DE202004021009U1 - Einrichtung zur Energieversorgung von Feldgeräten (II) - Google Patents

Abstract

Einrichtung zur Energieversorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen, die zur drahtlosen Kommunikation befähigt sind,
dadurch gekennzeichnet,
– dass ein mehradriges Kabel (10) mit einer geradzahligen Adernzahl n = 2m linear in der verfahrenstechnischen Anlage verlegt ist,
– dass die Adern (11 bis 1n) des mehradrigen Kabels (10) in Reihe geschaltet sind,
– dass die freien Aderenden (11a, 1na) an eine Wechselspannungsquelle (20) angeschlossen sind,
– dass mindestens eine Stromwandleranordnung (30), deren Magnetkreis die Adern (11 bis 1m) gleicher Stromflussrichtung des mehradrigen Kabels (10) umschließt, mit mindestens einer Sekundärwicklung (31) vorgesehen ist und
– dass an die Sekundärwicklung (31) mindestens ein Feldgerät (40) angeschlossen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieversorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen, die zur drahtlosen Kommunikation befähigt sind, nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
• Derartige Feldgeräte wie Sensoren, Aktoren und Messumformer sind prozessnah und dezentral im Feldbereich angeordnet.
• Bekannte Feldgeräte sind mittels einer mehradrigen Verbindungsleitung mit einer zentralen Einrichtung verbunden, wobei jedes Feldgerät über die Verbindungsleitung mit elektrischer Energie zu seinem Betrieb versorgt wird und mit der zentralen Einrichtung Daten austauscht.
• Komplexe verfahrenstechnische Anlagen sind mit einer Vielzahl derartiger Feldgeräte ausgestattet. Dabei ist das Netz der Verbindungsleitungen für den Betreiber der Anlage ein erheblicher Kostenfaktor und darüber hinaus insbesondere im Zuge von Bauarbeiten Störungen durch Leitungsunterbrechungen ausgesetzt. Bei einer Leitungsunterbrechung ist das angeschlossene Feldgerät sowohl von dem Datenaustausch mit der zentralen Einrichtung abgeschnitten als auch von der Energieversorgung zu seinem Betrieb.
• Zwar gelingt es, mit Hilfe von drahtlosen Kommunikationseinrichtungen, die jedem Feldgerät und der zentralen Einrichtung zugeordnet werden, den Datenaustausch unabhängig vom Netz der Verbindungsleitungen aufrechtzuerhalten, soweit die Feldgeräte weiterhin mit Energie versorgt sind.
• Jedoch sind die Feldgeräte bei Leitungsunterbrechungen von der Energiequelle getrennt. Bei galvanisch verbundenen Stromkreisen sind ferner die Vorschriften zum Explosionsschutz zu beachten.
• Es ist allgemein bekannt, Geräte aller Art ohne Anschluss an ein zentralgespeistes Stromversorgungsnetz aus Batterien oder Akkumulatoren zu versorgen. Die Wartung und Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit derart versorgter Feldgeräte ist sehr aufwendig und wird daher von den Anlagenbetreibern darüber hinaus aus Gründen mangelnder Verfügbarkeit grundsätzlich abgelehnt. Dies gilt auch für Feldgeräte mit sehr niedrigem Energieverbrauch, wie sie aus dem Beitrag „Mühelos vernetzen" in ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 17–13. September 2004 bekannt sind.
• Basierend auf dieser Erkenntnis wird in der Veröffentlichung „Energie zum Nulltarif", Computer&AUTOMATION 8/04, Seiten 36 bis 39, vorgeschlagen, die Prozessenergie aus der unmittelbaren Umgebung unter Zuhilfenahme unterschiedlicher physikalischer Effekte zu gewinnen. Im einzelnen sind piezoelektrische Wandler, Thermopaar, Solarzelle und Vibrationsgenerator jeweils für Anwendungen unter speziellen Umgebungsbedingungen genannt. Dabei ist offensichtlich und wird in Kauf genommen, dass die Primärenergie nicht kontinuierlich zur Verfügung steht. Die Anforderungen an Feldgeräte der industriellen Automatisierungstechnik lassen aus Verfügbarkeitsgründen eine diskontinuierliche Versorgung nicht zu.
• Ferner ist bereits aus Keinath, „Die Technik elektrischer Messgeräte", Erster Band Messgeräte und Zubehör, Seite 509 f, Oldenbourg, München und Berlin 1928, ein Kabel-Stromwandler zur Messung der Stromverteilung in Mehrfachleitungen bekannt. Der Stromwandler besteht im wesentlichen aus einem Eisenkern mit einem aufklappbaren Schenkel zur unterbrechungsfreien Anschaltung an eine stromführende Leitung und einer Wicklung mit mindestens zwei Anschlüssen zur Anschaltung eines Messinstruments.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Einrichtung zur Energieversorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen anzugeben, deren Verfügbarkeit den Anforderungen der industriellen Automatisierungstechnik genügt, die freizügig an die vorgegebene Anlagentopologie anpassbar ist und die in explosionsgefährdeten Anlagen einsetzbar ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
• Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass in verfahrenstechnischen Anlagen regelmäßig Wechselspannung führende Versorgungsnetze zur Energieversorgung von Motoren, Pumpen, Beleuchtungsanlagen und dergleichen vorhanden sind.
• Zur Energieversorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen ist ein mehradriges Kabel mit einer geradzahligen Adernzahl linear in der verfahrenstechnischen Anlagen verlegt. Die Adern dieses Kabels sind gleichsinnig in Reihe geschaltet. Die die freien Aderenden sind an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, die aus dem Versorgungsnetz gespeist ist. Darüber hinaus ist eine Stromwandleranordnung, deren Magnetkreis die Adern des mehradrigen Kabels umschließt, mit mindestens einer Sekundärwicklung vorgesehen. An die Sekundärwicklung ist mindestens ein Feldgerät angeschlossen.
• Das in der Anlage verlegte und in der beschriebenen Weise verschaltete mehradrige Kabel stellt somit die Primärwicklung der Stromwandleranordnung dar. Auf diese Weise wird nach dem für sich bekannten Transformatorprinzip elektrische Energie von dem aus der Wechselspannungsquelle gespeisten Primärstromkreis in den vom Feldgerät belasteten Sekundärstromkreis übertragen. Dabei ist der Sekundärstromkreis galvanisch vom Primärstromkreis getrennt.
• Die induktive Energieauskopplung geschieht sowohl beim Hinzufügen als auch beim Entfernen eines Feldgeräts ohne dediziertes Abschalten desselben funkenfrei. Damit ist eine fundamentale Forderung für die Zulassung der erfindungsgemäßen Einrichtung in explosionsgefährdeten Anlagen erfüllt.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeospiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung zur Energieversorgung eines Feldgeräts
• 2 eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung zur Energieversorgung einer Mehrzahl von in einer Anlage verteilten Feldgeräten
• In 1 ist eine Einrichtung zur Energieversorgung prinzipiell dargestellt. Dazu ist ein mehradriges Kabel 10 mit einer Mehrzahl von Adern 11 bis 1n linear in einer verfahrenstechnischen Anlage verlegt. Das mehradrige Kabel 10 weist eine geradzahlige Adernzahl n = 2m auf. Dabei sind die Adern 11 bis 1n des mehradrigen Kabels 10 in zwei Adernbündel zu jeweils m Adern zusammengefasst. Das erste Adernbündel umfasst die Adern 11 bis 1m und das zweite Adernbündel die Adern 1m+1 bis 1n.
• Die Adern 11 bis 1n des mehradrigen Kabels 10 sind in Reihe geschaltet. Dabei ist jeweils ein Adernanfang aus dem ersten Adernbündel mit einem Adernanfang aus dem zweiten Adernbündel und ein Adernende aus dem ersten Adernbündel mit einem anderen Adernende aus dem zweiten Adernbündel verbunden. Die freien Aderenden 11a und 1na sind an eine Wechselspannungsquelle 20 angeschlossen. Die Stromflussrichtung ist in allen Adern jedes Adernbündels gleich. Die Stromflussrichtung in den beiden Adernbündeln ist jeweils entgegengesetzt.
• In bevorzugter Ausführungsform ist die Wechselspannungsquelle 20 durch einen direkten Anschluss an das Wechselspannung führende Versorgungsnetz zur Energieversorgung von Motoren, Pumpen, Beleuchtungsanlagen und dergleichen gebildet. In einer alternativen Ausführungsform kann ein untersetzender Transformator vorgesehen sein, dessen Primärwicklung an das Wechselspannung führende Versorgungsnetz angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung mit den freien Aderenden 11a und 1na verbunden sind. Vorteilhafterweise wird das mehradrige Kabel 10 dadurch mit Niederspannung beaufschlagt. Dementsprechend sinken die Anforderungen an den Berührungsschutz für das mehradrige Kabel 10. Das mehradrige Kabel 10 kommt mit einer geringeren Isolation aus und ist flexibler in der Anlage verlegbar.
• Darüber hinaus kommt das mehradrige Kabel 10 bei niedriger Speisespannung und bei gleichem Adernwiderstand mit einer geringeren Adernanzahl aus.
• Weiterhin ist eine Stromwandleranordnung 30 mit einer Sekundärwicklung 31 vorgesehen, die eine aufklappbare Jochanordnung umfaßt. Dadurch wird erreicht, dass der Stromwandleranordnung 30 an beliebiger Stelle entlang des mehradrigen Kabels 10 angeordnet werden kann. Die Jochanordnung der Stromwandleranordnung 30 umschliesst genau ein Adernbündel. Dazu wird am Einbauort der Stromwandleranordnung 30 der Kabelmantel des mehradrigen Kabels 10 entfernt und die Adern 11 bis 1n in die Bündel gleicher Stromflussrichtung aufgeteilt. Anschließend wird im Bereich des fehlenden Kabelmantels eine nicht dargestellte Hilfsisolierung aufgebracht.
• Aus einem der beiden Adernbündel wird über die Jochanordnung und die Sekundärwicklung 31 die Speiseleistung ausgekoppelt. Die Sekundärwicklung 31 ist über eine Stichleitung mit mindestens einem Feldgerät 40 verbunden.
• Das Feldgerät 40 ist mit einer Antenne 41 zur drahtlosen Kommunikation mit einer zentralen Einrichtung und Mitteln zur Erfassung einer Prozessgröße 50 sowie deren umsetzung in ein elektrisches Signal ausgestattet.
• Dabei kann kann vorgesehen sein, dass die freien Aderenden 11a und 1na über eine Sicherung 16 an eine Wechselspannungsquelle 20 angeschlossen sind. Vorteilhafterweise ist somit jede Speiseeinrichtung zur Energieversorgung von Feldgeräten jeweils separat abgesichert. Dadurch wird erreicht, dass Störungen in einer Speiseeinrichtung auf diese gestörte Speiseeinrichtung begrenzt bleiben und Störungen benachbarter Speiseeinrichtungen vermieden werden.
• Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die freien Aderenden 11a und 1na über einen Widerstand 15 an eine Wechselspannungsquelle 20 angeschlossen sind. Vorteilhafterweise wird dadurch in Abhängigkeit vom Adernwiderstand des Kabels 10 und der Spannung der Wechselspannungsquelle 20 der Stromfluss durch die Adern 11 bis 1n des mehradrigen Kabels 10 wirksam begrenzt.
• In 2 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel eine Einrichtung zur Energieversorgung einer Mehrzahl von in einer Anlage verteilten Feldgeräten 40 dargestellt.
• Das Kabel 10 ist n-adrig ausgeführt, linear in der Anlage verlegt. Der Kabelanfang ist an einen Verteiler 17 und das Kabelende ist an einen Leitungsabschluss 18 angeschlossen. Der Verteiler 17 umfaßt soweit vorgesehen die Sicherung 16, den Widerstand 15 und die Verschaltung der Kabeladern 11 bis 1n in Reihe. Der Leitungsabschluss 18 umfasst die Verbindungen der Kabelenden 11e bis 1ne in der oben beschriebenen Weise.
• Entlang des Kabels 10 sind eine Mehrzahl von Feldgeräten 40 in der Anlage angeordnet und über stilisiert dargestellte Stromwandleranordnungen 30 induktiv an das Kabel 10 angeschaltet. Jedes Feldgerät 40 ist über eine zweiadrige Stichleitung mit der Sekundärwicklung 31 der Stromwandleranordnung 30 verbunden. Dabei kann vorgesehen sein, an dieselbe Stichleitung mehrere Feldgeräte 40 anzuschalten.
• Die induktive Energieauskopplung erfolgt auch ohne Abschaltung beim Hinzufügen und Entfernen von Feldgeräten funkenfrei. Das Kabel 10 und die Stichleitungen sind den Vorschriften über nichteigensichere Leitungen entsprechend ausgeführt. Der Verteiler 17 ist nach den Vorschriften über Einrichtungen in erhöhter Sicherheit „EEx e" nach EN 50019 ausgeführt. Die Stromwandleranordnung 30 ist vorteilhafterweise in Vergusskapselung „EEx m" nach EN 50028 ausgeführt.
• In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Feldgeräten 40, die in einem funktionalen Zusammenhang stehen, jeweils durch eine Verkettungsleitung 42 miteinander verbunden sind. Über diese Verkettungsleitung 42 werden unabhängig von und parallel zu der drahtlosen Kommunikation Signale zwischen den funktional verbundenen Feldgeräten 40 übertragen. Diese funktional verbundenen Feldgeräten 40 sind im einfachsten Fall Elemente einer Steuerkette bestehend aus einem Messwertaufnehmer, einer Steuerung und einem Aktor. Anstelle der Steuerung kann auch eine Regelung vorgesehen sein.
• Die Signalübertragung zwischen den funktional verbundenen Feldgeräten 40 erfolgt redundant über die drahtlose Kommunikation und über die Verkettungsleitungen 42 und gilt damit als besonders ausfallsicher. Vorteilhafterweise unterstützt diese Ausgestaltung die Zertifizierung der Feldgeräte 40 in Sicherheitsstufen des SIL (Safety Integrity Level) gemäß IEC 61508/IEC 61511.

10

Kabel

11 bis 1n

Adern

11a bis 1na

Aderanfang

11e bis 1ne

Aderende

15

Widerstand

16

Sicherung

17

Verteiler

18

Leitungsabschluss

20

Wechselspannungsquelle

30

Stromwandleranordnung

31

Sekundärwicklung

40

Feldgerät

41

Antenne

42

Verkettungsleitung

50

Prozessgröße

Claims (4)

1. Einrichtung zur Energieversorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen, die zur drahtlosen Kommunikation befähigt sind, dadurch gekennzeichnet, – dass ein mehradriges Kabel (10) mit einer geradzahligen Adernzahl n = 2m linear in der verfahrenstechnischen Anlage verlegt ist, – dass die Adern (11 bis 1n) des mehradrigen Kabels (10) in Reihe geschaltet sind, – dass die freien Aderenden (11a, 1na) an eine Wechselspannungsquelle (20) angeschlossen sind, – dass mindestens eine Stromwandleranordnung (30), deren Magnetkreis die Adern (11 bis 1m) gleicher Stromflussrichtung des mehradrigen Kabels (10) umschließt, mit mindestens einer Sekundärwicklung (31) vorgesehen ist und – dass an die Sekundärwicklung (31) mindestens ein Feldgerät (40) angeschlossen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die freien Aderenden (11a, 1na) über einen Widerstand (15) an die Wechselspannungsquelle (20) angeschlossen sind.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die freien Aderenden (11a, 1na) über eine Sicherung (16) an die Wechselspannungsquelle (20) angeschlossen sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Stromwandleranordnung (30) eine aufklappbare Jochanordnung umfasst.