ES1062986U - Bus de campo industrial con multiples alimentaciones y tierras. - Google Patents

Abstract

1. Bus de campo industrial con múltiples alimentaciones y tierras, del tipo que conecta una unidad de mando (10) con al menos un módulo electrónico de control distribuido (11), controlando cada módulo unos equipos de campo (12), y que comprende al menos dos conductores de transmisión de datos (2) y al menos dos conductores de alimentación de corriente continua (3), caracterizado porque incorpora en el bus (1) dos conductores adicionales de alimentación de corriente alterna (6) desde la unidad de mando (10) a los módulos electrónicos (11).

Description

Bus de campo industrial con múltiples alimentaciones y tierras.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un bus de campo industrial con múltiples alimentaciones y tierras. Un "bus de campo" es un cable multiconductor empleado en control industrial descentralizado, para transmisión de datos y para alimentación en corriente continua de módulos electrónicos distribuidos. La presente invención consiste en un bus con ocho conductores que incorporan una alimentación eléctrica adicional de corriente alterna y unos cables de tierra adicionales que no están presentes en los buses actualmente utilizados.

El campo de aplicación de esta invención se extiende a todo el sector de maquinaria o de instalaciones industriales que estén dotadas de un sistema de control descentralizado por "bus de campo" y que desee mejorar la inmunidad frente a perturbaciones eléctricas y ampliar las posibilidades del control distribuido de su proceso técnico sin necesitar costosos añadidos de cableado con alimentaciones independientes.

Antecedentes de la invención

En la configuración de sistemas de supervisión y control de máquinas o instalaciones industriales se utilizan cada vez más los sistemas basados en un cableado de tipo "bus de campo" mediante el cual se intercomunican los diversos módulos electrónicos de control distribuido consiguiendo un importante ahorro de cableado y una notable mejora de la flexibilidad del conjunto.

Un sistema típico de control distribuido está constituido por una serie de módulos electrónicos distribuidos que conectan directamente con los diferentes sensores y actuadores de la maquinaria o de la instalación industrial a controlar. Los diferentes módulos electrónicos distribuidos se intercomunican con la unidad de mando, de categoría superior, mediante una transmisión de datos sobre un único cable bus.

Existen numerosos buses de campo diferentes entre sí en cuanto a su arraigo sectorial y nacional, y con una cierta disparidad debida a la continua evolución tecnológica y a los contrapuestos intereses comerciales, aunque todos ellos con una sólida penetración en el mercado: PROFIBUS, Foundation FIELBUS, World FIP, ASI, CAN, DEVICENET, LON, INTERBUS, etc.

A pesar de la disparidad existente, a nivel de enlace físico la mayoría de los buses de campo coinciden en utilizar un bus de comunicaciones constituido por dos o cuatro hilos para transmisión digital de datos, con velocidades desde algunos Kbits/s hasta varios Mbits/s, y por otros dos hilos adicionales para alimentación de los equipos distribuidos, típicamente 24 voltios de corriente continua (24 V.c.c.) y 0 voltios (Tierra, 0V.).

Esta arquitectura de control distribuido convencional, aunque presenta numerosas ventajas, tiene sin embargo el inconveniente de ser bastante sensible a la propagación de sobrecorrientes sobre el conductor de retorno 0V. del bus. En efecto, en caso de circular elevadas sobrecorrientes de retorno por el conductor 0V. del bus, éstas originan una caída de tensión a lo largo dicho conductor (mayor o menor según la resistencia óhmica del propio conductor 0V.) que constituye una perturbación de sobretensión capaz de afectar al correcto funcionamiento de los diversos módulos electrónicos (a través de sus propios circuitos de alimentación eléctrica) conectados al mismo bus. La perturbación de sobretensión así generada no sólo puede afectar al buen funcionamiento de alguno de los módulos electrónicos sino incluso la de todo el sistema de control distribuido. El riesgo de mal-funcionamiento es todavía más grave con la moderna instrumentación, denominada "inteligente", cuya electrónica está desarrollada en base a complejos y potentes microcontroladores que normalmente son más sensibles a perturbaciones de I/O, RESET, ...etc.

Dichas sobrecorrientes peligrosas aparecen con frecuencia en las aplicaciones de control industrial, como consecuencia de las sobretensiones transitorias que se presentan sobre la propia interconexión de los módulos a los equipos de campo (como por ejemplo sensores y actuadores) por acoplamiento de campos eléctricos y magnéticos, principalmente como consecuencia del arranque/parada de motores 220 V.c.a. (corriente alterna), apertura/cierre de interruptores, etc. Estas sobretensiones transitorias llegan a presentar picos de tensión desde 500 hasta incluso 2.000 voltios de amplitud, con frecuencias propias de varios MHz, pudiendo ocasionar un mal-funcionamiento del módulo electrónico afectado, con riesgo de bloqueo temporal e incluso de avería permanente. Tradicionalmente cada módulo electrónico se protege instalando unos componentes de protección (como por ejemplo diodos zener o varistores) que permiten derivar la perturbación a tierra mediante una elevada sobrecorriente transitoria conducida por el propio conductor 0V. del bus. En consecuencia, esta solución clásica tiene la limitación de generar niveles de sobrecorriente que ponen en peligro el buen funcionamiento del sistema.

Además, las citadas sobrecorrientes peligrosas también aparecen cuando algún módulo electrónico distribuido utiliza la misma alimentación (24V.c.c.-0V.) del bus para dar energía eléctrica simultáneamente a sus propios circuitos electrónicos y a otros elementos actuadores de cierta potencia (por ejemplo, motores y relés de corriente continua). Tradicionalmente este problema se evita mediante el sobrecosto de instalar y cablear sistemas de alimentación separados allí donde se necesiten.

Por otra parte, en caso de necesidad o conveniencia de alimentar en corriente alterna algún elemento actuador de c.a. (como por ejemplo motores o relés de corriente alterna), hay que recurrir obligatoriamente al sobrecosto de instalar y cablear un sistema adicional de alimentación en alterna, independiente del bus, a nivel de cada módulo electrónico distribuido que lo requiera.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un bus de campo industrial con múltiples alimentaciones y tierras según la reivindicación 1. Realizaciones preferidas del bus se definen en las reivindicaciones dependientes.

La invención se refiere a un bus de campo industrial del tipo que comprende al menos dos conductores para transmisión de datos y al menos dos conductores para alimentación de corriente continua, y que conecta una unidad de mando con al menos un módulo electrónico de control distribuido por una maquinaria, por una instalación industrial o por una planta industrial. Cada módulo controla unos equipos de campo, como por ejemplo sensores y actuadores.

El bus objeto de la invención incorpora además dos conductores adicionales de suministro de una alimentación de corriente alterna desde la unidad de mando a los módulos electrónicos. La nueva alimentación de corriente alterna tiene el objeto de mejorar y ampliar las posibilidades de control de los módulos electrónicos distribuidos en lo que respecta a facilitar la utilización de ciertos accionamientos de corriente alterna que resultan más eficientes que sus equivalentes de corriente continua.

La invención puede incorporar adicionalmente un nuevo conductor en el bus, conectado a tierra en el extremo correspondiente a la unidad de mando y en el otro extremo conectado al punto de 0V industrial de los módulos electrónicos para el retorno de corriente de los equipos de campo controlados por los módulos electrónicos. Puede incorporar, a su vez, un nuevo conductor adicional conectado a tierra en el extremo correspondiente a la unidad de mando y en el otro extremo conectado al punto de Tierra de Protección de los módulos electrónicos para derivar las sobretensiones generadas en las conexiones con los equipos de campo. El objeto de los nuevos cables de tierra adicionales es la de mejorar la inmunidad de los módulos electrónicos distribuidos frente a perturbaciones de sobretensiones y de sobrecorrientes eléctricas que suelen aparecer en las instalaciones industriales.

El conjunto de mejoras aportadas por la presente patente se refuerzan por el hecho de que el sobre-costo que representa aumentar el número de conductores del bus de campo es despreciable. En efecto, el estado actual de la fabricación de cables multiconductores hace que el sobre-costo originado por añadir unos conductores adicionales sea muy pequeño, máxime cuando el costo del propio bus es solo una pequeña parte del costo total del cable instalado en campo.

Breve descripción de los dibujos

Para una mejor comprensión de la invención, a continuación se pasa a describir de manera breve un modo de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta. Para ello se hace referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La Figura 1 muestra un sistema típico de control distribuido donde se representa el bus (1) convencional.

La Figura 2 muestra un sistema de control distribuido con el bus (1) objeto de la invención.

Descripción detallada de la invención

La Figura 1 muestra un sistema típico de control distribuido donde se representa el bus (1) convencional, constituido por dos a cuatro conductores de transmisión de datos (2) y por dos conductores de alimentación de corriente continua (3), que permite, desde la unidad de mando (10), intercomunicar y alimentar los módulos electrónicos de control distribuido (11), los cuales conectan directamente con los diferentes equipos de campo (12), como por ejemplo sensores y actuadores, de la maquinaria o de la instalación industrial a controlar.

La Figura 2 muestra un sistema de control distribuido con el bus (1) objeto de la invención, con un total de ocho conductores. Se han modificado el bus de campo convencional, mediante el añadido de un conductor de tierra adicional (4) para la protección de cada módulo electrónico distribuido (11) frente a perturbaciones de sobretensión transitoria (20), mediante el añadido de otro conductor de tierra adicional (5) para el retorno de corriente de los equipos de campo (12) con alto consumo eléctrico, y mediante el añadido de una alimentación eléctrica independiente (6) de corriente alterna a disposición de los módulos electrónicos (11) que lo requieran.

Partiendo de la estructura típica convencional de los buses de campo actualmente utilizados que se ha presentado en la Fig. 1, la presente invención consiste en modificar el cable multiconductor del bus (1) tradicional añadiendo un conductor de tierra (4) para la protección de cada módulo electrónico (11) frente a sobretensiones transitorias, otro conductor adicional de tierra para 0V. industrial (5), para el retorno de corriente de los equipos de campo (12) con alto consumo eléctrico, y dos conductores adicionales para alimentación de corriente alterna (6), tal como queda reflejado en la Fig.2.

La innovación aportada gracias al conductor de tierra de protecciones (4) adicional consiste en que, cada módulo electrónico (11) conectado al bus de campo (1) puede utilizarlo como camino independiente para derivar las sobrecorrientes generadas por las perturbaciones transitorias (20), recibidas sobre las conexiones de Input/Output con el proceso industrial a través de los equipos de campo (12), sin que afecten al 0V. de la alimentación de corriente continua (3) del bus (1) y se evita que dichas perturbaciones afecten, a través de sus propios circuitos de alimentación c.c., a los múltiples módulos electrónicos (11) conectados al bus (1) originando los típicos mal-funcionamientos y bloqueos que sufren los equipos tradicionales de un sistema distribuido de control industrial. El conductor de tierra de protecciones (4) está conectado a tierra (8) en el extremo correspondiente a la unidad de mando (10) y en el otro extremo conectado al punto de Tierra de Protección (14) de los módulos electrónicos (11).

Por otro lado, la innovación aportada con el otro conductor de tierra adicional, el conductor de tierra industrial (5), conectado a tierra (8) en el extremo correspondiente a la unidad de mando (10) y en el otro extremo conectado al punto de 0V industrial (15) de los módulos electrónicos (11) para el retorno de corriente de los equipos de campo (12) controlados por los módulos electrónicos (11), consiste en evitar que aquellos módulos electrónicos distribuidos (11) del sistema que controlen equipos de campo (12), tales como elementos actuadores, con consumos de cierta potencia puedan afectar al buen funcionamiento de los restantes módulos electrónicos (11) distribuidos sobre el bus (1). El nuevo conductor de tierra industrial (5) se utilizará para el retorno de alimentación de dichos elementos de potencia (controles ON/OFF de motores, por ejemplo), evitando así que las fuertes corrientes de retorno circulen por el conductor 0 V. de alimentación (3) del bus (1), que quedaría reservado para retorno exclusivo de los circuitos de electrónica del propio módulo (11), normalmente de bajo consumo.

Por último, la innovación aportada al añadir los dos conductores adicionales de alimentación de corriente alterna (6), en principio 24 V.c.a., consiste en facilitar de manera simple y económica la utilización, en los diferentes módulos electrónicos (11) distribuidos por la maquinaria, la instalación industrial o la planta industrial, de equipos de campo (12) que trabajan en corriente alterna, frecuentemente más competitivos que los de corriente continua.

Claims (3)

1. Bus de campo industrial con múltiples alimentaciones y tierras, del tipo que conecta una unidad de mando (10) con al menos un módulo electrónico de control distribuido (11), controlando cada módulo unos equipos de campo (12), y que comprende al menos dos conductores de transmisión de datos (2) y al menos dos conductores de alimentación de corriente continua (3), caracterizado porque incorpora en el bus (1) dos conductores adicionales de alimentación de corriente alterna (6) desde la unidad de mando (10) a los módulos electrónicos (11).

2. Bus de campo industrial según la reivindicación anterior, caracterizado porque incorpora un conductor de tierra de protecciones (4) en el bus (1), conectado a tierra (8) en el extremo correspondiente a la unidad de mando (10) y en el otro extremo conectado al punto de Tierra de Protección (14) de los módulos electrónicos (11) para derivar las sobretensiones (20) generadas en las conexiones con los equipos de campo (12).

3. Bus de campo industrial según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incorpora un conductor de tierra industrial (5) en el bus, conectado a tierra (8) en el extremo correspondiente a la unidad de mando (10) y en el otro extremo conectado al punto de 0V industrial (15) de los módulos electrónicos (11) para el retorno de corriente de los equipos de campo (12) controlados por los módulos electrónicos (11).