Schnelle potenzialgetrennte Datenübertragung über Zweidraht leitungen

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Feldverteiler der Automatisierungstechnik,

- wobei der Feldverteiler eine Eingangsbaugruppe aufweist, die ihrerseits einen Kommunikationsanschluss aufweist, so dass die Eingangsbaugruppe in der Lage ist, über ihren Kom munikationsanschluss mit einer dem Feldverteiler übergeord neten Zentraleinheit zu kommunizieren,

- wobei der Feldverteiler eine Anzahl von Ausgangsbaugruppen aufweist, die jeweils einen Kommunikationsanschluss aufwei sen, so dass die jeweilige Ausgangsbaugruppe in der Lage ist, über den jeweiligen Kommunikationsanschluss mit einem jeweiligen, dem Feldverteiler untergeordneten Feldgerät zu kommunizieren,

- wobei die Eingangsbaugruppe mit den Ausgangsbaugruppen kom muniziert .

In einer explosionsgefährdeten Umgebung eingesetzte Feldver teiler müssen auch für ihre Datenübertragung mit anderen Ge räten eine Potenzialtrennung aufweisen, damit nicht verse hentlich hohe Potenzialunterschiede, welche zu einer Funken bildung und einer hierdurch hervorgerufenen Explosion führen können, an hierfür nicht bestimmte Anschlüsse angelegt wer den. Zur Gewährleistung der Spannungssicherheit müssen hier bei bei den Kommunikationsanschlüssen relativ große Abstände (Kriechstrecken und Luftstrecken) eingehalten werden. Es gibt nur wenige Bauelemente, die für eine derartige Potenzialtren- nung geeignet sind.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Datenübertragung von und zu den Feldverteilern mittels Optokopplern zu realisieren.

Die Datenübertragung über Optokoppler ist jedoch relativ langsam, weil die Optokoppler bei den erforderlichen großen Abständen die Daten nur mit einer geringen Datenrate - in der Regel bis maximal 2 MHz - übertragen können. Weiterhin sind zusätzliche Bauelemente wie beispielsweise eine Sicherung und Zenerdioden erforderlich, um die Optokoppler zuverlässig vor Überlastung zu schützen. Nur auf diese Weise kann bei der Verwendung von Optokopplern die erforderliche Sicherheit im explosionsgefährdeten Bereich erreicht werden.

Demnächst werden erheblich höhere Datenraten von 10 MBit und mehr gefordert. Derartige Datenraten können mit einem Opto koppler nicht erreicht werden, wenn zugleich die Sicherheits vorschriften für die explosionsgefährdeten Umgebung eingehal ten werden sollen. Es ist zwar bereits angedacht, dennoch Optokoppler einzusetzen. Dieser Einsatz ist aber nur möglich, wenn eine Trennspannung, welche die Optokoppler maximal tren nen können, deutlich unter 250 V Wechselspannung liegt. Wenn hingegen eine derart hohe Trennspannung gefordert ist, können entweder die Sicherheitsvorschriften nicht eingehalten werden oder die Spannungsfestigkeit muss anderweitig eingehalten werden .

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Datenübertragung von und zu den Feldverteilern über Lichtwellenleiter vorzunehmen. Mit Lichtwellenleitern können zwar sowohl eine hohe Datenrate als auch eine hohe Spannungsfestigkeit erreicht werden. Die Verwendung von Lichtwellenleitern ist jedoch teuer und erfor dert viel Platz. Insbesondere die Kosten stellen ein Hemmnis dar .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mög lichkeiten zu schaffen, mittels derer auf einfache und zuver lässige Weise eine Kommunikation eines Feldverteilers der Au tomatisierungstechnik mit anderen Geräten möglich ist, wobei sowohl die Potenzialtrennung erhalten bleiben soll als auch eine hohe Datenrate ermöglicht werden soll.

Die Aufgabe wird durch einen Feldverteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Feldverteilers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis

7. Erfindungsgemäß wird ein Feldverteiler der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,

- dass der Feldverteiler eine Anzahl von Transformatoren mit einer jeweiligen Primärwicklung und eine jeweiligen Sekun därwicklung aufweist und

- dass die Primärwicklung des jeweiligen Transformators über eine jeweilige primärseitige Zweidrahtleitung mit der Ein gangsbaugruppe verbunden sind und die Sekundärwicklung des jeweiligen Transformators über eine jeweilige sekundärsei tige Zweidrahtleitung mit jeweils mindestens einer der Aus gangsbaugruppen verbunden sind, so dass die Kommunikation der Eingangsbaugruppe mit den entsprechenden Ausgangsbau gruppen potenzialgetrennt ist.

Die Potenzialtrennung wird somit nicht unmittelbar bei der Kommunikation des Feldverteilers mit der Zentraleinheit und der Kommunikation des Feldverteilers mit den Feldgeräten im plementiert, sondern innerhalb des Feldverteilers im Rahmen der Kommunikation der Eingangsbaugruppe mit den Ausgangsbau gruppen, und zwar mittels des jeweiligen Transformators.

Vorzugsweise ist der jeweilige Transformator als Planartrans formator ausgebildet. Dadurch kann der jeweilige Transforma tor einfach und kostengünstig realisiert werden. Weiterhin ist diese Ausgestaltung erheblich kleiner als eine Lösung mit Lichtwellenleitern und erheblich schneller als eine Lösung mit Optokopplern.

Vorzugsweise basiert die Kommunikation über den jeweiligen Transformator auf dem Ethernet-Standard. Eine derartige Kom munikation wäre mit einer hohen Datenrate zwar nicht möglich, wenn die durch die jeweilige primärseitige und die jeweilige sekundärseitige Zweidrahtleitung hergestellte Verbindung eine größere Länge aufweisen würde. Die Länge kann jedoch sehr kurz gehalten werden (im Bereich von wenigen cm) . Über derart kurze Strecken ist eine entsprechende Kommunikation ohne wei teres möglich. Es ist möglich, dass die Kommunikation der Eingangsbaugruppe mit der jeweils mindestens einen Ausgangsbaugruppe über den jeweiligen Transformator unidirektional ist. In diesem Fall muss zum Bewirken einer bidirektionalen Kommunikation pro Kommunikationsrichtung jeweils ein eigener Transformator vor handen sein. Alternativ kann die Kommunikation der Eingangs baugruppe mit der jeweils mindestens einen Ausgangsbaugruppe bidirektional sein. Durch eine bidirektionale Kommunikation kann der Hardwareaufwand reduziert werden. Besonders vorteil haft ist, wenn die Kommunikation der Eingangsbaugruppe mit der jeweils mindestens einen Ausgangsbaugruppe simultan bidi rektional ist. Dadurch kann - bei gleichem Hardwareaufwand - die Geschwindigkeit des Datentransfers gesteigert werden.

Der erfindungsgemäße Feldverteiler kann ohne weiteres in ei ner explosionsgefährdeten Umgebung verwendet werden, da durch die erfindungsgemäße Kommunikation der Eingangsbaugruppe mit den Ausgangsbaugruppen die Potenzialtrennung zuverlässig ge währleistet ist.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:

FIG 1 Teile eines Systems der Automatisierungstechnik

FIG 2 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte und auf der

Leiterplatte angeordnete Komponenten und FIG 3 einen Schnitt durch die Leiterplatte von FIG 2.

Gemäß FIG 1 umfasst ein System der Automatisierungstechnik zumindest eine Zentraleinheit 1, mindestens einen Feldvertei ler 2 sowie an den Feldverteiler 2 angeschlossene Sensoren 3 und Aktoren 4. Oftmals sind mehrere Feldverteiler 2 vorhan den. Die Zentraleinheit 1 ist dem Feldverteiler 2 übergeord net. Die Sensoren 3 und Aktoren 4 sind dem Feldverteiler 2, an den sie angeschlossen sind, untergeordnet. Die Anzahl an Sensoren 3 und Aktoren 4, die an den jeweiligen Feldverteiler 2 angeschlossen sind, kann nach Bedarf sein. Die in Figur 1 dargestellte Anzahl von je zwei Sensoren 3 und Aktoren 4 ist rein beispielhaft. Die Sensoren 3 und Aktoren 4 werden nach stehend zusammen auch als Feldgeräte 3, 4 bezeichnet. Der Feldverteiler 2 und die Feldgeräte 3, 4 können insbesondere in einer explosionsgefährdeten Umgebung verwendet werden.

Der Feldverteiler 2 - in der Praxis oftmals als Switch be zeichnet - weist eine Eingangsbaugruppe 5 auf. Die Eingangs baugruppe 5 weist ihrerseits einen Kommunikationsanschluss 6 auf. Die Eingangsbaugruppe 5 ist dadurch in der Lage, über ihren Kommunikationsanschluss 6 mit der Zentraleinheit 1 zu kommunizieren. Die Kommunikation kann über eine Zweidrahtlei- tung 7 und insbesondere gemäß dem Ethernet-Protokoll erfol gen. Zur Potenzialtrennung der Kommunikation können im Ein zelfall sowohl der Kommunikationsanschluss 6 der Eingangsbau gruppe als auch ein Kommunikationsanschluss 8 der Zentralein heit einen Transformator 9 aufweisen. Die Kommunikation des Feldverteilers 2 mit der Zentraleinheit 1 kann jedoch auch anders realisiert sein. Die Kommunikation des Feldverteilers 2 mit der Zentraleinheit 1 kann auf dem Ethernet-Standard, dem PROFIBUS-Standard oder einem anderen Feldbus-Standard ba sieren. Auch eine Kommunikation über Lichtwellenleiter ist möglich .

Die Ausgangsbaugruppen 10 sind in der Regel als sogenannte APL-PHY ausgebildet. Sie weisen ihrerseits ebenfalls jeweils einen Kommunikationsanschluss 11 auf. Die Ausgangsbaugruppen 10 sind dadurch in der Lage, über den jeweiligen Kommunikati onsanschluss 11 mit dem jeweiligen Feldgerät 3, 4 zu kommuni zieren. Dargestellt ist dies in FIG 1 nur für eines der Feld geräte 3, 4. Der entsprechende Kommunikationsanschluss 11 ist jedoch bei allen Ausgangsbaugruppen 10 vorhanden. Die Kommu nikation der Ausgangsbaugruppen 10 mit den Feldgeräten 3, 4 erfolgt in der Regel über eine Zweidrahtleitung 12. Auch die Zweidrahtleitung 12 ist in FIG 1 nur für eine der Ausgangs baugruppen 10 dargestellt, aber bei allen Ausgangsbaugruppen 10 vorhanden. Der Feldverteiler 2 ist eine Zwischenstation im Rahmen der Kommunikation der Zentraleinheit 1 mit den Feldgeräten 3, 4. Die Eingangsbaugruppe 5 kommuniziert daher mit den Ausgangs baugruppen 10. Insbesondere nimmt die Eingangsbaugruppe 5 von der Zentraleinheit 1 Steuersignale entgegen, die von der Ein gangsbaugruppe 5 sodann an diejenigen Ausgangsbaugruppen 10 übermittelt werden, an welche die Aktoren 4 angeschlossen sind. Die entsprechenden Ausgangsbaugruppen 10 geben die Steuersignale an die jeweiligen Aktoren 4 aus. Umgekehrt neh men die an die Sensoren 3 angeschlossenen Ausgangsbaugruppen 10 von den Sensoren 3 deren Sensorsignale entgegen und über mitteln sie sodann an die Eingangsbaugruppe 5, die sie ihrer seits wiederum an die Zentraleinheit 1 weiterleitet. Die Kom munikation der Eingangsbaugruppe 5 mit den Ausgangsbaugruppen 10 kann - ebenso wie die Kommunikation des Feldverteilers 2 mit der Zentraleinheit 1 - auf dem Ethernet-Standard basie ren .

Um im Rahmen der Kommunikation der Eingangsbaugruppe 5 mit den Ausgangsbaugruppen 10 und damit im Ergebnis in der Kommu nikation der Zentraleinheit 1 mit den Feldgeräten 3, 4 eine zuverlässige Potenzialtrennung zu gewährleisten, weist der Feldverteiler 2 eine Anzahl von Transformatoren 13 mit einer jeweiligen Primärwicklung 14 und einer jeweiligen Sekun därwicklung 15 auf. Dargestellt ist dies in FIG 1 nur für ei nen Transformator 13. Anhand dieses Transformators 13 wird nachstehend die vorliegende Erfindung erläutert. Die entspre chenden Ausführungen gelten aber auch etwaige andere Trans formatoren 13, welche Ausgangsbaugruppen 10 mit der Eingangs baugruppe 5 verbinden.

Die Primärwicklung 14 des jeweiligen Transformators 13 ist über eine primärseitige Zweidrahtleitung 16 mit der Eingangs baugruppe 5 verbunden. Die Sekundärwicklung 15 des jeweiligen Transformators 13 ist über eine sekundärseitige Zweidrahtlei- tung 17 mit mindestens einer der Ausgangsbaugruppen 10 ver bunden. Mittels des Transformators 13 wird somit erreicht, dass die Kommunikation der Eingangsbaugruppe 5 mit der ent sprechenden Ausgangsbaugruppe 10 potenzialgetrennt ist. Theoretisch ist es denkbar, dass die Sekundärwicklung 15 des Transformators 13 nur mit einer einzigen Ausgangsbaugruppe 10 verbunden ist. In der Regel ist jedoch ein Multiplexer 18 vorhanden, mittels dessen die Sekundärwicklung 15 des Trans formators 13 sequenziell nacheinander, also im Zeitmultiplex, mit jeweils einer von mehreren Ausgangsbaugruppen 10 verbun den werden kann. Die Datenübertragung über den Multiplexer 18 als solche kann - nicht aber muss - potenzialgetrennt sein.

Gemäß FIG 2 sind die Eingangsbaugruppe 5, die Ausgangsbau gruppen 10 und der Transformator 13 auf einer Leiterplatte 19 angeordnet. Der Transformator 13 ist hierbei entsprechend der Darstellung in FIG 2 ein eigenständiges Bauteil.

Vorzugsweise ist der Transformator 13 entsprechend der Dar stellung in FIG 3 als Planartransformator ausgebildet. Es wird also ein Transformator 13 verwendet, bei dem die Pri märwicklung 14 und die Sekundärwicklung 15 als geätzte Lei terbahnen einer eigenen Leiterplatte 20 ausgebildet sind. Ge gebenenfalls können auf der eigenen Leiterplatte 20 auch meh rere derartige Transformatoren 13 angeordnet sein. Die Ein gangsbaugruppe 5 und die Ausgangsbaugruppen 10 sind hingegen in der Regel auf der anderen, größeren Leiterplatte 19 ange ordnet .

Der Abstand zwischen der Primärwicklungen 14 und der Sekun därwicklung 15 kann beispielsweise dadurch gewährleistet wer den, dass die Primärwicklung 14 und die Sekundärwicklung 15 des Transformators 13 entsprechend der Darstellung in FIG 3 auf verschiedene Seiten der Leiterplatte 20 aufgebracht sind. Durch die Ausbildung des Transformators 13 als Planartrans formator ergibt sich eine besonders kompakte Bauform des Transformators 13 bei gleichzeitig geringen Kosten, hoher Ef fizienz und geringem Streufeld.

Der Transformator 13, über welche die Eingangsbaugruppe 5 in nerhalb des Feldverteilers 2 mit der Ausgangsbaugruppe 10 bzw. mit den Ausgangsbaugruppen 10 kommuniziert, können er heblich robuster dimensioniert sein als die Transformatoren 9, die gegebenenfalls im Kommunikationspfad des Feldvertei lers 2 mit der Zentraleinheit 1 angeordnet sein können.

Dadurch kann der Transformator 13 eine erheblich größere Durchschlagspannung aufweisen. Er kann dadurch eine erheblich bessere Potenzialtrennung gewährleisten. Dennoch ist eine ho he Datenrate möglich, weil die zu überbrückende Entfernung nur im Bereich weniger cm liegt. Dies steht im Gegensatz zur Kommunikation des Feldverteilers 2 mit der Zentraleinheit 1 und den Sensoren 3 und den Aktoren 4. Hier müssen oftmals Entfernungen von vielen Metern - oftmals über 100 m und manchmal bis zu 1 km - überbrückt werden.

Um eine vollständige Potenzialtrennung der Eingangsbaugruppe 5 von den Ausgangsbaugruppen 10 zu erreichen, müssen auch Spannungsversorgungen für die Eingangsbaugruppe 5 und die Ausgangsbaugruppen 10 potenzialgetrennt sein. Dies ist jedoch ohne weiteres möglich und als solches nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Es ist möglich, dass die Kommunikation über den Transformator 13 unidirektional ist, also entweder ausschließlich von der Eingangsbaugruppe 5 zu den entsprechenden Ausgangsbaugruppen 10 gerichtet ist oder umgekehrt ausschließlich von den ent sprechenden Ausgangsbaugruppen 10 zu der Eingangsbaugruppe 5 gerichtet ist. In diesem Fall müssen in der Regel mindestens zwei Transformatoren 13 vorhanden sein, nämlich je ein Trans formator 13 für die Kommunikation von der Eingangsbaugruppe 5 zu den entsprechenden Ausgangsbaugruppen 10 und für die Kom munikation von den Ausgangsbaugruppen 10 zu der Eingangsbau gruppe 5.

Die Kommunikation der Eingangsbaugruppe 5 mit den Ausgangs baugruppen 10 über den Transformator 13 kann aber ohne weite res auch bidirektional sein. In diesem Fall kann es ausrei chen, dass der Feldverteiler 2 einen einzigen Transformator 13 aufweist.

Es ist sogar möglich, dass die Kommunikation über den Trans formator 13 kann sogar simultan bidirektional sein. Zur Im- plementierung einer simultanen bidirektionalen Kommunikation muss die Eingangsbaugruppe 5, um Informationen von der jewei ligen Ausgangsbaugruppe 10 entgegennehmen zu können, das an der primärseitigen Zweidrahtleitung 16 anstehende Signal er fassen. Weiterhin ist der Eingangsbaugruppe 5 - selbstver ständlich - bekannt, welches Signal sie selbst in die primär seitige Zweidrahtleitung 16 einspeist. Die Eingangsbaugruppe 5 kann daher auch die Differenz dieser beiden Signale bilden. Diese Differenz entspricht demjenigen Signal, das die ent sprechende Ausgangsbaugruppe 10 über die sekundärseitige Zweidrahtleitung 17 und den Transformator 13 in der primär seitigen Zweidrahtleitung 16 hervorruft. In völlig analoger Weise kann auch die jeweilige Ausgangsbaugruppe 10 die Diffe renz zwischen dem an der sekundärseitigen Zweidrahtleitung 17 anstehenden Signal und dem von ihr selbst in die sekundärsei tige Zweidrahtleitung 17 einspeisten Signal bilden. Diese Differenz entspricht demjenigen Signal, das die Eingangsbau gruppe 5 über die primärseitige Zweidrahtleitung 16 und den Transformator 13 in der entsprechenden sekundärseitigen Zwei drahtleitung 17 hervorruft.

Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung somit fol genden Sachverhalt:

Ein Feldverteiler 2 der Automatisierungstechnik weist eine Eingangsbaugruppe 5 auf, die ihrerseits einen Kommunikations anschluss 6 aufweist, so dass die Eingangsbaugruppe 5 in der Lage ist, über ihren Kommunikationsanschluss 6 mit einer dem Feldverteiler 2 übergeordneten Zentraleinheit 1 zu kommuni zieren. Der Feldverteiler 2 weist weiterhin eine Anzahl von Ausgangsbaugruppen 10 auf, die jeweils einen Kommunikations anschluss 11 aufweisen, so dass die jeweilige Ausgangsbau gruppe 10 in der Lage ist, über den jeweiligen Kommunikati onsanschluss 11 mit einem jeweiligen, dem Feldverteiler 2 un tergeordneten Feldgerät 3, 4 zu kommunizieren. Die Eingangs baugruppe 5 kommuniziert mit den Ausgangsbaugruppen 10. Der Feldverteiler 2 weist eine Anzahl von Transformatoren 13 mit einer jeweiligen Primärwicklung 14 und eine jeweiligen Sekun därwicklung 15 auf. Die Primärwicklung 14 ist über eine pri- märseitige Zweidrahtleitung 16 mit der Eingangsbaugruppe 5 verbunden. Die Sekundärwicklung 15 ist über eine sekundärsei tige Zweidrahtleitung 17 mit mindestens einer der Ausgangs baugruppen 10 verbunden. Dadurch ist die Kommunikation der Eingangsbaugruppe 5 mit den Ausgangsbaugruppen 10 potenzial getrennt .

Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbeson dere ist mit geringen Kosten eine hohe Datenrate erreichbar, wobei eine gute Potenzialtrennung bei hoher Spannungsfestig keit (250 V AC und mehr) erreicht werden kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Bezugszeichenliste

1 Zentraleinheit

2 Feldverteiler

3 Sensoren, Feldgeräte

4 Aktoren, Feldgeräte

5 Eingangsbaugruppe

6, 8, 11 Kommunikationsanschlüsse 7, 12, 16, 17 Zweidrahtleitungen

9, 13 Transformatoren

10 Ausgangsbaugruppen

14 Primärwicklung

15 Sekundärwicklung

18 Multiplexer

19, 20 Leiterplatten