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Die
Erfindung betrifft ein Feldgerät
für die
Automatisierungstechnik mit Lichtwellenleiteranschluss zur Datenübertragung.
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In
der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt,
die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen.
Beispiele für
derartige Feldgeräte
sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgerät, Druck-
und Temperaturmessgeräte
etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand,
Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.
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Zur
Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren wie z. B. Ventile,
die den Durchfluss einer Flüssigkeit
in einem Rohrleitungsabschnitt steuern, oder Pumpen, die den Füllstand
in einem Behälter
verändern.
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Eine
Vielzahl solcher Feldgeräte
wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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In
der Regel sind Feldgeräte
an Fabrikationsanlagen über
Feldbussysteme (Profibus, Foundation Fieldbus etc.) mit übergeordneten
Einheiten, z. B. Leitsysteme oder Steuereinheit verbunden. Diese dienen
zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung
sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte.
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Häufig sind
Feldbussysteme auch in Unternehmensnetzwerke integriert. Damit kann
aus unterschiedlichen Unternehmensbereichen auf bestimmte Informationen,
die Feldgeräte
bereitstellen, zugegriffen werden.
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Häufig werden
Feldgeräte
auch in explosionsgefährdeten
Bereichen (z. B. chemische Industrie, Raffinerien etc.) eingesetzt.
In diesen speziellen Bereichen, die allgemein als Ex-Bereiche bezeichnet werden,
gelten erhöhte
Sicherheitsanforderungen an die eingesetzten Feldgeräte und an
den Feldbus.
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Je
nach Gefahrenpotential sind in den Ex-Bereichen unterschiedliche
Zündschutzarten
vorgesehen (Eigensicherheit, druckfeste Kapselung, erhöhte Sicherheit).
Die Zündschutzart
Eigensicherheit ist in der Europäischen
Norm EN/50020 näher
spezifiziert. Ein System gilt als eigensicher, wenn eine maximal
mögliche
Funkenenergie bzw. die maximal auftretende Temperatur eine bestimme
explosive Atmosphäre
nicht entzünden
kann.
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In
eigensicheren Feldbussystemen sind Ströme und Spannung erheblichen
Beschränkungen unterworfen.
Ex-Bereiche und Nicht-Ex-Bereiche sind häufig durch aufwendige Sicherheitsbarrieren getrennt.
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In
Ex-Bereichen werden vielfach 2-Leiter Feldbussysteme eingesetzt,
bei denen die an dem Feldbus angeschlossenen Feldgeräte über den
Feldbus mit Energie versorgt werden. Nachteile dieser 2-Leiter Feldbussysteme
sind darin zu sehen, dass keine echte galvanische Trennung zwischen
Feldbus und Feldgerät
gegeben ist und dass außerdem
aufgrund der Strom- und Spannungsbegrenzung nur eine langsame Datenübertragung über den
Feldbus möglich
ist.
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Es
sind auch Sensoren bekannt, die einen Lichtwellenleiter zur Datenübertragung
aufweisen. Für
Ex-Bereiche sind Lichtwellenleiter zur Datenübertragung besonders geeignet,
da hier keine gefährlichen
Ströme
bzw. Spannungen entstehen können. Diese
Sensoren benötigen
aber eine eigene separate Energieversorgungseinheit (z. B. Batterie),
die regelmäßig gewartet
werden muss. Derartige Lösungen
sind bei industriellen Anwendungen jedoch meist nicht sehr zweckmäßig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Feldgerät mit Lichtwellenleiteranschluss
zur Datenübertragung
anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, dass
insbesondere auch kostengünstig
und einfach herstellbar ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Lichtwellenleiteranschluss
nicht nur zur Datenübertragung
sondern auch zur Energieversorgung des Feldgerätes einzusetzen.
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In
einer weiteren Entwicklung der Erfindung ist ein Zwischenspeicher
vorgesehen, indem elektrische Energie, die ans Feldgerät übertragen
wurde, kurzfristig gespeichert werden kann.
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In
einer weiteren Weiterentwicklung der Erfindung sind zwei separate
Lichtwellenleiter zur Datenübertragung
vorgesehen.
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In
einer weiteren Weiterentwicklung der Erfindung sind die beiden Lichtwellenleiter über ein
Modulationselement miteinander verbunden, so dass ein Teil des empfangenen
Lichtsignals zum Senden von Daten verwendet werden kann, indem es
in einfacher Weise moduliert wird und an den Sender zurückgesendet
wird.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Netzwerk
der Prozessautomatisierung mit mehreren Feldgeräten in schematischer Darstellung;
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2 Blockschaltbild
eines Feldgerätes
für die
Automatisierungstechnik mit Lichtwellenleiteranschluss zur Datenübertragung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiels;
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3 Blockschaltbild
eines Feldgerätes
der Automatisierungstechnik mit Lichtwellenleiteranschluss zur Datenübertragung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiels;
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4 Blockschaltbild
eines Feldgerätes
gemäß 3 mit
einem zusätzlichen
Modulationselement;
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In 1 ist
ein Kommunikationsnetzwerk KN der Automatisierungstechnik näher dargestellt.
An einen Datenbus D1 sind mehrere Rechnereinheiten (Workstations)
WS1, WS2 angeschlossen. Diese Rechnereinheiten dienen als übergeordnete
Einheiten (Leitsysteme bzw. Steuereinheiten) zur Prozessvisualisierung,
Prozessüberwachung
und zum Engeneering sowie zum Bedienen und Überwachen von Feldgeräten. Der
Datenbus D1 arbeitet z. B. nach dem Profibus DP-Standard oder nach
dem HSE (High Speed Ethernet- Standard) der Foundation Fieldbus. Über ein
Gateway G1, das auch als linking device oder als Segmentkoppler
bezeichnet wird, ist der Datenbus D1 mit einem Feldbussegment SM1 verbunden.
Das Feldbussegment SM1 besteht aus mehreren Feldgeräten F1,
F2, F3, F4, F5, die über
einen Feldbus FB miteinander verbunden sind. Bei den Feldgeräten F1,
F2, F3, F4, F5, handelt es sich sowohl um Sensoren sowie um Aktoren.
Der Feldbus FB arbeitet entsprechend nach einem der bekannten Feldbusstandards
Profibus, Foundation Fieldbus oder HART.
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Ein
Feldgerät
F5 ist über
eine spezielle Auswerteeinheit AE mit dem Feldbus FB verbunden.
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In 2 ist
das Feldgerät
F5 und die dazugehörige
Auswerteeinheit AE näher
dargestellt. Die Auswerteeinheit AE ist über ein Feldbusanschluss FBA
mit dem Feldbus FB verbunden. Zur Auswertung der vom Feldgerät F5 kommenden
Daten und zur Kommunikation über
den Feldbus dient ein Mikrocontroller μC. Der Mikrocontroller μC ist mit
einer Sendeeinheit SE1 und einer Empfangseinheit EE1 verbunden die
beide an einem Lichtwellenleiter L1 angeschlossen sind. Die über einen
Lichtwellenleiter L1 zur Auswerteeinheit AE gesendeten Lichtsignale werden
in der Auswerteeinheit AE in der Empfangsdiode ED1 in elektrische
Signale umgewandelt. Zum Senden von Lichtsignalen über den
Lichtwellenleiter L1 dient die Sendediode SD1.
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Zwischen
Auswerteeinheit AE und Feldgerät F5
verläuft
die Grenze zwischen Ex-Bereich und nicht Ex-Bereich.
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Nachfolgend
ist das Feldgerät
F5 näher
erläutert.
Zum Senden von Lichtsignalen dient eine Sendediode SD2 die mit einer
Sendeeinheit SE2 verbunden ist. Die vom Lichtwellenleiter L1 kommenden Lichtsignale
werden in der Empfangsdiode ED2 in elektrische Signale umgewandelt
und der Empfangseinheit EE2 zugeführt. Die Prozessvariable Druck, Temperatur
oder Füllstand
wird mit einem Messwertaufnehmer MWA erfasst und in einem Analog
Digitalwandler A/D digitalisiert. Der digitalisierte Messwert wird
einem Mikrocontroller μC2
zugeführt.
Der Mikrocontroller μC2
ist mit einer Vorauswerteeinheit und mit einer Sensoransteuereinheit
SE verbunden. Mit der Sendeeinheit SE2 und der Empfangseinheit EE2 ist
ein Zwischenspeicher SP verbunden, der als Kondensator ausgeführt sein
kann.
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Nachfolgend
ist die Funktion der Erfindung anhand des Feldgeräts F5 näher erläutert. Die über den
Lichtwellenleiter L1 empfangenen Lichtsignale werden in der Empfangsdiode
ED2 in elektrische Signale (bzw. Energie) umgewandelt und der Empfangseinheit
EE2 zugeführt.
Die in dem Lichtsignal enthaltenen Daten werden an die Sensoransteuereinheit
SE weitergeleitet. Die im Lichtsignal enthaltene Energie wird zur
Energieversorgung des Feldgeräts
F5 verwendet. Überschüssige Energie
kann im Zwischenspeicher SP kurzfristig zwischengespeichert werden
und zu einem spätern
Zeitpunkt für
energieintensive Anwendungen abgerufen werden.
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Das
Senden von Daten über
den Lichtwellenleiter L1 erfolgt folgendermaßen. Die Messdaten werden in
der Vorauswerteeinheit VE grob ausgewertet und als Rohmessdaten
an die Sendeeinheit SE2 übertragen.
Die Sendeeinheit SE2 dient zur Ansteuerung der Sendediode SD2, die
die Lichtsignale erzeugt. Die Sendeeinheit SE2 steuert die Übertragung
der Rohmessdaten. Die Empfangseinheit EE2 und der Zwischenspeicher
SP dienen zur Energieversorgung aller im Feldgerät F5 vorgesehenen elektronischen
Baugruppen wie Sendeeinheit SE2, Vorauswerteeinheit VE, Sensoransteuereinheit
SE, Mikrocontroller μC2
etc..
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Zur
weiteren Auswertung der Rohmessdaten und zur Kommunikation mit dem
Feldbus dient die Auswerteeinheit AE. Die vom Feldgerät F5 gesendeten
Lichtsignale werden in der Empfangsdiode ED1 in elektrische Signale
umgewandelt und in der Empfangseinheit EE1 aufbereitet. Zur Auswertung
der Rohmessdaten dient der Mikrocontroller μC. Über den Feldbus FB werden die
aufbereiteten Messdaten an ein Leitsystem übertragen. Vom Feldbus FB können auch
Parameter an die Auswerteeinheit AE übertragen werden. Diese Parameter
werden von der Sendeeinheit SE1 und SD1 in Lichtsignale umgewandelt
und über
den Lichtwellenleiter L1 an das Feldgerät F5 gesendet.
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Die
Auswerteeinheit AE ist insbesondere dann notwendig, wenn z. B. bei
Füllstandssensoren, die
nach dem Laufzeitprinzip arbeiten, aufwendige Hüllkurven ausgewertet werden
müssen.
Eine derartige Auswertung ist sehr rechenintensiv und benötigt daher
viel Energie.
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In 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher
erläutert.
Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
dadurch, dass zwei separate Lichtwellenleiter L2, L3 zur Datenübertragung zwischen
der Auswerteeinheit AE und dem Feldgerät F5 vorgesehen sind. Der Lichtwellenleiter
L2 dient nur zum Übertragen
von Lichtsignalen zum Feldgerät F5,
der Lichtwellenleiter L3 nur zum Übertragen von Lichtsignalen
vom Feldgerät
F5 zur Auswerteeinheit AE. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels
liegt darin, dass während
Lichtsignale über
den Lichtwellenleiter L3 zur Auswerteeinheit AE gesendet werden, ein
konstantes Lichtsignal über
den Lichtwellenleiter L2 zur Energieversorgung des Feldgerätes F5 übertragen
werden kann.
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In
einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels
nach 3 ist ein Modulationselement ME anstatt der Sendediode
SD2 im Feldgerät
F5 vorgesehen, die ein Teil des über
den Lichtwellenleiter L2 an das Feldgerät F5 übertragenen Lichtsignals moduliert
und über
den Lichtwellenleiter L3 an die Auswerteeinheit zurücksendet.
Bei dieser Variante des Ausführungsbeispiels
2 wird im Feldgerät
F5 keine Energie mehr zum Erzeugen eines Lichtsignals mehr benötigt (4).
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt es ein Feldgerät (F5) im Ex-Bereich galvanisch
völlig
getrennt von der Außenwelt
zu betreiben.