Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Steuerung von busvernetzten Geräten mit einem Gateway über einen offenen Feldbus. Der Gegenstand umfasst insbesondere die datentechnische Vernetzung, die Teilnehmerkonfiguration der Geräte und die elektrische Versorgung mit Energie an die Geräte. Als typische Geräte werden industrielle Schaltgeräte, wie Schütze, Motorstarter, Leistungsschalter und Mess-Sensoren und ähnliche Geräte verstanden.

Vorerwähnte industrielle Schaltgeräte und andere werden in elektrischen Anlagen in der Regel zentral über ein Steuerungssystem, beispielsweise über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) geschaltet bzw. überwacht. Typischerweise werden die Schaltgeräte über die Steuerverdrahtungsleitungen an die Steuereinheit (z.B. die SPS) angebunden. Diese besteht in der Regel aus den Leitungen, die das Schaltgerät, hier vorzugsweise ein Schütz, ein- und ausschalten können und die gleichzeitig die notwendige Energie zum Schalten des Schaltgerätes bereitstellen und um Leitungen, die die Signale von dem Schaltgerät zur Überwachung an die Steuereinheit zurückgeben. Beispiele für Signale für die Überwachung eines Schaltgerätes, hier wieder vorzugsweise für einen Motorstarter, ist der Status der Schützschaltstellung (EIN/AUS) oder der Status des Motorschutzschalters (EIN/AUSGELÖST).

Beim Aufbau einer elektrischen Anlage (z.B. ein Schaltschrank) ist die Verdrahtung und Verschaltung der elektrischen Schaltgeräte mit dem Steuerungssystem Handarbeit, die typischerweise von Elektrofachkräften durchgeführt wird. Diese Arbeit kann häufig ein sehr zeitaufwendiger Teil des Schaltschrankaufbaus sein. Weiterhin ist die Verdrahtung über viele gleichartige Steuerleitungen fehleranfällig, da sie beispielsweise bei der Verlegung im Kabelkanal vertauscht und dann an Klemmen von falschen Geräten angeschlossen werden können. Darüber hinaus müssen die Steuerleitungen an die einzelnen Schaltgeräte gelegt werden, um sie dort elektrisch an zuschließen. Dazu ist weiterer Aufwand in der Form nötig, dass für die Verlegung der Leitungen Kabelkanäle auf Maß abgelängt und diese auf die Montageplatte montiert werden müssen, in die dann die einzelnen Steuerleitungen verlegt werden können.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein zuvor beschriebenes System und ein Verfahren derart zu vereinfachen, dass eine aufwändige Verdrahtung entfällt und der Anwender mit geringem Bedienaufwand das System überprüfen, konfigurieren und bei Fehlermeldungen neu starten kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Weiterführungen Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen formuliert.

Die Erfindung betrifft ein System, mit dem Aktoren, vorzugsweise industrielle Schaltgeräte, wie z.B. Leistungsschalter oder Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen über ein Applikationsbus-System, hier vorzugsweise über den LIN-Bus, datentechnisch vernetzt werden, mit dem Ziel, die angeschlossenen industriellen Schaltgeräte zu steuern und zu überwachen. Das System weist mindestens ein Gateway auf, welches zwischen einem offenen Feldbus und Aktoren geschaltet ist.

Besondere Vorteile des vorgelegten Gegenstandes sind, dass die Steuerverdrahtung zu den industriellen Schaltgeräten durch ein steckbares und leicht montierbares Leitungsverbindungssystem ersetzt ist. Es werden aufwendige und fehleranfällige Installationen der Steuerverdrahtung eliminiert und der Einsatz von Kabelkanälen, die zur Leitungsverlegung notwendig sind, bzw. die Montage der Kanäle wird eingespart.

Solche Verdrahtungen betreffen die Steuerleitungen, hier vorzugsweise für ein Schütz, die Leitung zum Ein- und Ausschalten des Schützes, und die Statusleitungen, hier beispielsweise zum Abfragen der Schaltstellung des Schützes oder der Status eines Motorschutzschalters (EIN, AUSGELÖST).

Es ist natürlich möglich, als Aktoren komplexere Geräte anzuschließen, welche mehr Informationen und Daten austauschen können. Solche Geräte können beispielsweise industrielle Schaltgeräte, wie Leistungsschalter, Motorstarter oder Frequenzumrichter sein.

1 drei typische Hardwarekomponenten eines beispielhaften Systems,

2 ein Fließdiagramm für die Darstellung des Systemtests und der Übernahme einer neuen Sollkonfiguration der angeschlossenen Geräte am Applikationsbus,

3A und 3B Blockschaltbilder des Applikationsbus-Systems,

4A bis 4C drei Konfigurationen von Busteilnehmern,

4D Anschaltung eines weiteren Busteilnehmers und

5 ein System bestehend aus einem Gateway, Busteilnehmern und mit einem Power Modul.

In den Figuren sind das vorgelegte System und das zugehörige Verfahren zur datentechnischen Vernetzung am Beispiel von Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen dargestellt. Der Gegenstand der Anmeldung soll jedoch durch die beispielhafte Darstellung nicht auf Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen, die auch als Motorstarter bezeichnet werden, beschränkt sein.

In 1 sind mit 1A ein Gateway 20, mit 1B ein Busteilnehmer (hier als Steckmodul 45 auf einer Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen) und mit 1C ein Power Modul 50 als typische Hardwarekomponenten eines beispielhaften Systems gezeigt.

Das Gateway besitzt eine Schnittstelle zu einem übergeordneten Steuerungssystem, beispielsweise zu einem offenen Feldbus 2, wie Profibus DP, Device Net oder CANopen oder andere, wodurch es datentechnisch an das übergeordnete Feldbussystem angeschlossen ist. Das Gateway steuert über eine Flachbandleitung 8 die auf dem Applikationsbus 10 vernetzten, als industrielle Schaltgeräte eingesetzten Busteilnehmer N1 ... Nn. Das Gateway weist eine erste Einspeisung 24 für die Versorgung 14 der eigenen Elektronik und der Elektronik der Busteilnehmer und eine zweite Einspeisung 25 für die Versorgung 16 der Busteilnehmer auf. Letztere ist Hilfsspannung für die Aktorhandlungen der Busteilnehmer, wobei hier beispielhaft die Versorgung von Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen vorgesehen angesprochen sein soll. Das Gateway hat mindestens eine Leuchtdiode 28, die der Statusanzeige von Betriebszuständen des Gateways und der Buskommunikation dient. Das Gateway weist einen Konfigurationstaster 27 auf, der dem Start der automatischen Buskonfiguration der Busteilnehmer dient; und im Gateway ist mindestens ein Speicherbaustein vorhanden, der zur remanenten Sicherung der Buskonfiguration verwendet wird.

Für eine Motorschutzschalter-Schütz-Kombination wird ein Steck-Modul (SM, 40) eingesetzt, welches mechanisch und elektrisch auf das Schütz adaptiert wird. Das Steckmodul 40 hat zwei Stiftkontakte 49, die zur elektrischen Verbindung zur Schützspule dienen. Dieses Steck-Modul übernimmt die Steuerungsverdrahtung. Hiermit wird die Schützspule elektrisch angesteuert und die Schützschaltstellung elektrisch abgefragt; weiterhin bietet sich die Möglichkeit, einen elektrisch potentialfreien Kontakt abzufragen. Neben den elektrischen Funktionen ist am Steckmodul eine Schaltstellungsanzeige 46 vorhanden, die rein mechanisch – für den Bediener sichtbar – die Schaltstellung anzeigt. Die Mindesteigenschaften eines Steckmoduls sind:

• • es schaltet die Hilfsspannung 16 an die Schützspule,
• • es weist eine mechanische Anzeige 46 zur Darstellung von Aktorstellungen auf,
• • es hat eine Anzeige 48 für den eigenen Betriebsstatus,
• • es hat einen digitalen Eingang 44 für den Anschluss eines potentialfreien Schaltkontakts,
• • es weist eine Stromkreisunterbrechung 45 für den Aktor auf.

Eine solche Stromkreisunterbrechung kann beispielsweise für die elektrische Verriegelung eines Wendestarters genutzt werden.

Der Applikationsbus 10 wird über eine mehradrige – hier sechsadrige – Flachbandleitung 8 betrieben (siehe 3A und 3B). Die Leitung 8 wird – beginnend vom Gateway 20 – von Busteilnehmer zu Busteilnehmer über Verbindungsstecker gesteckt. An jedem Busteilnehmer (Nx) sind zwei Steckbuchsen (41, 42) ausgebildet zum Stecken auf der Bus-Eingangsseite und auf der Bus-Ausgangsseite der Flachband-Verbindungsleitung 8. Wegen der linearen Anordnung der Teilnehmer hat der letzte Busteilnehmer Nn ausgangsseitig keine gesteckte Verbindungsleitung; dessen Ausgangsseite 42 bleibt 'leer'.

Jeder Busteilnehmer hat eine Status-Anzeige (28, 48, 58), um den Gerätestatus (vorzugsweise optisch, als LSD) anzuzeigen. Jeder Busteilnehmer (Nx) hat eine Zweipolklemme (44, 45, 54, 55), um dort einen potentialfreien Kontakt anschließen zu können, z. B. für den Hilfsschalter zur Abfrage der Motorschutzschalterstellung.

Es soll noch auf 5 verwiesen werden, in der weitere Einzelheiten gezeigt sind.

Am ersten Busteilnehmer N1, der (hier beispielhaft) als Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen zu verstehen ist, sind der Netzanschluss (L1 L2 L3) und die Last M eingezeichnet. Weiterhin stellt die obere Hälfte des Busteilnehmers einen Motorschutzschalter dar und die untere Hälfte das auf ein Schütz aufgestecktes Steckmodul 45 mit seinen Steckbuchsen und der mechanischen Anzeige 48 für die Kontaktstellung des Schütz. Die Darstellung nach 5 kann als Applikationsbus mit n Teilnehmern verstanden werden, in den optional ein Power Modul 50 eingefügt ist. Die Erläuterung zum Power Modul folgt weiter unten.

In 2 ist – oben (2A) – ein Fließdiagramm für die Darstellung des Systemtests und – unten (2B) – ein Fließdiagramm für der Übernahme einer neuen Sollkonfiguration dargestellt.

Der Pfad, welcher über 2 mal 'nein' nach links führt, zeigt die Situation, bei der kein Busteilnehmer vorhanden ist und dies als Sollkonfiguration vorgegeben ist. Der mittlere Pfad wird als Schleife solange durchlaufen, bis alle vom Gateway erwarteten (in der Konfiguration eingeschriebenen) Busteilnehmer erfasst sind.

Im Ergebnis gibt es die beiden Möglichkeiten: Ist-Konfiguration gleich Soll-Konfiguration und Ist-Konfiguration ungleich Soll-Konfiguration. Im ersten Fall ist das System betriebsbereit und der Status wird mit der statisch leuchtenden Status-LSD 28'' angezeigt. In der Ungleich-Situation blinkt die Status-LSD 28', wodurch der Bediener zur Betätigung des Konfigurationstasters 27 veranlasst wird. Mit der Betätigung des Konfigurationstasters 27 wird die vorhandene Konfiguration als Soll-Konfiguration übernommen und das System geht in die endgültige Überprüfung (2B) über.

Hierbei wird jeder einzelne Teilnehmer vom Gateway abgefragt und die evtl. vorhandenen Parameter im Gateway gesichert. Weiterhin wird geprüft, ob die maximal zulässige Anzahl von Teilnehmern am Applikationsbus nicht überschritten wurde. Ist dies der Fall, so geht das Gateway wieder in den Fehlerstatus über. Wurden alle Teilnehmer erfasst, so geht das Gateway und die Teilnehmer in den normalen Betriebszustand über, in dem die Steuerdaten bzw. Statusdaten zwischen dem Gateway und den Teilnehmern ausgetauscht werden.

Die 3A, 3B zeigt Blockschaltbilder der Bussteuerung, die der Fachmann unmittelbar lesen kann. Die 3A gibt das Gateway und den ersten Busteilnehmer N1 und 3B ein eingefügtes Power Modul 50 und einen zweiten Busteilnehmer N2 wieder. Auf der Einspeiseseite sind die Eingänge für den Bus 2 (Steckverbindung 23) und der Spannungsversorgung (14, GND, 16) eingezeichnet. Mit U1 wird die Spannungsversorgung 14 für die Elektronik im Gateway und der Busteilnehmer und mit U2 die Hilfsspannung 16 für Teilnehmerapplikation verstanden. Der Ausgang (Steckerbuchse 22) des Gateways führt zu einer 6adrigen Flachbandleitung.

In die lineare Reihe von Busteilnehmern kann optional an einer beliebigen Stelle ein Power Modul (PM) zwischengeschaltet werden (3B). Dies ist auch in 5 noch einmal schematisch angedeutet. Mit dem Zwischenschalten eines Power Moduls wird die 'lineare' Energieversorgung von Busteilnehmer zu Busteilnehmer unterbrochen. Die Datenverbindung und die Hilfsspannung 14 zwischen dem vor dem Power Modul liegenden Busteilnehmern N1, N2, N3 und dem hinter dem Power Modul liegenden Busteilnehmer Nn wird durchgeschleift.

Mit dem in den Busleitungsverbund geschalteten Power Modul (PM, 50) wird eine neue Einspeisung für die in der Busreihe folgenden Busteilnehmer (Gruppe G) realisiert, dazu wird das Power Modul an eine Spannungsversorgung 16' angeschlossen, beispielsweise an 24 Volt DC. In 3B ist die Spannungsversorgung 16' von unten kommend und in 5 von oben kommen zeichnerisch dargestellt. Diese Spannungsversorgung kann beispielsweise eine Schützversorgung für eine Gruppe von Busteilnehmern sein, die als eigene NOT-AUS Kette fungieren sollen. Das Power Modul weist Schraubklemmen 54, 55 für die Energie-Einspeisung 16' auf. Ansonsten hat das Power Modul – wie die anderen Busteilnehmer – zwei Steckbuchsen 51, 52, wobei einer der Eingang und der andere der Ausgang für das Verbindungsstecksystem ist. Ebenso ist am Power Modul eine Status-Anzeige 58 vorhanden (vorzugsweise zur optischen Anzeige über eine LED), welche anzeigt, ob die Einspeisespannung 16' an die Gruppe G der dem Power Modul folgenden Busteilnehmer anliegt.

Mit dem vorgestellten System ist es nicht mehr nötig, eine konventionelle Steuerverdrahtung für vernetzte industrielle Schaltgeräte vorzunehmen. Vorzugsweise für Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen wird mit einer einzigen steckbaren Verbindungsleitung die Vernetzung vorgenommen. Die Verbindungsleitung 8 überträgt einerseits Steuerdaten bzw. Statusdaten und andererseits die nötige Energie für die Schaltgeräte. Darüber hinaus ist es durch den Einsatz der vorgenannten Power Module möglich, Gruppen von Busteilnehmern zu bilden, wodurch eine gesonderte Energieversorgung und -überwachung einer solchen Gruppe möglich ist. Die Gruppenbildung kann beispielsweise dazu verwendet werden, ein bestimmtes Segment oder einen bestimmten Kreis aufzubauen, in denen die Schaltgeräte einen gesonderten NOT-AUS-Kreis bilden, in dem diese überwacht, zu- oder abgeschaltet werden können. Wie erwähnt sind die Power Module optional einsetzbar.

In der Zeichnung stellt ein heller Kreis mit der Kennzeichnung '' eine leuchtende LED 28, 48, 58, ein schwarzer Kreise (ohne Kennzeichnung) eine nicht leuchtende LED 28, 48, 58 und ein Kreis mit Strahlenkranz (mit Kennzeichnung') eine blinkende LED 28, 48, 58 dar.

Für die Anbindung an das Feldbussystem 2 ist das Gateway 20 das zentrale Element. Von Gateway werden die Busteilnehmer mit Energie versorgt, gesteuert und überwacht und Steuer- und Statusdaten aller angeschlossenen Busteilnehmer an das übergeordnete Feldbussystem 2 übertragen. Es wird erstens an eine Spannungsversorgung 14 für die eigene Elektronik und zweitens an eine Spannungsversorgung 16 angeschlossen, die die Busteilnehmer versorgt. Mit dieser Ausbildung der Spannungsversorgung kann die Hilfsspannung 16 für Busteilnehmer (beispielsweise Spannung an die Schützspulen) unabhängig von der Busfunktionalität (z.B. NOT-AUS-System) abgeschaltet werden.

Über das Steckverbindersystem eines hier vorgesehenen 6adrigen Flachbandkabels 8 können dann die Busteilnehmer (beispielsweise Motorschutzschalter-Schütz-Kombinationen mit Steckmodulen) der Reihe nach angeschlossen werden. Wird die Spannung 14 an einem aufgebauten System erstmalig eingeschaltet, so prüft das Gateway 20 die angeschlossenen Teilnehmer N1 ... Nx am Applikationsbus-System. In der Ausgangssituation ist als Sollkonfiguration eine Anordnung ohne Busteilnehmer vorgesehen.

In 4A sind n Busteilnehmer bei einer Sollfiguration (kein Busteilnehmer) verdrahtet. Hierbei erwartet das Gateway 20 zunächst wegen der Sollkonfiguration keinen Teilnehmer. Daher geht das Gateway wegen des Konfigurationsfehlers in den Fehlerstatus und dies wird optisch am Gateway durch eine blinke LED 28' (oben rechts) angezeigt. Der erste Busteilnehmer N1, welcher direkt am Gateway angeschlossen ist, blinkt (LED 58') ebenfalls, weil es vom Gateway nicht erwartet wurde. Alle weiteren Status-LEDs 58 der anderen Busteilnehmer N2 ... bis Nx sind aus.

Nach 4B wird zur Übernahme der angeschlossenen Busteilnehmer als Sollkonfiguration am Gateway 20 ist der Konfigurationstaster 27 gedrückt worden. Nun wird über den Applikationsbus 10 vom Gateway der Reihe nach geprüft, wieviel Busteilnehmer (N1 ... Nx) am Applikationsbus angeschlossen sind. Dabei werden die Busteilnehmer der Reihe nach durchnummeriert. Jeder einzelne Busteilnehmer speichert die spezifische Kennnummer nullspannungssicher ab. Im Gateway werden ebenfalls alle Kennnummern nullspannungssicher gespeichert. Nach diesem Prozess sind alle angeschlossenen Busteilnehmer konfiguriert. LED 28'' am Gateway und LEDs 48'' an den Busteilnehmern sind alle statisch eingeschaltet und leuchten.

Die 4B entspricht auch der Situation, in der das System vor dem Gateway elektrisch (Spannung 14) abgeschaltet ist und erneut eingeschaltet wird. Nach dem Einschalten prüft das Gateway der Reihe nach alle angeschlossenen Busteilnehmer und vergleicht diese Schritt für Schritt mit der intern gespeicherten Sollkonfiguration. In der beschriebenen Situation stimmt die Sollkonfiguration mit der angeschlossenen Teilnehmerkonfiguration (Ist-Konfiguration) – weil unverändert – überein. Damit bleibt das System betriebsbereit.

Die einzelnen Busteilnehmer können nun über den Buscontroller des übergeordneten Feldbusses 2 gesteuert und überwacht werden. Ändert sich die Struktur der angeschlossen Geräte z.B. durch Erweiterung oder Entfernen von Geräten, so wird dies an hand der abweichenden Soll-Ist-Konfiguration vom Gateway erkannt und durch die Status-LSD angezeigt.

4C zeigt ein Beispiel mit einer vorhandenen Konfiguration von einem Gateway und n Busteilnehmern, die nach dem Konfigurieren betriebsbereit ist. Wird dieser Aufbau um einen oder mehrere Busteilnehmer (Nin) ergänzt, so ergibt sich nach dem Einschalten folgendes Bild. Die Gateway-Status-LED 28' blinkt, weil die bisherige Soll-Konfiguration (n Busteilnehmer) von der Ist-Konfiguration (n + 1 Busteilnehmer) abweicht. Außerdem blinkt auch die LED 58' des ersten hinzugefügten (auch bei mehreren eingefügten) Busteilnehmers, weil er oder sie vom Gateway nicht erwartet wurden. Der Anwender kann so sehr einfach anhand der blinkenden LEDs erkennen, wo die Abweichung der Ist-Konfiguration vorliegt. Durch einfaches Drücken der Konfigurationstaste 27 wird die neue Konfiguration vom Gateway automatisch übernommen. Nach Ablauf der automatischen Buskonfiguration wäre nunmehr dieselbe Situation für n + x Busteilnehmer gegeben, wie sie für n Busteilnehmer in 4B dargestellt ist.

5 zeigt die Verwendung mindestens eines Power Moduls 50 zur Bildung von einer Gruppe G von Busteilnehmern. Durch das Power Modul werden die hinter dem Power Modul liegenden Busteilnehmer (hier Steck-Modul auf Motorschutzschalter-Schütz-Kombination) von der Hilfsspannungsversorgung 16 für die Teilnehmerapplikation abgeschnitten und es erfolgt eine neue Hilfsspannungseinspeisung 16' für letztere. Der Applikationsbus wird datentechnisch und bezüglich der Spannungsversorgung 14 für die Elektronik der Busteilnehmer 1:1 im Power Modul durchgeschleift. Bei der Abschaltung der im Power Modul eingespeisten Hilfsspannungseinspeisung 16' sind die Busteilnehmer (Schütze) hinter dem Power Modul spannungsfrei. Die Elektronik der Busteilnehmer bleibt aber weiterhin versorgt und kann somit auch weiterhin den aktuellen Aktorstatus (Kontaktstatus des Motorstarters) an das Gateway übertragen. Der Einsatz der Power Module wirkt sich dadurch vorteilhaft aus, dass sich unabhängige Gruppen von Motorschutzschalter-Schütz-Kombination bilden lassen, z.B. einen NOT-AUS-Schaltkreis, der separat abgeschaltet werden kann. Der Einsatz von Power Modulen kann an beliebiger Stelle im Verbindungsstecksystem erfolgen. Es können auch mehrere Power Module im Verbindungsstecksystem eingebaut werden, so dass mehrere unabhängige Gruppen von Busteilnehmern gebildet werden.

2

offener Feldbus

8

Verbindungsleitung (beispielsw. 6adriges Flachbandkabel)

10

Applikationsbus (LIN-BUS)

N1 bis Nn-x

Busteilnehmer (Aktor, Motorstarter, Leistungsschalter)

14 14'

Primärspannung (24 V DC)

16 16'

Hilfsspannung (24 V DC)

20

Gateway

23

Steckerbuchsen für offenen Feldbus

24

Einspeisung Primärspannung (Schraubklemmen)

25

Einspeisung Hilfsspannung (Schraubklemmen)

27

Konfigurationstaster

28

Status-LSD

40

SM Steckmodul

41 42

Steckerbuchsen für Verbindungsstecker an Flachbandleitung

44 45

Steckerbuchsen für Spannungsversorgung

46

mechanische Anzeige

48

Kontroll-LSD

49

Steckstifte zur Anordnung auf Schütz bei einem Motorstarter

50

PM Power Modul

51 52

Steckerbuchsen für Verbindungsstecker an Flachbandleitung

54 55

Steckerbuchsen für Spannungsversorgung

58

Kontroll-LSD

L1 L2 L3

Netzanschluss für Busteilnehmer (Aktor)

M

Last (Motor) an Netzspannung