunde, dass die aus dem Kapazitätsbelag resultierende Funkenenergie beim Kurzschluss der zweiadrigen Feldbusleitungen bei üblichen Adernquerschnitten bereits durch den Leitungswiderstand wirksam begrenzt wird.
Das Wesen der Erfindung besteht nunmehr darin, dass der Isolationswiderstand der zweiadrigen Busleitung in Abhängigkeit vom Induktivitätsbelag der Busleitung derart herabgesetzt ist, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag und dem Isolationswiderstand in einem vorgebbaren Verhältnis zum Produkt aus dem Kapazitätsbelag und dem Leitungswiderstand der zweiadrigen Feldbusleitung liegt.
Übliche Isolationswiderstände konfektionierter Leitungen, wie sie als Feldbusleitungen verwendet werden, liegen bei etwa 10¹² Ω·m und sind somit praktisch vernachlässigbar, womit der üblichen Forderung nach möglichst verlustfreier Energieübertragung Rechnung getragen wird.
Entgegen dem allgemeinen Entwicklungstrend der Fachwelt nach höheren Isolationswiderständen ist es Gegenstand der Erfindung, den Isolationswiderstand für Feldbusleitungen definiert herabzusetzen.
Der reduzierte und somit nicht mehr vernachlässigbare Isolationswiderstand begrenzt in Abhängigkeit von seiner Dimension die aus dem Induktivitätsbelag resultierende Funkenenergie beim Öffnen eines Kurzschlusses zwischen den zweiadrigen Feldbusleitungen. Im einzelnen ist vorgesehen, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag und dem Isolationswiderstand eine vorgebbare minimale Zeitkonstante mindestens erreicht. Je kleiner der Isolationswiderstand desto größer ist bei vorgegebenem Induktivitätsbelag die Zeitkonstante und umso geringer ist die aus dem Induktivitätsbelag resultierende Funkenenergie beim Öffnen eines Kurzschlusses zwischen den zweiadrigen Feldbusleitungen.
Durch eine geeignete Dimensionierung des Isolationswiderstands in Abhängigkeit von dem Induktivitätsbelag der Feldbusleitung ist unter Aufrechterhaltung der Schutzart Eigensicherheit ein höherer Strom durch die Feldbusleitung als bisher zulässig, der die parallele Anschaltung von mehr Feldgeräten an denselben Feldbusstrang ermöglicht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Feldbussystems
2 ein Ersatzschaltbild zur Ermittlung des induktiven Zündverhaltens
3 ein Ersatzschaltbild zur Ermittlung des kapazitiven Zündverhaltens
In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Feldbussystems dargestellt. Ausgehend von einem Feldbusspeisegerät 1 ist eine Mehrzahl von Feldgeräten 2 über eine zweiadrige Feldbusleitung 3 mit dem Feldbusspeisegerät 1 verbunden. Das Feldbusspeisegerät 1 ist im Wartenbereich angeordnet, der als nicht-explosionsgefährdeter Bereich angesehen wird. Die Feldgeräte 2 sind im explosionsgefährdeten Bereich, dem sogenannten Feldbereich, angeordnet und sind parallel an die Feldbusleitung 3 angeschlossen. Die Feldgeräte 2 können als Sensoren, Aktoren und/oder Messumformer ausgeführt sein.
Über die Feldbusleitung 3 werden die Speiseleistung für die Feldgeräte 2 und die Signale zur Kommunikation der Feldgeräte 2 mit Steuerungs- und Regelungssystemen im Wartenbereich übertragen.
Die Feldbusleitung 3 ist elektrisch im wesentlichen durch einen Leitungswiderstand, einen Isolationswiderstand, einen Induktivitätsbelag und einen Kapazitätsbelag gekennzeichnet, die über die Länge der Feldbusleitung 3 verteilt sind und deren Dimension von der Länge der Feldbusleitung 3 abhängig ist.
Zur Ermittlung des induktiven Zündverhaltens ist in 2 aus Anschaulichkeitsgründen ein Ersatzschaltbild mit konzentrierten Bauelementen gezeigt. Dazu ist an einem Ende der Feldbusleitung 3 das Feldbusspeisegerät 1 und an dem anderen Ende ein Funkenprüfgerät 4 angeschlossen. Die Ersatzschaltung des Feldbusspeisegeräts 1 besteht aus einer Spannungsquelle 11 und einem Innenwiderstand R_I mit dem Bezugszeichen 12. Das Funkenprüfgerät 4 besteht aus einem Schalter 41, der an die beiden Adern der Feldbusleitung 3 angeschlossen ist. Zur Nachbildung der explosionsgefährdeten Atmosphäre im Feldbereich ist das Funkenprüfgerät 4 in Umgebung des Schalters 41 mit einem explosionsfähigen Prüfgasgemisch definierter Menge gefüllt.
Für das induktive Zündverhalten des Feldbusses sind der Induktivitätsbelag L mit dem Bezugszeichen 31, der Leitungswiderstand R_L mit dem Bezugszeichen 34 und der Isolationswiderstand R_iso mit dem Bezugszeichen 33 maßgeblich.
Bei geschlossenem Zustand des Schalters 41 stellt sich ein Schleifenstrom I₀ ein, der von der Spannung U₀, vom Innenwiderstand R_I der Spannungsquelle 11 und vom Leitungswiderstand R_L abhängig ist. I0 = U0/(RI + RL)
Beim Öffnen des Schalters 41 steigt die Induktionsspannung U_L = L·dl₁/dt des Induktivitätsbelags L sprungförmig an. Infolge des erfindungsgemäß reduzierten Isolationswiderstands R_iso wird die Induktionsspannung U_L nur im Teilerverhältnis R_iso/(R_iso + R_I + R_L) im reduzierten Umfang am Schalter 41 wirksam. Demzufolge verteilt sich die im Induktivitätsbelag L gespeicherte Energie auf den Isolationswiderstand R_iso und den Öffnungsfunken im Funkenprüfgerät 4. Die Funkenenergie am Schalter 41 sinkt im Maße der Reduzierung des Isolationswiderstands R_iso. Unter Aufrechterhaltung einer Grenzfunkenenergie am Schalter 41 ist ein größerer Schleifenstrom I₀ zulässig, der während des bestimmungsgemäß ungestörten Betriebes zur Speisung einer größeren Anzahl von Feldgeräten 2 geeignet ist.
Das Zeitverhalten für das induktive Zündverhalten des Feldbusses wird durch die Zeitkonstante τ_L = L/R_iso beschrieben. Je größer die Zeitkonstante τ_L ist, umso gedämpfter ist die Entladung der im Induktivitätsbelag L gespeicherten Energie. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zeitkonstante τ_L einen vorgebbaren Minimalwert mindestens erreicht.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 3 ein Ersatzschaltbild mit konzentrierten Bauelementen zur Ermittlung des kapazitiven Zündverhaltens gezeigt.
Für das kapazitive Zündverhalten des Feldbusses sind der Kapazitätsbelag C mit dem Bezugszeichen 32 und der Leitungswiderstand R_L mit dem Bezugszeichen 34 maßgeblich.
Ausgehend vom geöffneten Zustand des Schalters 41 liegt über dem Kapazitätsbelag C die Spannung U₀ der Spannungsquelle 11 an. Beim Schließen des Schalters 41 entlädt sich die im Kapazitätsbelag C gespeicherte Energie in dem Schließfunken im Funkenprüfgerät 4. Der Maschenstrom wird durch den Leitungswiderstand R_L gedämpft.
Das Zeitverhalten für das kapazitive Zündverhalten des Feldbusses wird durch die Zeitkonstante τ_C = C·R_L beschrieben. Je größer die Zeitkonstante τ_C ist, umso gedämpfter ist die Entladung der im Kapazitätsbelag C gespeicherten Energie.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitkonstanten τ_L und τ_C für das induktive und das kapazitive Zündverhalten höchstens um eine Zehnerpotenz unterscheiden; 0,1τ_L < τ_C < 10τ_L.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Zeitkonstanten τ_L und τ_C für das induktive und das kapazitive Zündverhalten gleich sind; τ_L = τ_C. Damit wird erreicht, dass der zeitliche Verlauf der Entladung der Funkenenergie bei Kurzschluss – Schließen des Schalters 41 – und dessen Aufhebung – Öffnen des Schalters 41 – unabhängig von der Art der gespeicherten Energie gleich ist.

1: Feldbusspeisegerät
11: Spannungsquelle
12: Innenwiderstand
2: Feldgerät
3: Feldbusleitung
31: Induktivitätsbelag
32: Kapazitätsbelag
33: Isolationswiderstand
34: Leitungswiderstand
4: Funkenprüfgerät
41: Schalter

Claims

Speisesystem für einen eigensicheren Feldbus in explosionsgefährdeten Betriebsanlagen bestehend aus einem Feldbusspeisegerät und einer Mehrzahl von parallel an eine gemeinsame zweiadrige Feldbusleitung angeschlossenen Feldgeräten dadurch gekennzeichnet, – dass der Isolationswiderstand (33) der zweiadrigen Feldbusleitung (3) in Abhängigkeit vom Induktivitätsbelag (31) der Feldbusleitung (3) derart herabgesetzt ist, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag (31) und dem Isolationswiderstand (33) in einem vorgebbaren Verhältnis zum Produkt aus dem Kapazitätsbelag (32) und dem Leitungswiderstand (34) der zweiadrigen Feldbusleitung (3) liegt.
Speisesystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag (31) und dem Isolationswiderstand (33) im Bereich des 0,1- bis 10-fachen des Produkts aus dem Kapazitätsbelag (32) und dem Leitungswiderstand (34) der zweiadrigen Feldbusleitung (3) liegt.
Speisesystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus dem Induktivitätsbelag (31) und dem Isolationswiderstand (33) mit dem Produkt aus dem Kapazitätsbelag (32) und dem Leitungswiderstand (34) der zweiadrigen Feldbusleitung (3) übereinstimmt.