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WO2008006406A1 - External electrical energy supply for a field device - Google Patents

External electrical energy supply for a field device Download PDF

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Publication number
WO2008006406A1
WO2008006406A1 PCT/EP2006/064232 EP2006064232W WO2008006406A1 WO 2008006406 A1 WO2008006406 A1 WO 2008006406A1 EP 2006064232 W EP2006064232 W EP 2006064232W WO 2008006406 A1 WO2008006406 A1 WO 2008006406A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
field device
component
current
device electronics
electronics according
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/064232
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Kirst
Original Assignee
Endress+Hauser Flowtec Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Flowtec Ag filed Critical Endress+Hauser Flowtec Ag
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Priority to US11/826,235 priority patent/US7663350B2/en
Publication of WO2008006406A1 publication Critical patent/WO2008006406A1/en

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/02Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks using a single network for simultaneous distribution of power at different frequencies; using a single network for simultaneous distribution of AC power and of DC power

Definitions

  • the invention relates to a powered by an external electrical power supply field device electronics for a field device, wherein the external electrical power supply provides a supply voltage and supplies a variable supply current driven therefrom.
  • the usual field devices are network-fed four-wire gauges and have to have at least two electrical leads or conductors for the power supply of the field device. Furthermore, two further signal lines are required, which transmit the measured value measuring signal or other communication data signals between the decentralized units and the control center.
  • this measurement signal or communication data signal will be in accordance with a standard standard for this, e.g. according to the between 4 mA and 20 mA lying current loop standard, a standard frequency standard or a digital standard, generated and transmitted.
  • Such two-wire field devices can be found, inter alia, the documents EP 0 883 097 B1, EP 0 895 209 B1, EP 1 158 274 A1. These two-wire field devices generate as measurement signal an output current whose instantaneous values represent as much as possible a transducer signal generated by means of a physical-electrical measuring transducer.
  • the two conductors are used both for the controlled and regulated energy supply, for which purpose a DC voltage source is to be applied to the two conductors from outside, as well as for the transmission of the measuring signal.
  • Such intrinsically safe, low-reflection fieldbus systems are known from DE 10049 233 A1, DE 101 27 561 A1, DE 102 45 273 A1, and the cis energy supply concept of the Physikalisch-Technische Bundesweg Braunschweig, which deals with the problem of AC or AC signals on field buses .
  • the energy transmission via the fieldbus is effected solely by a high-frequency alternating signal and this fieldbus is protected against intrinsic safety by protective measures and / or is embodied in anechoic reflection by adapting the characteristic impedance.
  • an object of the invention is to enable the communication of the field device via a two-wire line and also the field device via this two-wire line steadily with the necessary energy, the standards and regulations of the Explosion protection, to supply.
  • the invention consists in a field of an external electrical power supply (25) powered field device electronics (5) for a field device (1), wherein the external electrical power supply (25) provides a supply voltage (U) and a supplied variable supply current (I) provides which field device electronics (5) an internal control and control unit for controlling the field device, and at least one internal control and control unit feeding, internal supply circuit, wherein the supply current to a mixed stream acts, which is formed by a superposition and / or a modulation of an alternating current component to a DC component, and wherein the internal supply circuit at least temporarily and / or at least partially also uses the AC component of the mixed current to cover a current energy demand of the control and control unit comprises.
  • the external electrical power supply (25) provides a supply voltage (U) and a supplied variable supply current (I) provides which field device electronics (5) an internal control and control unit for controlling the field device, and at least one internal control and control unit feeding, internal supply circuit, wherein the supply current to a mixed stream acts, which is formed by a superposition and
  • the DC component of the mixed current serves as an information carrier or communication means for data transmitted via a two-wire connection line.
  • An expedient embodiment of the field device according to the invention is that the DC component of the mixed current assumes values within a current range of 4 mA to 20 mA.
  • a specific current value within this current range corresponds exactly to an electrical sensor signal or actuating signal. Therefore, only the current range of 4 mA can be planned for the guaranteed power supply of the electronics of the field device with a two-wire line and used. This implies that the power supply is only available with a power in the order of 50 mW, which is referred to below as low power.
  • Two-wire field devices with the above-mentioned current loop standard lying between 4 mA and 20 mA are particularly well suited for use in potentially explosive environments due to these circumstances.
  • the alternating current component of the mixed current assumes a frequency of greater than 10 Hz (Hertz), in particular greater than 50 Hz (Hertz).
  • An advantageous embodiment of the solution according to the invention suggests that the mixed stream assumes at least an effective value which is less than or equal to a maximum permissible limit.
  • the maximum permissible limit value of the effective value of the mixed current is 20 mA.
  • the maximum effective value of the mixed flow should not be greater than the specified limit value.
  • an advantageous embodiment of the solution according to the invention is that the rms value of the modulated alternating current component of the mixed current assumes an optionally existing difference value of the direct current component of the mixed current to the highest permissible limit value of the mixed current. So that the field device can always be supplied with the maximum permissible current, the difference of the DC component of the mixed current is supplemented by the effective value of, for example, rectified AC component of the mixed current, so that their sum occupy the maximum permissible limit. As a result, the field device is constantly supplied with the maximum energy or power.
  • a modulated one to the DC component negative AC component of the mixed current dissipates existing excess energy of the field device and thus regulates the energy requirements or energy balance of the field device in this way, if too much energy of the field device electronics is available. If a negative effective value of the alternating current component in the AC / DC converter is generated at the base of the DC component, in which, for example, a DC component of the mixed current which is more negative than the DC component results in a DC component of the mixed current, excess current can be dissipated from the field device.
  • the AC component of the mixed stream has a sinusoidal waveform.
  • sinusoidal signals are used as the alternating current component of the mixed current, since their signal spectrum has no harmonics. Which makes it easier to comply with specifications regarding "electromagnetic compatibility (EMC)". It is also easier to superimpose with other DC components or DC signals, since the time average of sinusoidal signal forms is zero and the coding is thus free of mean values.
  • the alternating current component of the mixed current has a rectangular and / or pulsed signal form.
  • An advantageous embodiment of the solution according to the invention suggests that a controlled AC power source in the external power supply generates the AC component of the mixed stream.
  • a very advantageous variant of the solution according to the invention is the fact that a switching unit in the field device electronics of the field device generates the AC component of the mixed current by means of load modulation. Due to the changing current load of the external energy supply by the variable with a corresponding frequency current requirements in the field device, the AC component of the mixed stream is generated.
  • a preferred embodiment of the field device provides that a control and control unit is integrated in the field device electronics, which is used to control the switching unit based on the current and future energy needs or energy balance of the field device and / or further based on the current and future electrical sensor signal or actuating signal of the field device for controlling and regulating the current controller, which takes over the adjustment of the DC component of the mixed stream as an information carrier, is used.
  • control and control unit the future energy needs of the field device taking into account and estimate the future expiring Processes and applications determined and calculated.
  • An expedient embodiment of the field device according to the invention is that at least one sensor which senses a chemical and / or physical process parameter is provided, which supplies an electrical sensor signal.
  • a very advantageous variant of the solution according to the invention is to be seen in that at least one actuated by an electrical actuating signal actuator is provided which adjusts the at least one chemical and / or physical process parameters actuarially.
  • Field device is that at least one AC / DC converter and / or at least one DC / DC converter is provided as an internal power supply circuit.
  • An advantageous embodiment of the solution according to the invention is that the data transmitted by means of the field device electronics derived from the sensor signal and / or by means of the external power supply adapted measured values.
  • a particularly advantageous development of the solution according to the invention suggests that the received data are to be adjusted by means of the external power supply and / or to be converted into the control signal by means of the field device electronics.
  • a further AC component of the mixed stream for example the hard signal, which is distinguishable from the AC component and / or separated in the frequency band, modulated as an information carrier.
  • Field devices using an additional Hart signal exchange their data over the two-wire lines of the 4 to 20 mA current loop standard. With the aid of this communication, the field devices can be very flexibly parameterized and put into operation, or measured values or data determined and stored can be read out.
  • the Hart protocol enables bidirectional communication even in potentially explosive environments. Hart enables a point-to-point transmission of at least two subscribers. The discretized and digitized data will be transmitted and received to a special modem which must be present in each subscriber in a hard protocol with the FSK method.
  • the FSK (Frequency Shift Keying) method uses different frequencies of a sinusoidal signal to differentiate the binary states (eg Bell 202 standard: "0" 2200 Hz, "1" 1200 Hz). Since this method operates largely level-independent, it also offers high interference immunity for signal attenuation and changing loads. Of course, it must be ensured that the transmission medium is able to transmit the frequencies used for coding. Is used to power the field device, a sinusoidal waveform used in the AC component, the frequency of the hard signal must be different from that of the AC component of the mixed stream, so that the two AC components can be re-separated by, for example, a filter and processed separately.
  • the energy requirement of the field device is partially covered by the DC component of the mixed stream.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a field device which is connected to the field bus via a bus interface
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention which is connected to the field bus via a bus interface
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the solution according to the invention of a field device which is connected to the field bus via a bus interface
  • FIG. 5 shows a first diagram of the currents (I M , i ⁇ ) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0034]
  • FIG. 5 shows a first diagram of the currents (I M , i ⁇ ) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0034]
  • FIG. 5 shows a first diagram of the currents (I M , i ⁇ ) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0034]
  • FIG. 6 shows a second diagram of the currents (I M , i ⁇ ) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0035]
  • FIG. 6 shows a second diagram of the currents (I M , i ⁇ ) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0035]
  • FIG. 6 shows a second diagram of the currents (I M , i ⁇ ) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0035]
  • I M , i ⁇ currents
  • FIG. 1 represents the most important subcomponents of a decentralized automation system for process parameter acquisition, evaluation and transmission.
  • field devices 1 are frequently designed in such a way that they are connected via a conventional external fieldbus system 2 to a remote control center 24 or communicate with another field device 28 and provide itself with the required energy.
  • this can be done by direct connection to the fieldbus system 2, eg according to the FTELDBUS protocol.
  • the cooperation can take place indirectly with the interposition of a bus coupler 3, for example in accordance with the so-called HART protocol.
  • a field device 1 which operates, for example, according to the PROFIBUS PA protocol, is indirectly connected to the external fieldbus system 2 via a bus interface or a bus coupler 3.
  • a direct connection of the field device 1 to the external fieldbus system 2, for example, according to the FTELDBUS protocol is not explicitly shown in Fig. 1, but it is also possible that Invention at a direct connection of the field device 1 to a fieldbus system 2 implement.
  • the field devices 1 generally consists of a field device electronics 5 and a sensor 18 or an actuator 19.
  • An integral part or an affiliated part of the field device electronics 5 represents the transmitter 27, which is the electrical actuating signal setting of the actuator 19th or the electrical sensor signal Sens of the sensor 18 is detected and converted into corresponding data D or measurement data.
  • the control and control unit 17 can be integrated in the transmitter 27.
  • sensors 18 are in particular flow-through
  • Measuring sensor which determine the flow of an at least temporarily flowing medium according to the Coriolis principle or magnetic-inductive measuring principle, or fill level and / or Grenzwertaufêt for determining the level in a container according to the transit time principle of high-frequency or acoustic measurement signals to call.
  • an actuator for a valve is an actuator 19.
  • the field device 1 of the illustrated on the right in Fig. 1 decentralized automation system is connected for example via a two-wire connection line 4 directly to the control center 24.
  • further field devices 28 can also be connected to this two-wire connection line 4, although this was not explicitly carried out in FIG. 1.
  • a field device electronics 5 is integrated, via the
  • the chemical or physical process parameter P acts on the sensor or transducer 18 or is changed or provided by the actuator or signal converter 19.
  • the detected or adjusted change of the chemical or physical process parameter P by the sensor 18 or the actuator 19 is further processed by the field device electronics 5 and transmitted via the two-wire connection line 4, for example to the bus interface 3 or directly to the control center 24.
  • Bus coupler 3 is the two-wire connection line 4 and the field device 1 intrinsically safe is executed and separates the explosion protection area Ex from the non explosion protection area Ex.
  • the field device 1 can be used by this intrinsically safe separation in an explosion protection area Ex, in which, for example, an explosive gas atmosphere prevails.
  • FIG. 2 these sub-components of Fig. 1 are shown in more detail, wherein in the bus interface 3, an external power supply 25 is symbolically integrated with a DC voltage source 26, which supplies a measuring current I M.
  • This measuring current I M flowing through a resistor R and generates a dependent of the measuring current I M U M voltage, which represents the measured value MW.
  • This measurement voltage U M is further processed, for example, in the bus interface 3, digitized and output to the external fieldbus system 2. Furthermore, it is also possible to transmit this measuring voltage U M directly via the connecting line 4 to the control station 24 or another field device 28.
  • the capacitor C is connected in parallel to the resistor R and forms together with this in the external power supply 25, a low-pass filter TP, the disturbing AC signals having a higher frequency than the cutoff frequency of the low-pass filter TP, in the measurement voltage signal U M of the measured value MW or Control value SW attenuates.
  • C - may be integrated in the bus interface 3, another evaluation and supply unit in the current loop, which couples data and signals from the external fieldbus system 2 in the current loop of the two-wire connecting line 4 or converts the measuring current I M. and sends out to the same according to the standard of the external fieldbus system 2 or the connection line 4.
  • a controlled AC power source 15 connected in parallel, which feeds the one feed current i E in the two-wire connection line 4.
  • This controlled AC power source 15 may also be integrated in the external power supply 25 of the bus interface 3, the transmitter 27 or the control center 24.
  • An advantage of a modular construction of the controlled AC power source 15 and the external power supply 25 is that existing external power supplies 25 having only a DC power source 26 can be easily retrofitted by an AC power source module.
  • the AC power source 15 and the DC voltage source 26 communicate via a separate control and data line 21 and an intermediate current control unit 23 for controlling the current ratio of the AC component 7 and the DC component 8 of the mixed stream 6.
  • a supply voltage U At the terminals of the connecting line 4 is thus a supply voltage U, the a supply current I from the feed current i E and the measuring current I M drive.
  • This flow control unit 23 is there to, as the case may be A large amount of measuring current I M requested by the field device 1 or fed by the external fieldbus system through the internal electronics of the Buskopplers 3, in a certain ratio, a correspondingly adapted, fed AC i E in addition to the measuring current I M is mixed, so that the effective value of sum current (i M + i ⁇ W below a certain set threshold is established.
  • I M of the external power supply 25 is measured by the flow control unit 23 of the measuring current and the controlled alternating current power source 15 corresponding to the deficit to the maximum effective value of the sum current (V ⁇ ES driven.
  • This embodiment of the external power supply 25, the controlled AC power source 15 and the current control unit 23 in Fig. 2 can also be implemented in a control center 24 or as a stand-alone unit and are not explicitly carried out here due to the equivalence.
  • At least one field device 1 is connected to the two-wire connecting line 4, the at least one AC / DC converter 9, which serves for the evaluation and conversion of the AC component 7 of the mixed stream 6 or Einseisungsstroms i E , at least one DC / DC converter 10, which is used for evaluation and conversion of the DC component 8 of the mixed stream 6 or the measuring current I M , at least one control and control unit 17, which evaluates the electrical sensor signal Sens of the sensor 18 and adjusts the electrical control signal setting of the actuator 19 and the controller and Regulation of the communication and power supply takes over, and at least one power controller 20, which adjusts the communication of the current of the current loop or measuring current I M includes.
  • the supply current I is equal to the total current I M + I E , otherwise the supply current I is a multiple of the total current I M + i E , depending on the number of connected field devices 1.
  • the chemical or physical process parameter P is detected by the transducer 18 and transmitted as an electrical sensor signal Sens via an electrical connection to the control and control unit 17, which evaluates this sensor signal Sens and controls the current controller 20 accordingly, so that a proportional measurement current I M in the current loop flows and that a corresponding measured value MW of the chemical or physical process parameter P is transmitted to the bus coupler 3 and can be further processed there.
  • the two currents, the measuring current I M and the feed current i E in the field device 1 separate into two separate current branches.
  • a crossover or a filter - which is not explicitly shown in FIG. 2 and FIG. 4 - be integrated into the circuit.
  • the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 are connected via a control and data line 21, over which For example, a transmission of the current values and / or a control of the current conversion takes place, connected to the control and control unit 17.
  • This control and control unit 17 is supplied via the supply line 22 by the AC / DC and DC / DC converters (9,10) with the necessary energy.
  • the control and control unit 17 is the heart of the field device 1 with a microcontroller .mu.C as at least an integral part. About this control and control unit 17, the entire process parameter acquisition, evaluation and transmission is controlled, such as the energy management of the field device 1 and optionally further bus components regulated. Under the energy management of the field device 1 is not only the control of the current controller 20 to understand, but may include a targeted control of the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 and optionally in the field device 1 energy buffer memory - not explicitly shown in Fig. 2 and Fig. 4 - the power supply to the field device 1 are regulated.
  • the supply of the field device 1 can be controlled via the control of the AC / DC converter 10 and the associated conversion of the symmetrical, mean-free alternating current component 7 of the mixed current 6 into an appropriate effective value 11, so that, for example, the maximum energy required by the field device 1 always belongs to this field device 1 is available. From the external power supply 25 and the module with the controlled AC power source 15, the maximum effective value of the total current (WiE) EfT is always transmitted to the field device 1.
  • the difference in energy required by the field device 1 and the energy provided as the maximum effective value of the sum current (I M + I E W from the external power supply 25 and the controlled AC power source 15) is via the AC / DC converter 9 can be regulated in that only a certain amount of the alternating current component 7 is converted into a direct current component 8.
  • a negative effective value 11 of the symmetrical, mean-free alternating current component 7 of the mixed current 6 can be converted to the base of the direct current component 8 of the mixed current 6 or the measuring current I M, excess energy or current can be derived from the field device 1 and does not have to be converted into heat or any other form of energy in the field device, as has been the case in the past
  • the measuring current I M or the DC component 8 of the mixing current ms 6 caused by the current controller 20 or a switching unit 16 in the current loop is indicated by a trapezoidal function with portions of constant values of the current value.
  • the DC component 8 or measuring current I M assumes standard values between 4 mA and 20 mA after current grinding.
  • This DC component 8 of the mixed stream 6 is an amplitude modulated AC component 7 with an example sinusoidal waveform 13 of the mixed stream 6 - shown in the Fig. 3 shown as a dashed line - modulated.
  • the amplitude of the alternating current component 7 changes in such a way that the effective value of the sum current (i M + i ⁇ Waus the AC component 7 and the DC component 8 of the mixed flow or from the measuring current I M and the feed stream i E , in the AC /
  • This constant value is, for example, the current value of the field device 1 currently required for the power supply or a maximum constant limit value 12.
  • the disadvantage of amplitude-modulated signals is that the signal amplitude within a network can change, which also changes the rms value 11.
  • the rms value 11 of an alternating current component 7 of an electric current or alternating current is the value which generates the same amount of heat in an effective resistance as an equal DC component 8 or DC causes.
  • the maximum positive amplitude A and the maximum negative amplitude -A are in a low current range at a certain frequency F of the AC component 7 whose energy is below an upper limit at which an explosive atmosphere is ignited.
  • the dependence of the ignition behavior of alternating quantities of currents or alternating currents and the associated intrinsic safety of field devices 1 is known from DE 100 49 233 A1, DE 101 27 561 A1, DE 10245 273 A1.
  • the power supply of the field device 1 according to the invention by a mixed flow 6 can also be used if, for example, another alternating current component 7a, e.g. according to the HART standard, to which DC component 8 of the 20 mA current loop measurement signal for modulating data D was modulated.
  • another alternating current component 7a e.g. according to the HART standard
  • DC component 8 of the 20 mA current loop measurement signal for modulating data D was modulated.
  • the frequencies of the two alternating signals 7, 7a should be in different frequency bands.
  • the alternating signals 7, 7a lying in different frequency bands can be metrologically separated again by appropriate filters and further processed separately.
  • the alternating current component 7 of the current is not controlled by an external energy supply 25 connected upstream, controlled alternating Current source 15 is generated on the current loop or the two-wire connection line 4, but a switching unit 16 is driven so that the necessary power or the necessary energy by load modulation in the appropriate frequency of the field device 1 of the external power supply 25 in the control center 24, is taken in the bus coupler 3 or another field device 28.
  • This embodiment of the external power supply 25 with a DC voltage source 26 of FIG. 4 can also be implemented in a control center 24 or in a stand-alone unit. Since this structure is equivalent to the description of the bus coupler 3 in Figure 2, this is no longer explicitly discussed.
  • the chemical or physical process parameter P is detected by the sensor 18 or adjusted by the actuator 19, in which the sensor 18 sends an electrical sensor signal Sens to the control and control unit 17, which is further processed there or the actuator 19 of the Control and control unit 17 an electrical control signal Stell receives.
  • the control and control unit 17 is responsible for the processing of the electrical actuating signal Stell or sensor signal Sens and controls based on the processed data the switching unit 16, the corresponding DC component 8 and measuring current I M in the current loop of the two-wire connecting line 4 and the DC branch generated in the field device 1. This current flows through the DC / DC converter, which supplies the control and control unit 17 with the microcontroller .mu.C and other components in the field device electronics 5 of the field device 1 with the required energy.
  • the difference between the required energy in the field device 1 and the energy generated by the DC component 8 or measuring current I M is inventively by an AC component
  • This alternating current component 7 is generated by the switching element 16, which generates, for example, a pulse width modulated (PWM) or frequency modulated (FWM) step signal.
  • PWM pulse width modulated
  • FWM frequency modulated
  • the maximum positive amplitude A of the sum current I M + i E has an upper limit, which is below the ignition point of an explosive atmosphere, whereby the field device 1 with the two-wire connection line 4 is designed intrinsically safe.
  • the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 converts the AC component 7 and the DC component
  • the control and control unit 17 calculates the ratio of the alternating current component 7 to the direct current component 8 of the mixed current 6 and accordingly controls speaking the switching unit 16 at.
  • control and control unit 17 which also includes the energy management of
  • Field device 1 controls, can regulate the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 via the control and data line 21, that only as much energy is converted, as currently or in the future also required in the field device 1.
  • a current waveform is shown, which was generated by a circuit construction as shown in Fig. 4.
  • the measurement current I M which corresponds to a proportionality to the measured or set chemical and physical process parameter P of the field device 1, is represented by a trapezoidal function in a thicker lines.
  • This measurement current I M is a rectangular and / or pulsed waveform 14 aufmoduliert by the switching unit 16 is controlled in the manner of the control and control unit 17 clocked that briefly momentary currents as AC components 7 of the mixed stream 6 with a maximum positive amplitude A. be modulated on the DC component 8 of the mixed stream 6.
  • the duration or the number of pulses of a pulse sequence varies, depending on how much current is required in addition to the measuring current I M or DC component 8 in the field device 1. That is, depending on how large the difference of the power demand is to the power supply, current pulses of a certain frequency f are added to the measuring current IM for a corresponding time window, so that the effective value of the sum current (I M + iE) Effinit the currently required current value the power requirement for power supply of the field device 1 matches.
  • the maximum power requirement of the field device has been assumed, so that the effective value of the sum current (I M + i E ) Eff assumes the limit value 12 of 20 mA and the field device 1 is thus supplied with maximum and constant maximum current.
  • the rectangular and / or pulsed waveforms of alternating current components 7 have the disadvantage that these signal forms have a large number of harmonics and thus cover a large frequency range, whereby filters - which are not explicitly shown in FIG. 4 - are inserted into the circuit of FIG. 4 must be so that the measuring current I M and the DC components 8 of the mixed stream 6 is not or only slightly changed by these pulse trains. It can also be supplied to the field device 1 only as much energy as far as the field device 1 currently requires by negative pulse trains whose amplitudes have a lower current value than the current measuring current I M. This avoids that the field device 1 draws only as much energy from the field bus as it currently requires and the DC component 8 of the mixed stream 6 or the measuring current I M almost unaffected in dependence the change of the process parameter P can be set.
  • the diagram in FIG. 6 differs from the diagram in FIG. 5 in the sense that individual pulse train packets with the same frequency f are not modulated in a time window, but in this diagram rectangular functions are shown, the time duration of which Suspend the measuring current I M.
  • This type of modulation is called a pulse width modulated square wave signal (PWM).
  • This type of modulation may be according to the invention in the manner transpose by at small differences of the measuring current I M and the DC component 8 of the mixed stream 6 from the desired effective value of the sum current (I M + I E W the> a correspondingly smaller value between If, on the other hand, the measuring current I M in the current loop is currently very low, a large value in the pulse-pause ratio, eg due to a short pause duration and longer pulse durations, is achieved.
  • FMW Frequency-modulated
  • Explosion proof area intrinsically safe area

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

The present invention relates to field device electronics, which are fed by an external electrical energy supply, for a field device, wherein the external electrical energy supply provides a supply voltage and produces a variable supply current driven thereby, which field device electronics comprise an internal monitoring and control unit for controlling the field device, and at least one internal supply circuit, which feeds the internal monitoring and control unit, wherein the supply current is a pulsating current, which is formed by superimposition and/or modulation of an AC component on a DC component, and wherein the internal supply circuit uses, at least temporarily and/or proportionately, even the AC component of the pulsating current for covering an instantaneous energy requirement of the monitoring and control unit.

Description

Beschreibung Externe elektrische Energieversorgung für ein Feldgerät Description External electrical power supply for a field device
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine von einer externen elektrischen Energieversorgung gespeiste Feldgeräte-Elektronik für ein Feldgerät, wobei die externe elektrische Energieversorgung eine Versorgungsspannung bereitstellt und einen davon getriebenen veränderlichen Versorgungsstrom liefert.The invention relates to a powered by an external electrical power supply field device electronics for a field device, wherein the external electrical power supply provides a supply voltage and supplies a variable supply current driven therefrom.
[0002] Die Fortschritte der Mikroelektronik in den letzten Jahren haben zu einer Miniaturisierung von Geräten und Integration der Funktionalitäten geführt, die in der Automatisierungstechnik eine effektive und kostengünstige Anwendung von integrierten dezentralen Systemen bewirkte. So werden in den Sensoren und Aktoren nicht nur die Messwerte ermittelt, sondern schon die Messwerte vorverarbeitet, linearisiert und sogar eine Selbstdiagnosen des Sensors oder Aktors implementiert. Die Vorraussetzung für das Einbringen dieser dezentralen Funktionalitäten in ein geschlossenes Automatisierungskonzept mit „intelligenten" Sensoren und Aktoren ist ein erhöhter In- formations- und Datenaustausch dieser dezentralen Einheiten untereinander und mit einem Leitsystem. In der Automatisierungstechnik sind aus diesem Grund in den letzten Jahren eine Fülle von Feldbussystemen entstanden, die entweder firmenspezifische Anwendungsbereiche (z.B. BITBUS, CAN, MODBUS, RACKBUS) abdecken oder solche, die einer internationalen Normung (z.B. HART, PROFIBUS- PA, Foundation FIELDBUS, Ethernet) unterliegen. Die große Anzahl von Feldbussystemen, die derzeit in der industriellen Automatisierungstechnik und Prozes- sleittechnik eingesetzt sind, werden weiterhin nur noch mit dem allgemeinen Begriff „Feldbus bzw. Feldbussystem" bezeichnet.The advances in microelectronics in recent years have led to miniaturization of devices and integration of functionalities, which caused an effective and cost-effective application of integrated decentralized systems in automation technology. Thus, not only the measured values are determined in the sensors and actuators, but also the measured values are preprocessed, linearized and even a self-diagnosis of the sensor or actuator is implemented. The prerequisite for introducing these decentralized functionalities into a closed automation concept with "intelligent" sensors and actuators is increased information and data exchange of these decentralized units with each other and with a control system, which is why in automation technology there has been plenty in recent years Fieldbus systems that cover either company-specific application areas (eg BITBUS, CAN, MODBUS, RACKBUS) or those that are subject to international standardization (eg HART, PROFIBUS-PA, Foundation FIELDBUS, Ethernet) The large number of fieldbus systems currently available in are used in industrial automation technology and process control technology, are still referred to only with the general term "fieldbus or fieldbus system".
[0003] Die üblichen Feldgeräte sind netzgespeiste Vierleiter-Messgeräte und müssen hierfür mindestens zwei elektrische Zuleitungen bzw. Leiter zur Energieversorgung des Feldgerätes haben. Des Weiteren sind zwei weitere Signalleitungen erforderlich, die das Messwert abbildende Messsignal oder sonstige Kommunikationsdatensignale zwischen den dezentralen Einheiten und der Leitstelle übertragen. Allgemein wird dieses Messsignal oder Kommunikationsdatensignal entsprechend einem hierfür üblichen Standard, z.B. entsprechend dem zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard, einem üblichen Frequenz-Standard oder einem digitalen Standard, erzeugt und übermittelt.The usual field devices are network-fed four-wire gauges and have to have at least two electrical leads or conductors for the power supply of the field device. Furthermore, two further signal lines are required, which transmit the measured value measuring signal or other communication data signals between the decentralized units and the control center. Generally, this measurement signal or communication data signal will be in accordance with a standard standard for this, e.g. according to the between 4 mA and 20 mA lying current loop standard, a standard frequency standard or a digital standard, generated and transmitted.
[0004] Darüber hinaus ist es in der Automatisierungstechnik auch üblich, die Feldgeräte in einer so genannten Zweileiter-Technik aufzubauen und miteinander zu verbinden, so dass die Energiespeisung und die Kommunikation zwischen den Geräten über ein einziges Paar Leitungen erfolgen kann, wodurch der Verdrahtungsaufwand und somit die Verdrahtungskosten von vernetzten dezentralen Automatisierungssystemen verringert werden kann.In addition, it is also common in automation technology to build the field devices in a so-called two-wire technology and connect to each other, so that the power supply and communication between the devices can be done via a single pair of lines, reducing the wiring and thus the wiring costs of networked decentralized automation systems can be reduced.
[0005] Solche Zweileiter-Feldgeräte sind unter anderem den Schriften EP 0 883 097 B 1 , EP 0 895 209 Bl , EP 1 158 274 Al zu entnehmen. Diese Zweileiter-Feldgeräte erzeugen als Messsignal einen Ausgangsstrom, dessen Momentanwerte ein mittels eines physikalisch-elektrischen Messwandlers erzeugtes Messwandlersignal möglichst proportional abbilden. Die beiden Leiter dienen sowohl für die gesteuerte und geregelte Energiespeisung, wozu an die zwei Leiter von außen eine Gleichspannungsquelle anzulegen ist, als auch für die Übertragung des Messsignals.Such two-wire field devices can be found, inter alia, the documents EP 0 883 097 B1, EP 0 895 209 B1, EP 1 158 274 A1. These two-wire field devices generate as measurement signal an output current whose instantaneous values represent as much as possible a transducer signal generated by means of a physical-electrical measuring transducer. The two conductors are used both for the controlled and regulated energy supply, for which purpose a DC voltage source is to be applied to the two conductors from outside, as well as for the transmission of the measuring signal.
[0006] Ein weiterer Aspekt, der in der Automationstechnik und besonders in der Prozess- Automationstechnik beachtet werden muss, ist dass die Betriebsmöglichkeit des Feldgerätes in einem explosionsgefährdeten Umfeld in dem die Eigensicherheit des Feldgerätes und des Feldbusses gewahrt wird. Solche eigensicheren, reflexionsarmen Feldbussysteme sind aus der DE 10049 233 Al, DE 101 27 561 Al, DE 102 45 273 Al, und dem c-i-s-Energieversorgungskonzept der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig, die die Problematik von Wechselspannungs- oder Wechselstromsignalen auf Feldbussen behandeln, bekannt. All diesen Schriften ist gemein, dass die Energieübertragung über den Feldbus alleinig durch ein hochfrequentes Wechselsignal erfolgt und dieser Feldbus durch Schutzmassnahmen die Eigensicherheit gewahrt und/oder durch Anpassungen des Wellenwiderstandes reflexionsarm ausgeführt ist.Another aspect that must be considered in automation technology and in particular in process automation technology, is that the operating capability of the field device in an explosive environment in which the intrinsic safety of the field device and the fieldbus is maintained. Such intrinsically safe, low-reflection fieldbus systems are known from DE 10049 233 A1, DE 101 27 561 A1, DE 102 45 273 A1, and the cis energy supply concept of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig, which deals with the problem of AC or AC signals on field buses , Common to all these documents is that the energy transmission via the fieldbus is effected solely by a high-frequency alternating signal and this fieldbus is protected against intrinsic safety by protective measures and / or is embodied in anechoic reflection by adapting the characteristic impedance.
[0007] Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik besteht daher eine Aufgabe der Erfindung darin, die Kommunikation des Feldgerätes über eine Zweidraht-Leitung zu ermöglichen und ferner das Feldgerät über diese Zweidraht-Leitung stetig mit der notwendigen Energie, die den Standards und Vorschriften des Explosionsschutzes entsprechen, zu versorgen.Based on the above-mentioned prior art, therefore, an object of the invention is to enable the communication of the field device via a two-wire line and also the field device via this two-wire line steadily with the necessary energy, the standards and regulations of the Explosion protection, to supply.
[0008] Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einem Von einer externen elektrischen Energieversorgung (25) gespeiste Feldgeräte-Elektronik (5) für ein Feldgerät (1), wobei die externe elektrische Energieversorgung (25) eine Versorgungsspannung (U) bereitstellt und einen davon getriebenen veränderlichen Versorgungsstrom (I) liefert, welche Feldgeräte-Elektronik (5) eine interne Kontroll- und Steuereinheit zum Steuern des Feldgeräts, sowie zumindest eine die interne Kontroll- und Steuereinheit speisende, interne Versorgungsschaltung, wobei es sich bei dem Versorgungsstrom um einen Mischstrom handelt, der durch eine Überlagerung und/ oder eine Modulation eines Wechselstromanteiles auf einen Gleichstromanteil gebildet ist, und wobei die interne Versorgungsschaltung zumindest zeitweise und/oder zumindest anteilig auch den Wechselstromanteil des Mischstrom zur Deckung eines momentane Energiebedarfs der Kontroll- und Steuereinheit nutzt, umfasst.To solve the problem, the invention consists in a field of an external electrical power supply (25) powered field device electronics (5) for a field device (1), wherein the external electrical power supply (25) provides a supply voltage (U) and a supplied variable supply current (I) provides which field device electronics (5) an internal control and control unit for controlling the field device, and at least one internal control and control unit feeding, internal supply circuit, wherein the supply current to a mixed stream acts, which is formed by a superposition and / or a modulation of an alternating current component to a DC component, and wherein the internal supply circuit at least temporarily and / or at least partially also uses the AC component of the mixed current to cover a current energy demand of the control and control unit comprises.
[0009] Gemäß einer vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass der Gleichstromanteil des Mischstroms als ein Informationsträger oder Kommunikationsmittel für via Zweidraht-Verbindungsleitung übertragene Daten dient.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention is proposed that the DC component of the mixed current serves as an information carrier or communication means for data transmitted via a two-wire connection line.
[0010] Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts besteht darin, dass der Gleichstromanteil des Mischstromes Werte innerhalb eines Strombereichs von 4 mA bis 20 mA annimmt. Bei Zweileiter-Feldgeräten entsprechend dem erwähnten, zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard, entspricht ein bestimmter Stromwert innerhalb dieses Strombereichs genau einem elektrischen Sensorsignal oder Stellsignal. Deshalb kann lediglich der Strombereich von 4 mA für die gewährleistete Energieversorgung der Elektronik des Feldgeräts mit einer Zweidraht- Leitung eingeplant und genutzt werden. Dies bedingt, dass die Energieversorgung nur mit einer Leistung in der Größenordnung von 50 mW zur Verfügung steht, die im Folgenden als Niederleistung bezeichnet wird. Zweileiter-Feldgeräte mit dem erwähnten, zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard sind aufgrund dieser Sachverhalte besonders gut geeignet für den Einsatz in explosionsge- fährdeten Umgebungen.An expedient embodiment of the field device according to the invention is that the DC component of the mixed current assumes values within a current range of 4 mA to 20 mA. In the case of two-wire field devices corresponding to the aforementioned current loop standard lying between 4 mA and 20 mA, a specific current value within this current range corresponds exactly to an electrical sensor signal or actuating signal. Therefore, only the current range of 4 mA can be planned for the guaranteed power supply of the electronics of the field device with a two-wire line and used. This implies that the power supply is only available with a power in the order of 50 mW, which is referred to below as low power. Two-wire field devices with the above-mentioned current loop standard lying between 4 mA and 20 mA are particularly well suited for use in potentially explosive environments due to these circumstances.
[0011] Gemäß einer vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass der Wechselstromanteil des Mischstroms eine Frequenz von größer 10Hz (Hertz), insbesondere größer als 50 Hz (Hertz) annimmt.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention, it is proposed that the alternating current component of the mixed current assumes a frequency of greater than 10 Hz (Hertz), in particular greater than 50 Hz (Hertz).
[0012] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass der Mischstrom zumindest einen Effektivwert annimmt, der kleiner oder gleich einem höchsten zulässigen Grenzwert ist.An advantageous embodiment of the solution according to the invention suggests that the mixed stream assumes at least an effective value which is less than or equal to a maximum permissible limit.
[0013] Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts wird angeregt, dass der höchst zulässige Grenzwert des Effektivwerts des Mischstroms 20 mA beträgt. Um die Vorschriften des Explosionsschutzes nicht zu verletzen sollte der maximale Effektivwert des Mischstromes nicht größer als der vorgegebene Grenzwert sein.According to a favorable embodiment of the field device according to the invention it is suggested that the maximum permissible limit value of the effective value of the mixed current is 20 mA. In order not to violate the explosion protection regulations, the maximum effective value of the mixed flow should not be greater than the specified limit value.
[0014] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass der Effektivwert des aufmodulierten Wechselstromanteils des Mischstroms einen gegebenenfalls vorhandenen Differenzwert des Gleichstromanteils des Mischstroms zum höchsten zulässigen Grenzwert des Mischstroms annimmt. Damit das Feldgerät immer mit dem maximal zulässigen Strom versorgt werden kann, wird die Differenz des Gleichstromanteils des Mischstroms durch den Effektivwert des beispielsweise gleichgerichteten Wechselstromanteils des Mischstroms ergänzt, so dass deren Summe den höchstzulässigen Grenzwert einnehmen. Dadurch wird das Feldgerät stetig mit der maximalen Energie bzw. Leistung versorgt.An advantageous embodiment of the solution according to the invention is that the rms value of the modulated alternating current component of the mixed current assumes an optionally existing difference value of the direct current component of the mixed current to the highest permissible limit value of the mixed current. So that the field device can always be supplied with the maximum permissible current, the difference of the DC component of the mixed current is supplemented by the effective value of, for example, rectified AC component of the mixed current, so that their sum occupy the maximum permissible limit. As a result, the field device is constantly supplied with the maximum energy or power.
[0015] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes wird vorgeschlagen, dass ein dem ein zum Gleichstromanteil negativer aufmodulierten Wechselstromanteils des Mischstroms vorhandene überschüssige Energie des Feldgeräts abführt und auf diese Art und Weise somit den Energiebedarf bzw. Energiehaushalt des Feldgerätes regelt, falls zuviel Energie der Feldgeräte-Elektronik zur Verfügung steht. Wird ein zur Basis des Gleichstromanteils negativer Effektivwert des Wechselstromanteils im AC/DC- Wandler erzeugt, in dem beispielsweise durch eine bestimmte Umwandlung des Wechselstromanteils des Mischstroms ein zum Gleichstromanteil negativerer gleichgerichteter Wechselstromanteil des Mischstroms entsteht, kann überschüssiger Strom aus dem Feldgerät abgeleitet werden.According to an advantageous embodiment of the field device according to the invention, it is proposed that a modulated one to the DC component negative AC component of the mixed current dissipates existing excess energy of the field device and thus regulates the energy requirements or energy balance of the field device in this way, if too much energy of the field device electronics is available. If a negative effective value of the alternating current component in the AC / DC converter is generated at the base of the DC component, in which, for example, a DC component of the mixed current which is more negative than the DC component results in a DC component of the mixed current, excess current can be dissipated from the field device.
[0016] Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass der Wechselstromanteil des Mischstroms eine sinusförmige Signalform aufweist. Vorzugsweise werden als Wechselstromanteil des Mischstroms sinusförmige Signale verwendet, da deren Signalspektrum keine Oberwellen aufweisen. Wodurch sich Vorgaben bezüglich der "Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)" leichter einhalten lassen. Auch eine Überlagerung mit anderen Gleichstromanteilen bzw. Gleichsignalen ist leichter möglich, denn der zeitliche Mittelwert von sinusförmigen Signalformen ist Null und die Kodierung somit mittelwertfrei.A very advantageous variant of the solution according to the invention is to be seen in that the AC component of the mixed stream has a sinusoidal waveform. Preferably sinusoidal signals are used as the alternating current component of the mixed current, since their signal spectrum has no harmonics. Which makes it easier to comply with specifications regarding "electromagnetic compatibility (EMC)". It is also easier to superimpose with other DC components or DC signals, since the time average of sinusoidal signal forms is zero and the coding is thus free of mean values.
[0017] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass der Wechselstromanteil des Mischstroms eine rechteckförmige und/oder gepulste Signalform aufweist.A particularly advantageous development of the solution according to the invention suggests that the alternating current component of the mixed current has a rectangular and / or pulsed signal form.
[0018] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass eine gesteuerte Wechselstromquelle in der externen Energieversorgung den Wechselstromanteil des Mischstroms erzeugt.An advantageous embodiment of the solution according to the invention suggests that a controlled AC power source in the external power supply generates the AC component of the mixed stream.
[0019] Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass eine Schalteinheit in der Feldgeräte-Elektronik des Feldgeräts den Wechselstromanteil des Mischstroms mittels Lastmodulation erzeugt. Durch die sich ändernde Strombelastung der externen Energieversorgung durch die mit einer entsprechenden Frequenz veränderbaren Stromanforderungen im Feldgerät wird der Wechselstromanteil des Mischstroms erzeugt.A very advantageous variant of the solution according to the invention is the fact that a switching unit in the field device electronics of the field device generates the AC component of the mixed current by means of load modulation. Due to the changing current load of the external energy supply by the variable with a corresponding frequency current requirements in the field device, the AC component of the mixed stream is generated.
[0020] Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldgeräts sieht vor, dass eine Kontroll- und Steuereinheit in der Feldgeräte-Elektronik integriert ist, die zur Regelung der Schalteinheit anhand des aktuellen und zukünftigen Energiebedarfs bzw. Energiehaushalts des Feldgerätes dient und/oder ferner anhand des aktuellen und zukünftigen elektrischen Sensorsignals oder Stellsignals des Feldgerätes zur Steuerung und Regelung des Stromstellers, der die Einstellung des Gleichstromanteils des Mischstroms als Informationsträger übernimmt, dient.A preferred embodiment of the field device according to the invention provides that a control and control unit is integrated in the field device electronics, which is used to control the switching unit based on the current and future energy needs or energy balance of the field device and / or further based on the current and future electrical sensor signal or actuating signal of the field device for controlling and regulating the current controller, which takes over the adjustment of the DC component of the mixed stream as an information carrier, is used.
[0021] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass die Kontroll- und Steuereinheit den zukünftigen Energiebedarf des Feldgeräts unter Berücksichtigung und Abschätzung der zukünftig ablaufenden Prozesse und Anwendungen ermittelt und berechnet.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention it is proposed that the control and control unit, the future energy needs of the field device taking into account and estimate the future expiring Processes and applications determined and calculated.
[0022] Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldgeräts besteht darin, dass wenigstens ein einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter sensorisch erfassenden Sensor vorgesehen ist, der ein elektrisches Sensorsignal liefert.An expedient embodiment of the field device according to the invention is that at least one sensor which senses a chemical and / or physical process parameter is provided, which supplies an electrical sensor signal.
[0023] Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass wenigstens einen von einem elektrischen Stellsignal angesteuerten Aktor vorgesehen ist, der den wenigstens einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter aktorisch einstellt.A very advantageous variant of the solution according to the invention is to be seen in that at least one actuated by an electrical actuating signal actuator is provided which adjusts the at least one chemical and / or physical process parameters actuarially.
[0024] Ein zweckmäßiges alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßenA useful alternative embodiment of the invention
Feldgeräts besteht darin, dass als interne Versorgungsschaltung zumindest ein AC/ DC- Wandler und/oder zumindest ein DC/DC-Wandler vorgesehen ist.Field device is that at least one AC / DC converter and / or at least one DC / DC converter is provided as an internal power supply circuit.
[0025] Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die gesendeten Daten mittels der Feldgeräte-Elektronik vom Sensorsignal abgeleitete und/oder mittels der Externen Energieversorgung angepasste Messwerte sind.An advantageous embodiment of the solution according to the invention is that the data transmitted by means of the field device electronics derived from the sensor signal and / or by means of the external power supply adapted measured values.
[0026] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass die empfangenen Daten mittels der externen Energieversorgung anzupassende und/oder mittels der Feldgeräte-Elektronik in das Stellsignal umzusetzende Stellenwerte sind.A particularly advantageous development of the solution according to the invention suggests that the received data are to be adjusted by means of the external power supply and / or to be converted into the control signal by means of the field device electronics.
[0027] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein weiterer Wechselstromanteil des Mischstroms, z.B. das Hart- Signal, der unterscheidbar von dem Wechselstromanteil und/oder im Frequenzband getrennt, als ein Informationsträger aufmoduliert ist. Feldgeräte die ein zusätzliches Hart-Signal verwenden, tauschen ihre Daten über die Zweidraht-Leitungen des 4 bis 20 mA-Stromschleifen Standards aus. Mit Hilfe dieser Kommunikation lassen sich die Feldgeräte sehr flexibel parametrieren und in Betrieb nehmen oder ermittelte und gespeicherte Messwerte bzw. Daten auslesen. Das Hart-Protokoll ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation auch in explosionsgefährdeter Umgebung. Hart ermöglicht eine Punkt-zu-Punkt Übertragung von zumindest zwei Teilnehmern. Die diskretisierten und digitalisierten Daten werden einem speziellen Modem das in jedem Teilnehmer vorhanden sein muss, in ein Hart-Protokoll mit dem FSK- Verfahren übertragen und empfangen. Das FSK- Verfahren (Frequency Shift Keying) nutzt zur Unterscheidung der binären Zustände unterschiedliche Frequenzen eines sinusförmigen Signals (z.B. Bell 202-Standard: „0" 2200 Hz, „1" 1200 Hz). Da dieses Verfahren weitgehend pegelunabhängig arbeitet, bietet es auch bei Signaldämpfungen und sich ändernden Lasten eine hohe Störsicherheit. Selbstverständlich muss sichergestellt sein, dass das Übertragungsmedium in der Lage ist, die zur Kodierung verwendeten Frequenzen zu übertragen. Wird zur Energieversorgung des Feldgerätes eine sinusförmige Signalform des Wechselstromanteils verwendet, muss die Frequenz des Hart-Signals von der des Wechselstromanteil des Mischstroms verschieden sein, damit die beiden Wechselstromanteile durch beispielsweise einen Filter wieder getrennt und getrennt weiterverarbeitet werde können.According to a further advantageous embodiment of the solution according to the invention it is provided that a further AC component of the mixed stream, for example the hard signal, which is distinguishable from the AC component and / or separated in the frequency band, modulated as an information carrier. Field devices using an additional Hart signal exchange their data over the two-wire lines of the 4 to 20 mA current loop standard. With the aid of this communication, the field devices can be very flexibly parameterized and put into operation, or measured values or data determined and stored can be read out. The Hart protocol enables bidirectional communication even in potentially explosive environments. Hart enables a point-to-point transmission of at least two subscribers. The discretized and digitized data will be transmitted and received to a special modem which must be present in each subscriber in a hard protocol with the FSK method. The FSK (Frequency Shift Keying) method uses different frequencies of a sinusoidal signal to differentiate the binary states (eg Bell 202 standard: "0" 2200 Hz, "1" 1200 Hz). Since this method operates largely level-independent, it also offers high interference immunity for signal attenuation and changing loads. Of course, it must be ensured that the transmission medium is able to transmit the frequencies used for coding. Is used to power the field device, a sinusoidal waveform used in the AC component, the frequency of the hard signal must be different from that of the AC component of the mixed stream, so that the two AC components can be re-separated by, for example, a filter and processed separately.
[0028] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass der Energiebedarf des Feldgeräts teilweise durch den Gleichstromanteil des Mischstroms gedeckt ist.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention it is proposed that the energy requirement of the field device is partially covered by the DC component of the mixed stream.
[0029] Die Erfindung und ausgewählte Ausführungsbeispiele werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden, die jedoch nur dann wiederholt wurden, wenn es als sinnvoll erachtet wurde. Es zeigt:The invention and selected embodiments will be explained in more detail with reference to the following drawings. For simplicity, identical parts have been given the same reference numerals in the drawings, but they have been repeated only if deemed appropriate. It shows:
[0030] Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist,1 shows a schematic representation of a field device which is connected to the field bus via a bus interface,
[0031] Fig. 2 : ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist,2 shows a first exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention which is connected to the field bus via a bus interface,
[0032] Fig. 3: Diagramm der Ströme (IM, iε) des ersten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus Fig. 2,3: Diagram of the currents (I M , iε) of the first exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 2,
[0033] Fig. 4 : ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung eines Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist,FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the solution according to the invention of a field device which is connected to the field bus via a bus interface, FIG.
[0034] Fig. 5: ein erstes Diagramm der Ströme (IM, iε) des zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus Fig. 4,5 shows a first diagram of the currents (I M , iε) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0034] FIG.
[0035] Fig. 6: ein zweites Diagramm der Ströme (IM, iε) des zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus Fig. 4,6 shows a second diagram of the currents (I M , iε) of the second exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention from FIG. 4, [0035] FIG.
[0036] Das in Fig. 1 dargestellte Blockdiagramm stellt die wichtigsten Teilkomponenten eines dezentralen Automatisierungssystems zur Prozessparametererfassung, - auswertung und -Übertragung dar. Ferner sind Feldgeräte 1 häufig derart ausgebildet, dass sie über eines der üblichen externen Feldbussysteme 2 mit einer entfernten Leitstelle 24 oder einem weiteren Feldgerät 28 kommunizieren und sich mit der benötigten Energie versorgen. Dies kann einerseits durch direkten Anschluss an das Feldbussystem 2, z.B. entsprechend dem FTELDBUS-Protokoll, erfolgen. Andererseits kann das Zusammenarbeiten unter Zwischenschaltung eines Buskopplers 3, z.B. entsprechend dem so genannten HART-Protokoll, indirekt erfolgen. Die Komponenten des rechts in Fig. 1 dargestellten dezentralen Automatisierungssystems 1 sind dahingehend miteinander verbunden, dass ein Feldgerät 1, das beispielsweise nach dem PROFIBUS PA Protokoll arbeitet, über eine Busschnittstelle bzw. einen Buskoppler 3 indirekt an das externe Feldbussystem 2 angeschlossen ist. Einen direkten Anschluss des Feldgeräts 1 an das externe Feldbussystem 2 beispielsweise nach dem FTELDBUS- Protokoll ist nicht explizit in Fig. 1 dargestellt, jedoch ist es auch möglich, die Erfindung bei einem direkten Anschluss des Feldgeräts 1 an ein Feldbussystem 2 umzusetzen.The block diagram shown in FIG. 1 represents the most important subcomponents of a decentralized automation system for process parameter acquisition, evaluation and transmission. Furthermore, field devices 1 are frequently designed in such a way that they are connected via a conventional external fieldbus system 2 to a remote control center 24 or communicate with another field device 28 and provide itself with the required energy. On the one hand, this can be done by direct connection to the fieldbus system 2, eg according to the FTELDBUS protocol. On the other hand, the cooperation can take place indirectly with the interposition of a bus coupler 3, for example in accordance with the so-called HART protocol. The components of the decentralized automation system 1 shown on the right in FIG. 1 are interconnected in such a way that a field device 1, which operates, for example, according to the PROFIBUS PA protocol, is indirectly connected to the external fieldbus system 2 via a bus interface or a bus coupler 3. A direct connection of the field device 1 to the external fieldbus system 2, for example, according to the FTELDBUS protocol is not explicitly shown in Fig. 1, but it is also possible that Invention at a direct connection of the field device 1 to a fieldbus system 2 implement.
[0037] Die Feldgeräte 1 besteht im Allgemeinen aus einer Feldgeräte-Elektronik 5 und einem Sensor 18 oder einem Aktor 19. Ein integraler Teil oder ein angegliederter Teil der Feldgeräte-Elektronik 5 stellt der Messumformer 27 dar, der das elektrische Stellsignal Stell des Aktors 19 oder das elektrische Sensorsignal Sens des Sensors 18 erfasst und in entsprechende Daten D bzw. Messdaten umwandelt, dar. Beispielsweise kann in dem Messumformer 27 zumindest die Kontroll- und Steuereinheit 17 integriert sein.The field devices 1 generally consists of a field device electronics 5 and a sensor 18 or an actuator 19. An integral part or an affiliated part of the field device electronics 5 represents the transmitter 27, which is the electrical actuating signal setting of the actuator 19th or the electrical sensor signal Sens of the sensor 18 is detected and converted into corresponding data D or measurement data. For example, at least the control and control unit 17 can be integrated in the transmitter 27.
[0038] Ein Beispiele für solche Sensoren 18 sind im besondern Durchfluss-[0038] Examples of such sensors 18 are in particular flow-through
Messwertaufnehmer, die nach dem Coriolis-Prinzip oder magnetisch-induktiven Messprinzip den Durchfluss eines zumindest zeitweise strömenden Mediums ermitteln, oder Füllstands- und/oder Grenzwertaufnehmer zur Ermittlung des Füllstands in einem Behälter nach dem Laufzeitprinzip hochfrequenter oder akustischer Messsignale, zu nennen. In der Prozessautomation stellt beispielsweise ein Stellantrieb für ein Ventil einen Aktor 19 dar.Measuring sensor, which determine the flow of an at least temporarily flowing medium according to the Coriolis principle or magnetic-inductive measuring principle, or fill level and / or Grenzwertaufnehmer for determining the level in a container according to the transit time principle of high-frequency or acoustic measurement signals to call. In process automation, for example, an actuator for a valve is an actuator 19.
[0039] Die Feldgerät 1 des rechts in Fig. 1 dargestellten dezentralen Automatisierungssystems ist beispielsweise über eine Zweidraht- Verbindungsleitung 4 direkt mit der Leitstelle 24 verbunden. Bei dieser Ausführungsbeispiel erfolgt die Kommunikation und die Versorgung des Feldgeräts 1 über die Zweidraht- Verbindungsleitung 4 durch die externe Energieversorgung 25 und/oder die gesteuerte Wechselstromquelle 15 in der Leitstelle 24 beispielsweise nach dem HART-Standard und/ oder 20mA-Stromschleifen-Standard bzw. Teletypes-Standard. Nach dem HART- Standard und/oder TTY-Standard sind an diese Zweidraht- Verbindungsleitung 4 auch noch weitere Feldgeräte 28 anschließbar, was jedoch nicht explizit in Fig. 1 ausgeführt wurde.The field device 1 of the illustrated on the right in Fig. 1 decentralized automation system is connected for example via a two-wire connection line 4 directly to the control center 24. In this embodiment, the communication and the supply of the field device 1 via the two-wire connection line 4 by the external power supply 25 and / or the controlled AC power source 15 in the control center 24, for example, according to the HART standard and / or 20mA current loop standard or teletypes standard. According to the HART standard and / or TTY standard, further field devices 28 can also be connected to this two-wire connection line 4, although this was not explicitly carried out in FIG. 1.
[0040] In dem Feldgerät 1 ist eine Feldgeräte-Elektronik 5 integriert, die über dieIn the field device 1, a field device electronics 5 is integrated, via the
Zweidraht-Verbindungsleitung 4 mit dem Modul der gesteuerten Wechselstromquelle 15 und/oder der externen Energieversorgung 25 in den jeweiligen Einheiten, wie z.B. der Leitstelle 24, dem Buskoppler 3 oder weiteren Feldgeräten 28, verbunden ist. Der chemische oder physikalische Prozessparameter P wirkt auf den Sensor bzw. Messwandler 18 ein oder wird durch den Aktor bzw. Signalwandler 19 verändert oder bereitgestellt. Die erfasste oder eingestellte Veränderung des chemischen oder physikalischen Prozessparameters P durch den Sensor 18 oder den Aktor 19 wird durch die Feldgeräte-Elektronik 5 weiter verarbeitet und über die Zweidraht- Verbindungsleitung 4 beispielsweise an die Busschnittstelle 3 oder direkt an die Leitstelle 24 übermittelt.Two-wire connection line 4 to the module of the controlled AC power source 15 and / or the external power supply 25 in the respective units, e.g. the control center 24, the bus coupler 3 or other field devices 28, is connected. The chemical or physical process parameter P acts on the sensor or transducer 18 or is changed or provided by the actuator or signal converter 19. The detected or adjusted change of the chemical or physical process parameter P by the sensor 18 or the actuator 19 is further processed by the field device electronics 5 and transmitted via the two-wire connection line 4, for example to the bus interface 3 or directly to the control center 24.
[0041] Durch Schutzmassnahmen im Feldgerät 1 und eventuellen Maßnahmen in demBy protective measures in the field device 1 and any measures in the
Buskoppler 3 ist die Zweidraht- Verbindungsleitung 4 und das Feldgerät 1 eigensicher ausgeführt und trennt den Explosionsschutz-Bereich Ex vom nicht Explosionsschutz- Bereich Ex. Das Feldgerät 1 kann durch diese eigensichere Trennung in einem Explosionsschutz-Bereich Ex, in dem beispielsweise eine explosive Gasatmosphäre herrscht, eingesetzt werden.Bus coupler 3 is the two-wire connection line 4 and the field device 1 intrinsically safe is executed and separates the explosion protection area Ex from the non explosion protection area Ex. The field device 1 can be used by this intrinsically safe separation in an explosion protection area Ex, in which, for example, an explosive gas atmosphere prevails.
[0042] In Fig. 2 sind diese Teilkomponenten aus Fig. 1 detaillierter dargestellt, wobei in der Busschnittstelle 3 symbolisch eine externe Energieversorgung 25 mit einer Gleichspannungsquelle 26 integriert ist, die einen Messstrom IM liefert. Dieser Messstrom IM fließt durch einen Widerstand R und erzeugt eine vom Messstrom IM abhängige Spannung UM , die den Messwert MW repräsentiert. Dieses Messspannung UM wird beispielsweise in der Busschnittstelle 3 weiterverarbeitet, digitalisiert und auf das externe Feldbussystem 2 ausgegeben. Desweiteren ist es aber auch möglich diese Messspannung UM direkt über die Verbindungsleitung 4 an die Leitstelle 24 oder ein weiteres Feldgerät 28 zu übermitteln. Der Kondensator C ist parallel zu dem Widerstand R geschalten und bildet mit diesem zusammen in der externen Energieversorgung 25 einen Tiefpass TP, der störende Wechselspannungssignale, die eine höhere Frequenz als die Grenzfrequenz des Tiefpasses TP besitzen, im Messspan- nungssignal UM des Messwerts MW oder Stellwerts SW dämpft. Anstatt der oben beschriebenen Elementen - R, C - kann in der Busschnittstelle 3 eine anderweitige Auswerte- und Einspeiseeinheit in die Stromschleife integriert sein, welche Daten und Signale vom externen Feldbussystem 2 in die Stromschleife der Zweidraht- Verbindungsleitung 4 einkoppelt oder den Messstrom IM umwandelt und nach dem Standard des externen Feldbussystems 2 oder der Verbindungsleitung 4 an das selbige aussendet.In Fig. 2, these sub-components of Fig. 1 are shown in more detail, wherein in the bus interface 3, an external power supply 25 is symbolically integrated with a DC voltage source 26, which supplies a measuring current I M. This measuring current I M flowing through a resistor R and generates a dependent of the measuring current I M U M voltage, which represents the measured value MW. This measurement voltage U M is further processed, for example, in the bus interface 3, digitized and output to the external fieldbus system 2. Furthermore, it is also possible to transmit this measuring voltage U M directly via the connecting line 4 to the control station 24 or another field device 28. The capacitor C is connected in parallel to the resistor R and forms together with this in the external power supply 25, a low-pass filter TP, the disturbing AC signals having a higher frequency than the cutoff frequency of the low-pass filter TP, in the measurement voltage signal U M of the measured value MW or Control value SW attenuates. Instead of the elements described above - R, C - may be integrated in the bus interface 3, another evaluation and supply unit in the current loop, which couples data and signals from the external fieldbus system 2 in the current loop of the two-wire connecting line 4 or converts the measuring current I M. and sends out to the same according to the standard of the external fieldbus system 2 or the connection line 4.
[0043] Als weitere Komponente ist der Busschnittstelle 3 des Feldbussystems 2 oder der Leitstelle 24 eine gesteuerte Wechselstromquelle 15 parallel geschalten, die den einen Einspeisungsstrom iE in die Zweidraht- Verbindungsleitung 4 einspeist. Diese gesteuerte Wechselstromquelle 15 kann auch in der externen Energieversorgung 25 der Busschnittstelle 3, des Messumformers 27 oder der Leitstelle 24 integriert sein. Ein Vorteil eines modularen Aufbaus der gesteuerte Wechselstromquelle 15 und der externen Energieversorgung 25 liegt darin, dass bestehende die externe Energieversorgung 25, welche nur eine Gleichspannungsquelle 26 besitzen, durch ein Wechselstromquelle-Modul leicht nachgerüstet werden können. Die Wechselstromquelle 15 und die Gleichspannungsquelle 26 kommunizieren über eine separate Steuer- und Datenleitung 21 und einer dazwischen geschalteten Stromregeleinheit 23 zur Regelung des Stromverhältnisses des Wechselstromanteils 7 und des Gleichstromanteils 8 des Mischstroms 6. An den Klemmen der Verbindungsleitung 4 liegt somit eine Versorgungsspannung U, die einen Versorgungsstrom I aus dem Einspeisungsstrom iE und dem Messstrom IM treib. Diese Stromregeleinheit 23 ist dazu da, dass je nachdem wie viel Messstrom IM vom Feldgerät 1 angefordert oder vom externen Feldbussystem durch die interne Elektronik des Buskopplers 3 eingespeist wird, in einem bestimmten Verhältnis ein entsprechend angepasster, eingespeister Wechselstrom iE zusätzlich zu dem Messstrom IM hinzu gemischt wird, so dass sich der Effektivwert des Summenstroms (iM+iεW unterhalb eines bestimmten eingestellten Grenzwert einstellt. Im einfachsten Fall wird durch die Stromregeleinheit 23 der Messstrom IMder externen Energieversorgung 25 gemessen und die gesteuerte Wechselstromquelle 15 entsprechend dem Defizit zum maximalen Effektivwert des Summenstroms (V^ES angesteuert.As a further component of the bus interface 3 of the field bus system 2 or the control center 24 is a controlled AC power source 15 connected in parallel, which feeds the one feed current i E in the two-wire connection line 4. This controlled AC power source 15 may also be integrated in the external power supply 25 of the bus interface 3, the transmitter 27 or the control center 24. An advantage of a modular construction of the controlled AC power source 15 and the external power supply 25 is that existing external power supplies 25 having only a DC power source 26 can be easily retrofitted by an AC power source module. The AC power source 15 and the DC voltage source 26 communicate via a separate control and data line 21 and an intermediate current control unit 23 for controlling the current ratio of the AC component 7 and the DC component 8 of the mixed stream 6. At the terminals of the connecting line 4 is thus a supply voltage U, the a supply current I from the feed current i E and the measuring current I M drive. This flow control unit 23 is there to, as the case may be A large amount of measuring current I M requested by the field device 1 or fed by the external fieldbus system through the internal electronics of the Buskopplers 3, in a certain ratio, a correspondingly adapted, fed AC i E in addition to the measuring current I M is mixed, so that the effective value of sum current (i M + iεW below a certain set threshold is established. In the simplest case, I M of the external power supply 25 is measured by the flow control unit 23 of the measuring current and the controlled alternating current power source 15 corresponding to the deficit to the maximum effective value of the sum current (V ^ ES driven.
[0044] Diese Ausgestaltung der Externen Energieversorgung 25, der gesteuerten Wechselstromquelle 15 und der Stromregeleinheit 23 in Fig. 2 sind auch in einer Leitstelle 24 oder als allein stehende Einheit umsetzbar und werden hier jedoch aufgrund der Äquivalenz nicht explizit ausgeführt.This embodiment of the external power supply 25, the controlled AC power source 15 and the current control unit 23 in Fig. 2 can also be implemented in a control center 24 or as a stand-alone unit and are not explicitly carried out here due to the equivalence.
[0045] An die Zweidraht- Verbindungsleitung 4 ist zumindest ein Feldgerät 1 angeschlossen, das zumindest einen AC/DC-Wandler 9, der zur Auswertung und Umwandlung des Wechselstromanteils 7 des Mischstroms 6 oder Einseisungsstroms iE dient, zumindest einen DC/DC- Wandler 10, der zur Auswertung und Umwandlung des Gleichstromanteils 8 des Mischstroms 6 oder des Messstroms IM dient, zumindest eine Kontroll- und Steuereinheit 17, die das elektrische Sensorsignal Sens des Sensor 18 auswertet und das elektrische Stellsignal Stell des Aktors 19 einstellt sowie die Steuerung und Regelung der Kommunikation und Energieversorgung übernimmt, und zumindest einen Stromsteller 20, der zur Kommunikation den Strom der Stromschleife bzw. Messstrom IM einstellt, umfasst. Ist nur ein Feldgerät 1 über eine Verbindungsleitung 4 an die externe Versorgungseinheit angeschlossen, ist der Versorgungsstrom I gleich dem Summenstrom IM+IE, ansonsten ist der Versorgungsstrom I je nach Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte 1 ein Vielfaches des Summenstroms IM+i E. Der chemische oder physikalische Prozessparameter P wird von dem Messwandler 18 erfasst und als elektrisches Sensorsignal Sens über eine elektrische Verbindung an die Kontroll- und Steuereinheit 17 übermittel, welche dieses Sensorsignal Sens auswertet und den Stromsteller 20 entsprechen ansteuert, so dass ein proportionaler Messstrom IM in der Stromschleife fließt und dass ein entsprechender Messwert MW des chemische oder physikalische Prozessparameters P an den Buskoppler 3 übertragen wird und dort weiterverarbeitet werden kann. An dem Knotenpunkt K trennen sich die beiden Ströme, der Messstrom IM und der Einspeisungsstrom iE im Feldgerät 1 in zwei getrennte Stromzweige auf. Zu diesem Zweck kann im Knotenpunkt K eine Frequenzweiche bzw. ein Filter - der nicht explizit in der Fig. 2 und der Fig. 4 gezeigt ist - in die Schaltung integriert sein. Der DC/DC- Wandler 10 und der AC/DC-Wandler 9 sind über eine Steuer- und Datenleitung 21, über die bei- spielsweise eine Übermittlung der Stromwerte und/oder eine Steuerung der Stromwandlung stattfindet, mit der Kontroll- und Steuereinheit 17 verbunden. Diese Kontroll- und Steuereinheit 17 wird über die Versorgungsleitung 22 von dem AC/DC- und DC/DC-Wandlern (9,10) mit der nötigen Energie versorgt. Die Kontroll- und Steuereinheit 17 stellt das Herzstück des Feldgerätes 1 mit einem Mikrocontroller μC als zumindest ein integraler Teil dar. Über diese Kontroll- und Steuereinheit 17 wird die gesamte Prozessparametererfassung, -auswertung und -Übertragung gesteuert, so wie das Energiemanagement des Feldgerätes 1 und gegebenenfalls weiterer Buskomponenten geregelt. Unter dem Energiemanagement des Feldgerätes 1 ist nicht nur die Steuerung des Stromstellers 20 zu verstehen, vielmehr kann über eine gezielte Ansteuerung des DC/DC- Wandlers 10 und des AC/DC-Wandlers 9 und gegebenenfalls einem im Feldgerät 1 beinhalten Energiepufferspeicher - der nicht explizit in Fig. 2 und Fig. 4 gezeigt ist - die Energiezufuhr in das Feldgerät 1 geregelt werden. Über die Steuerung des AC/DC-Wandlers 10 und der damit verbundenen Umwandlung des symmetrischen, mittelwertfreien Wechselstromanteils 7 des Mischstroms 6 in eine entsprechenden Effektivwert 11 ist die Versorgung des Feldgerätes 1 steuerbar, so dass beispielsweise immer die vom Feldgerät 1 benötigte maximale Energie diesem Feldgerät 1 zur Verfügung steht. Von der externen Energieversorgung 25 und dem Modul mit der gesteuerten Wechselstromquelle 15 wird immer der maximale Effektivwert des Summenstroms (WiE)EfT an das Feldgerät 1 übertragen. Die Differenz der Energie die vom Feldgerät 1 benötigt wird und der Energie, die als maximaler Effektivwert des Summenstroms (IM+IEW von der externen Energieversorgung 25 und der gesteuerten Wechselstromquelle 15 zur Verfügung gestellt wird, ist über den AC/ DC- Wandler 9 dadurch regelbar, dass nur ein bestimmtes Maß des Wechselstromanteil 7 in einen Gleichstromanteil 8 umgewandelt wird. Bei einem Energieüberschuss im Feldgerät 1 kann durch die Erzeugung eine negativen Effektivwertes 11 des symmetrischen, mittelwertfreien Wechselstromanteils 7 des Mischstroms 6 zur Basis des Gleichstromanteils 8 des Mischstroms 6 bzw. des Messstroms IM überschüssige Energie bzw. Strom aus dem Feldgerät 1 heraus abgeleitet werden und muss nicht, wie bisherig, im Feldgerät z.B. in Wärme oder eine andere Energieform umgewandelt werden. In Fig. 3 ist ein Diagram der Ströme in einem dezentralen Automatisierungs- Systems aufgezeigt. Der Messstrom IM bzw. der Gleichstromanteil 8 des Mischstroms 6 der durch den Stromsteller 20 oder eine Schalteinheit 16 in der Stromschleife hervorgerufen wird, ist durch eine Trapezfunktion mit Teilstücken von Konstantwerten des Stromwertes aufgezeigt. Da Änderungen des chemischen und physikalischen Prozessparameter P meist ein gewisse Zeit benötigen und nicht sofort in den anderen Wert wechseln, ist zwischen den Konstantwerten, in denen der Stromwert sich nicht verändert, eine gewisse Zeitdauer in denen der Stromwert beispielsweise linear von einem Konstantwert in den anderen Konstantwert übergeht. Der Gleichstromanteil 8 bzw. Messstrom IM nimmt nach dem Stromschleifen Standard Werte zwischen 4 mA und 20 mA an. Diesem Gleichstromanteil 8 des Mischstroms 6 ist ein Amplitudenmodulierter Wechselstromanteil 7 mit einer beispielsweise sinusförmigen Signalform 13 des Mischstroms 6 - in der Fig. 3 als gestrichelte Linie gezeigt - aufmoduliert. Die Amplitude des Wechselstromanteils 7 ändert sich in der Weise, dass der Effektivwert des Summenstromes (iM+iεWaus dem Wechselstromanteil 7 und dem Gleichstromanteil 8 des Mischstroms bzw. aus dem Messstrom IM und dem Einspei- sungsstrom iE, der in dem AC/DC- Wandler 9 mittels einer 2- Weg-Gleichrichtung umgesetzt wird, einen bestimmten konstanten Wert annimmt. Dieser bestimmte konstante Wert ist beispielsweise der gegenwärtig zur Energieversorgung benötigte Stromwert des Feldgeräts 1 oder ein maximaler konstanter Grenzwert 12. Der Nachteil von Amplitudenmodulierten Signalen ist, dass sich - besonders bei großen Distanzen - die Signalamplitude innerhalb eines Netzes ändern kann, wodurch auch der Effektivwert 11 verändert wird. Als Effektivwert 11 eines Wechselstromanteils 7 eines elektrischen Stromes bzw. Wechselstrom ist der Wert angegeben, der in einem Wirkwiderstand die gleiche Wärmemenge erzeugt, wie ein gleich großer Gleichstromanteil 8 bzw. Gleichstrom bewirkt.At least one field device 1 is connected to the two-wire connecting line 4, the at least one AC / DC converter 9, which serves for the evaluation and conversion of the AC component 7 of the mixed stream 6 or Einseisungsstroms i E , at least one DC / DC converter 10, which is used for evaluation and conversion of the DC component 8 of the mixed stream 6 or the measuring current I M , at least one control and control unit 17, which evaluates the electrical sensor signal Sens of the sensor 18 and adjusts the electrical control signal setting of the actuator 19 and the controller and Regulation of the communication and power supply takes over, and at least one power controller 20, which adjusts the communication of the current of the current loop or measuring current I M includes. If only one field device 1 is connected to the external supply unit via a connecting line 4, the supply current I is equal to the total current I M + I E , otherwise the supply current I is a multiple of the total current I M + i E , depending on the number of connected field devices 1. The chemical or physical process parameter P is detected by the transducer 18 and transmitted as an electrical sensor signal Sens via an electrical connection to the control and control unit 17, which evaluates this sensor signal Sens and controls the current controller 20 accordingly, so that a proportional measurement current I M in the current loop flows and that a corresponding measured value MW of the chemical or physical process parameter P is transmitted to the bus coupler 3 and can be further processed there. At the node K, the two currents, the measuring current I M and the feed current i E in the field device 1 separate into two separate current branches. For this purpose, in the node K a crossover or a filter - which is not explicitly shown in FIG. 2 and FIG. 4 - be integrated into the circuit. The DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 are connected via a control and data line 21, over which For example, a transmission of the current values and / or a control of the current conversion takes place, connected to the control and control unit 17. This control and control unit 17 is supplied via the supply line 22 by the AC / DC and DC / DC converters (9,10) with the necessary energy. The control and control unit 17 is the heart of the field device 1 with a microcontroller .mu.C as at least an integral part. About this control and control unit 17, the entire process parameter acquisition, evaluation and transmission is controlled, such as the energy management of the field device 1 and optionally further bus components regulated. Under the energy management of the field device 1 is not only the control of the current controller 20 to understand, but may include a targeted control of the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 and optionally in the field device 1 energy buffer memory - not explicitly shown in Fig. 2 and Fig. 4 - the power supply to the field device 1 are regulated. The supply of the field device 1 can be controlled via the control of the AC / DC converter 10 and the associated conversion of the symmetrical, mean-free alternating current component 7 of the mixed current 6 into an appropriate effective value 11, so that, for example, the maximum energy required by the field device 1 always belongs to this field device 1 is available. From the external power supply 25 and the module with the controlled AC power source 15, the maximum effective value of the total current (WiE) EfT is always transmitted to the field device 1. The difference in energy required by the field device 1 and the energy provided as the maximum effective value of the sum current (I M + I E W from the external power supply 25 and the controlled AC power source 15) is via the AC / DC converter 9 can be regulated in that only a certain amount of the alternating current component 7 is converted into a direct current component 8. In the case of an energy surplus in the field device 1, a negative effective value 11 of the symmetrical, mean-free alternating current component 7 of the mixed current 6 can be converted to the base of the direct current component 8 of the mixed current 6 or the measuring current I M, excess energy or current can be derived from the field device 1 and does not have to be converted into heat or any other form of energy in the field device, as has been the case in the past The measuring current I M or the DC component 8 of the mixing current ms 6 caused by the current controller 20 or a switching unit 16 in the current loop is indicated by a trapezoidal function with portions of constant values of the current value. Since changes in the chemical and physical process parameters P usually take a certain amount of time and do not change immediately to the other value, there is no difference between the constant values in which the current value is not changed, a certain period of time in which the current value, for example, linearly passes from a constant value in the other constant value. The DC component 8 or measuring current I M assumes standard values between 4 mA and 20 mA after current grinding. This DC component 8 of the mixed stream 6 is an amplitude modulated AC component 7 with an example sinusoidal waveform 13 of the mixed stream 6 - shown in the Fig. 3 shown as a dashed line - modulated. The amplitude of the alternating current component 7 changes in such a way that the effective value of the sum current (i M + iεWaus the AC component 7 and the DC component 8 of the mixed flow or from the measuring current I M and the feed stream i E , in the AC / This constant value is, for example, the current value of the field device 1 currently required for the power supply or a maximum constant limit value 12. The disadvantage of amplitude-modulated signals is that the signal amplitude within a network can change, which also changes the rms value 11. The rms value 11 of an alternating current component 7 of an electric current or alternating current is the value which generates the same amount of heat in an effective resistance as an equal DC component 8 or DC causes.
[0047] Die maximale positive Amplitude A und die maximale negative Amplitude -A liegen in einem niedrigen Strombereich bei einer bestimmten Frequenz F des Wechselstromanteils 7 dessen Energie unter einer oberen Grenze liegt, bei dem eine explosive Atmosphäre gezündet wird. Die Abhängigkeit des Zündverhaltens von Wechselgrößen von Ströme bzw. Wechselströmen und der damit zusammenhängenden „Eigensicherheit" von Feldgeräten 1 ist aus der DE 100 49 233 Al, der DE 101 27 561 Al, der DE 10245 273 Al bekannt.The maximum positive amplitude A and the maximum negative amplitude -A are in a low current range at a certain frequency F of the AC component 7 whose energy is below an upper limit at which an explosive atmosphere is ignited. The dependence of the ignition behavior of alternating quantities of currents or alternating currents and the associated intrinsic safety of field devices 1 is known from DE 100 49 233 A1, DE 101 27 561 A1, DE 10245 273 A1.
[0048] Die erfindungsgemäße Stromversorgung des Feldgeräts 1 durch einen Mischstrom 6 kann auch zur Anwendung gebracht werden, falls beispielsweise schon ein weiterer Wechselstromanteil 7a, z.B. nach dem HART-Standard, auf den Gleichstromanteil 8 des 20mA-Stromschleifen-Messsignals zur Kommunikation von Daten D aufmoduliert wurde. Zur Trennung des für die Energieversorgung des Feldgerätes 1 benötigten Wechselstromanteils 7 und des weiteren Wechselstromanteils 7a des Hart-Signals, sollten die Frequenzen der beiden Wechselsignale 7, 7a in unterschiedlichen Frequenzbändern liegen. Die in verschieden Frequenzbändern liegenden Wechselsignale 7, 7a können durch entsprechende Filter messtechnisch wieder getrennt und separat weiterverarbeitet werde.The power supply of the field device 1 according to the invention by a mixed flow 6 can also be used if, for example, another alternating current component 7a, e.g. according to the HART standard, to which DC component 8 of the 20 mA current loop measurement signal for modulating data D was modulated. In order to separate the alternating current component 7 required for the energy supply of the field device 1 and the further alternating current component 7a of the hard signal, the frequencies of the two alternating signals 7, 7a should be in different frequency bands. The alternating signals 7, 7a lying in different frequency bands can be metrologically separated again by appropriate filters and further processed separately.
[0049] In Fig. 4 wird im Gegensatz zu Fig. 2 der Wechselstromanteil 7 des Stromes nicht von einem der externen Energieversorgung 25 vorgeschalteten, gesteuerten Wechsel- Stromquelle 15 auf der Stromschleife bzw. der Zweidraht- Verbindungsleitung 4 erzeugt, sondern eine Schalteinheit 16 wird so angesteuert, dass der nötige Strom bzw. die notwendige Energie durch Lastmodulation in der entsprechenden Frequenz von dem Feldgeräts 1 der externen Energieversorgung 25 in der Leitstelle 24, in dem Buskoppler 3 oder einem weiteren Feldgerät 28 entnommen wird.In FIG. 4, in contrast to FIG. 2, the alternating current component 7 of the current is not controlled by an external energy supply 25 connected upstream, controlled alternating Current source 15 is generated on the current loop or the two-wire connection line 4, but a switching unit 16 is driven so that the necessary power or the necessary energy by load modulation in the appropriate frequency of the field device 1 of the external power supply 25 in the control center 24, is taken in the bus coupler 3 or another field device 28.
[0050] Diese Ausgestaltung der externen Energieversorgung 25 mit einer Gleichspannungsquelle 26 aus Fig. 4 können auch in einer Leitstelle 24 oder in einer allein stehende Einheit umgesetzt werden. Da dieser Aufbau äquivalent zur Beschreibung des Buskopplers 3 in Fig.2 ist, wird dieser nicht mehr explizit diskutiert.This embodiment of the external power supply 25 with a DC voltage source 26 of FIG. 4 can also be implemented in a control center 24 or in a stand-alone unit. Since this structure is equivalent to the description of the bus coupler 3 in Figure 2, this is no longer explicitly discussed.
[0051] Der chemische oder physikalische Prozessparameter P wird von dem Sensor 18 erfasst oder von dem Aktor 19 eingestellt, in dem der Sensor 18 ein elektrisches Sensorsignal Sens an die Kontroll- und Steuereinheit 17 sendet, welches dort weiterverarbeitet wird oder der Aktor 19 von der Kontroll- und Steuereinheit 17 ein elektrisches Stellsignal Stell empfängt. Die Kontroll- und Steuereinheit 17 ist für die Verarbeitung des elektrischen Stellsignals Stell bzw. Sensorsignals Sens zuständig und steuert anhand der verarbeiteten Daten den Schalteinheit 16, die einen entsprechenden Gleichstromanteil 8 bzw. Messstrom IM in der Stromschleife der Zweidraht- Verbindungsleitung 4 und dem Gleichstromzweig im Feldgerät 1 erzeugt. Dieser Strom fließt durch den DC/DC- Wandler, der die Kontroll- und Steuereinheit 17 mit dem Mikrocontroller μC und weiteren Bauteilen in der Feldgeräte-Elektronik 5 des Feldgerätes 1 mit der benötigten Energie versorgt. Die Differenz zwischen der benötigten Energie im Feldgerät 1 und der von dem Gleichstromanteil 8 bzw. Messstrom IM erzeugten Energie wird erfindungsgemäß durch ein WechselstromanteilThe chemical or physical process parameter P is detected by the sensor 18 or adjusted by the actuator 19, in which the sensor 18 sends an electrical sensor signal Sens to the control and control unit 17, which is further processed there or the actuator 19 of the Control and control unit 17 an electrical control signal Stell receives. The control and control unit 17 is responsible for the processing of the electrical actuating signal Stell or sensor signal Sens and controls based on the processed data the switching unit 16, the corresponding DC component 8 and measuring current I M in the current loop of the two-wire connecting line 4 and the DC branch generated in the field device 1. This current flows through the DC / DC converter, which supplies the control and control unit 17 with the microcontroller .mu.C and other components in the field device electronics 5 of the field device 1 with the required energy. The difference between the required energy in the field device 1 and the energy generated by the DC component 8 or measuring current I M is inventively by an AC component
7 eines Stromes ausgeglichen. Dieser Wechselstromanteil 7 wird durch das Schaltelement 16 erzeugt, das beispielsweise ein Pulsweitenmoduliertes (PWM) oder Frequenzmoduliertes (FWM) Stufensignal erzeugt. Durch eine Begrenzung des Summenstromes IM+iE in der Schalteinheit 16, besitzt die maximale positive Amplitude A des Summenstromes IM+iE eine obere Grenze, die unterhalb des Zündpunktes einer explosiven Atmosphäre liegt, wodurch das Feldgerät 1 mit der Zweidraht- Verbindungsleitung 4 eigensicher ausgelegt ist. Der DC/DC- Wandler 10 und dem AC/ DC- Wandler 9 einerseits wandelt den Wechselstromanteil 7 und den Gleichstromanteil7 of a stream balanced. This alternating current component 7 is generated by the switching element 16, which generates, for example, a pulse width modulated (PWM) or frequency modulated (FWM) step signal. By limiting the sum current I M + i E in the switching unit 16, the maximum positive amplitude A of the sum current I M + i E has an upper limit, which is below the ignition point of an explosive atmosphere, whereby the field device 1 with the two-wire connection line 4 is designed intrinsically safe. The DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 on the one hand converts the AC component 7 and the DC component
8 des Mischstromes 6 um und versorgt damit die Kontroll- und Steuereinheit 17 über die Versorgungsleitung 22 mit der notwendigen Energie andererseits wird der Wechselstromanteil 7 und der Gleichstromanteil 8 des Mischstromes 6 gemessen und über die Steuer- und Datenleitung 21 an die Kontroll- und Steuereinheit 17 übermittelt. Mit diesen Messdaten und dem gegenwärtigen und zukünftigen Energiebedarf des Feldgerätes 1 berechnet die Kontroll- und Steuereinheit 17 das Verhältnis des Wechselstromanteils 7 zu dem Gleichstromanteil 8 des Mischstroms 6 und steuert dement- sprechend die Schalteinheit 16 an.8 of the mixed stream 6 and thus supplies the control and control unit 17 via the supply line 22 with the necessary energy on the other hand, the AC component 7 and the DC component 8 of the mixed stream 6 is measured and via the control and data line 21 to the control and control unit 17th transmitted. With these measured data and the current and future energy requirement of the field device 1, the control and control unit 17 calculates the ratio of the alternating current component 7 to the direct current component 8 of the mixed current 6 and accordingly controls speaking the switching unit 16 at.
[0052] Die Kontroll- und Steuereinheit 17, die auch das Energiemanagement desThe control and control unit 17, which also includes the energy management of
Feldgerätes 1 steuert, kann über die Steuer- und Datenleitung 21 den DC/DC-Wandler 10 und den AC/DC- Wandler 9 regeln, dass nur soviel Energie umgewandelt wird, wie gegenwärtig oder zukünftig auch im Feldgerät 1 benötigt wird. Durch die Erzeugung eines zur Basis des Gleichstromanteils 8 negativen Effektivwert 11 des Wechselstromanteils 7 kann sogar die überschüssige Energie bzw. Strom, die das Feldgerät 1 zur Versorgung nicht benötigt, abgeleitet werden.Field device 1 controls, can regulate the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 via the control and data line 21, that only as much energy is converted, as currently or in the future also required in the field device 1. By generating an effective negative value 11 of the alternating current component 7 which is negative for the base of the direct current component 8, it is even possible to derive the excess energy or current which the field device 1 does not need for the supply.
[0053] In Fig. 5 ist eine Stromkurve aufgezeigt, die durch einen Schaltungsaufbau wie aus Fig. 4 erzeugt wurde. Der Messstrom IM, dem eine Proportionalität zu dem gemessenen oder eingestellten chemischen und physikalischen Prozessparameter P des Feldgerätes 1 entspricht, ist durch eine Trapezfunktion in einer dickeren Linienführung dargestellt. Diesem Messstrom IM ist eine rechteckförmige und/oder gepulste Signalform 14 aufmoduliert, indem die Schalteinheit 16 in der Art und Weise von der Kontroll- und Steuereinheit 17 getaktet gesteuert wird, dass kurzzeitig Impulsströme als Wechselstromanteile 7 des Mischstroms 6 mit einer maximalen positiven Amplitude A auf den Gleichstromanteil 8 des Mischstrom 6 aufmoduliert werden. Die Zeitdauer bzw. die Anzahl der Impulse einer Impulsfolgen variiert, je nachdem wie viel Strom zusätzlich zu dem Messstrom IM bzw. Gleichstromanteil 8 im Feldgerät 1 benötigt wird. Das heißt, das je nachdem wie groß die Differenz des Strombedarfs zu dem Stromangebot ist, werden für ein entsprechendes Zeitfenster Stromimpulse einer bestimmten Frequenz f auf den Messstrom IM aufaddiert, so dass der Effektivwert des Summenstroms (IM+iE)Effinit dem gegenwärtig benötigten Stromwert des Strombedarf zur Energieversorgung des Feldgerätes 1 übereinstimmt. In der Fig. 5 wurde der maximale Strombedarf des Feldgerätes angenommen, so dass der Effektivwert des Summenstroms (IM+iE)Effden Grenzwert 12 von 20 mA annimmt und das Feldgerät 1 somit stetig und konstant mit maximalem Strom versorgt wird. Die rechteckförmigen und/ oder gepulsten Signalformen von Wechselstromanteilen 7 haben den Nachteil, dass diese Signalformen eine Vielzahl von Oberwellen besitzen und somit eine großen Frequenzbereich abdecken, wodurch in die Schaltung der Fig. 4 Filter - welche nicht in Fig. 4 explizit gezeigt sind - eingefügt werden müssen damit der Messstrom IM bzw. die Gleichstromanteile 8 des Mischstroms 6 nicht oder nur geringfügig durch diese Impulsfolgen verändert wird. Es kann auch durch negative Impulsfolgen, dessen Amplituden einen geringeren Stromwert aufweisen als der gegenwärtige Messstrom IM, dem Feldgerät 1 nur soviel Energie zugeführt werden wie viel das Feldgerät 1 gegenwärtig benötigt. Dadurch wird vermieden, dass das Feldgerät 1 nur soviel Energie vom Feldbus zieht wie es gegenwärtig benötigt und der Gleichstromanteil 8 des Mischstroms 6 bzw. das Messstrom IM nahezu davon unbeeinflusst in Abhängigkeit der Änderung des Prozessparameters P eingestellt werden kann.In Fig. 5, a current waveform is shown, which was generated by a circuit construction as shown in Fig. 4. The measurement current I M , which corresponds to a proportionality to the measured or set chemical and physical process parameter P of the field device 1, is represented by a trapezoidal function in a thicker lines. This measurement current I M is a rectangular and / or pulsed waveform 14 aufmoduliert by the switching unit 16 is controlled in the manner of the control and control unit 17 clocked that briefly momentary currents as AC components 7 of the mixed stream 6 with a maximum positive amplitude A. be modulated on the DC component 8 of the mixed stream 6. The duration or the number of pulses of a pulse sequence varies, depending on how much current is required in addition to the measuring current I M or DC component 8 in the field device 1. That is, depending on how large the difference of the power demand is to the power supply, current pulses of a certain frequency f are added to the measuring current IM for a corresponding time window, so that the effective value of the sum current (I M + iE) Effinit the currently required current value the power requirement for power supply of the field device 1 matches. In FIG. 5, the maximum power requirement of the field device has been assumed, so that the effective value of the sum current (I M + i E ) Eff assumes the limit value 12 of 20 mA and the field device 1 is thus supplied with maximum and constant maximum current. The rectangular and / or pulsed waveforms of alternating current components 7 have the disadvantage that these signal forms have a large number of harmonics and thus cover a large frequency range, whereby filters - which are not explicitly shown in FIG. 4 - are inserted into the circuit of FIG. 4 must be so that the measuring current I M and the DC components 8 of the mixed stream 6 is not or only slightly changed by these pulse trains. It can also be supplied to the field device 1 only as much energy as far as the field device 1 currently requires by negative pulse trains whose amplitudes have a lower current value than the current measuring current I M. This avoids that the field device 1 draws only as much energy from the field bus as it currently requires and the DC component 8 of the mixed stream 6 or the measuring current I M almost unaffected in dependence the change of the process parameter P can be set.
[0054] Das Diagramm in Fig. 6 unterscheidet sich von dem Diagramm in Fig. 5 unter dem Aspekt, dass nicht in einem Zeitfenster einzelne Impulsfolgenpakete mit der selben Frequenz f auf moduliert wird, sondern in diesem Diagramm sind Rechteckfunktionen aufgezeigt, dessen Zeitdauer von dem Messstrom IM abhängen. Bei dieser Art der Modulation spricht man von einem Puls weitenmodulierten Rechtecksignal (PWM). Diese Art der Modulation lässt sich erfindungsgemäß in der Art und Weise umsetzten, indem bei geringen Differenzen des Messstroms IM bzw. des Gleichstromanteils 8 des Mischstroms 6 von dem gewünschten Effektivwert des Summenstroms (IM+IEW > ein entsprechend kleiner Wert zwischen dem Puls-Pausen- Verhältnis eingestellt wird. Ist hingegen der Messstrom IMin der Stromschleife momentan sehr gering wird ein großer Wert im Puls-Pausen- Verhältnis, z.B. durch eine kurze Pausendauer und längeren Pulsdauern, erreicht.The diagram in FIG. 6 differs from the diagram in FIG. 5 in the sense that individual pulse train packets with the same frequency f are not modulated in a time window, but in this diagram rectangular functions are shown, the time duration of which Suspend the measuring current I M. This type of modulation is called a pulse width modulated square wave signal (PWM). This type of modulation may be according to the invention in the manner transpose by at small differences of the measuring current I M and the DC component 8 of the mixed stream 6 from the desired effective value of the sum current (I M + I E W the> a correspondingly smaller value between If, on the other hand, the measuring current I M in the current loop is currently very low, a large value in the pulse-pause ratio, eg due to a short pause duration and longer pulse durations, is achieved.
[0055] Es können auch andere Formen der Modulation von Stromsignalen und Spannungssignalen eingesetzt werden - wie z.B. Frequenzmodulierte (FMW) Wechselsignale 7 - die als Ausführungsbeispiel aufgrund der Ähnlichkeit zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen nicht mehr explizit aufgezeigt sind.Other forms of modulation of current signals and voltage signals may also be used - e.g. Frequency-modulated (FMW) alternating signals 7 - which are no longer explicitly shown as an embodiment due to the similarity to the previous embodiments.
[0056] Bezugszeichenliste[0056] List of Reference Numerals
1. Feldgerät1st field device
2. externes Feldbussystem2. external fieldbus system
3. Busschnittstelle, Buskoppler3. Bus interface, Bus Coupler
4. Zweidraht- Verbindungsleitung4. Two-wire connection cable
5. Feldgeräte-Elektronik5. Field device electronics
6. Mischstrom6. Mixed stream
7. Wechselstromanteil7. AC component
[0057] 7a. weiterer Wechselstromanteil, HART-Signal7a. additional alternating current component, HART signal
1. Gleichstromanteil1. DC component
2. AC/DC-Wandler2. AC / DC converter
3. DC/DC-Wandler3. DC / DC converter
4. Effektivwert4. RMS value
5. Grenzwert5th limit
6. sinusförmige Signalform6. sinusoidal waveform
7. rechteckförmige und/oder gepulste Signalform7. rectangular and / or pulsed waveform
8. gesteuerte Wechselstromquelle8. controlled AC power source
9. Schalteinheit9. Switching unit
10. Kontroll- und Steuereinheit10. Control and control unit
11. Messwandler, Sensor11. Instrument transformer, sensor
12. Signalwandler, Aktor 13. Stromsteller12. Signal converter, actuator 13. Current regulator
14. Steuer- und Datenleitung14. Control and data line
15. Versorgungsleitung15. Supply line
16. Stromregeleinheit16. Flow control unit
17. Leitstelle17. Control center
18. externe Energieversorgung18. external energy supply
19. Gleichspannungsquelle19. DC voltage source
20. Messumformer20. Transmitter
21. weiteres Feldgerät21. another field device
22. interne Versorgungsschaltung22. internal supply circuit
[0058] SW Stellwert[0058] SW control value
[0059] MW Messwert[0059] MW measured value
[0060] D DatenD data
[0061] P (chemischer oder physikalischer) ProzessparameterP (chemical or physical) process parameter
[0062] Sens elektrisches SensorsignalSens electrical sensor signal
[0063] Stell elektrisches StellsignalSet electrical control signal
[0064] μC MikroController[0064] μC microcontroller
[0065] Ex Explosionsschutz-Bereich, eigensicherer BereichExplosion proof area, intrinsically safe area
[0066] Ex kein Explosionsschutz-Bereich, nicht eigensicherer BereichEx no explosion protection area, not intrinsically safe area
[0067] R WiderstandR resistance
[0068] C KondensatorC capacitor
[0069] TP TiefpassTP low pass
[0070] I Versorgungsstrom[0070] I supply current
[0071] IM Messstrom, Stromschleifenstrom[0071] I M measuring current, current loop current
[0072] iE Einspeisungsstrom[0072] i E feed stream
[0073] IM+IE Summenstrom[0073] I M + I E total current
[0074] (IM+iE)Eff Effektiv wert des Summenstromes(I M + i E ) Eff Effective value of the total current
[0075] UM Messspannung[0075] U M measuring voltage
[0076] U Versorgungsspannung[0076] U supply voltage
[0077] K KnotenpunktK node
[0078] A maximale positive AmplitudeA maximum positive amplitude
[0079] -A maximale negative Amplitude[0079] -A maximum negative amplitude
[0080] f Frequenz [0080] f frequency

Claims

Ansprüche claims
[0001] 1. Von einer externen elektrischen Energieversorgung (25) gespeiste Feldgeräte-1. Field devices powered by an external electrical power supply (25)
Elektronik (5) für ein Feldgerät (1), wobei die externe elektrische Energieversorgung (25) eine Versorgungsspannung (U) bereitstellt und einen davon getriebenen veränderlichen Versorgungsstrom (I) liefert, welche Feldgeräte- Elektronik (5) umfasst: - zumindest eine interne Kontroll- und Steuereinheit (17) zum Steuern des Feldgeräts (1), sowie -zumindest eine die interne Kontroll- und Steuereinheit (17) speisende, interne Versorgungsschaltung (29),-wobei es sich bei dem Versorgungsstrom (I) um einen Mischstrom (6) handelt, der durch eine Überlagerung und/oder eine Modulation eines, insbesondere höher frequenten, Wechselstromanteiles (7) auf einen, insbesondere veränderlichen, Gleichstromanteil (8) gebildet ist, und - wobei die interne Versorgungsschaltung (29) zumindest zeitweise und/oder zumindest anteilig auch den Wechselstromanteil (7) des Mischstrom (6) zur Deckung eines momentane Energiebedarfs der Kontroll- und Steuereinheit (17) nutzt.Electronics (5) for a field device (1), wherein the external electrical power supply (25) provides a supply voltage (U) and supplies a variable supply current (I) driven thereby, which field device electronics (5) comprises: - at least one internal control - and control unit (17) for controlling the field device (1), and - at least one internal control and control unit (17) feeding, internal supply circuit (29), - wherein it is the supply current (I) to a mixed stream (6 ), which is formed by a superposition and / or a modulation of a, in particular higher-frequency, AC component (7) on a, in particular variable, DC component (8), and - wherein the internal supply circuit (29) at least temporarily and / or at least proportionately also uses the AC component (7) of the mixed stream (6) to cover a current energy demand of the control and control unit (17).
[0002] 2. Feldgerät-Elektronik nach Anspruch 1, bei dem der Gleichstromanteil (8) des2. field device electronics according to claim 1, wherein the DC component (8) of the
Mischstroms (6) als ein Informationsträger oder Kommunikationsmittel für via einer Zweidraht- Verbindungsleitung (4) übertragene Daten (D) dient.Mixed stream (6) as an information carrier or communication means for via a two-wire connection line (4) transmitted data (D) is used.
[0003] 3. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der3. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the
Gleichstromanteil (8) des Mischstromes (6) Werte innerhalb eines Strombereichs von 4 mA bis 20 mA annimmt.DC component (8) of the mixed current (6) assumes values within a current range of 4 mA to 20 mA.
[0004] 4. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche,bei dem der4. field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the
Wechselstromanteil (7) des Mischstroms (6) eine Frequenz von größer 10Hz, insbesondere größer als 50 Hz annimmt.AC component (7) of the mixed stream (6) assumes a frequency of greater than 10 Hz, in particular greater than 50 Hz.
[0005] 5. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der5. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the
Wechselstromanteil (7) des Mischstroms (6) zumindest einen Effektivwert (11) annimmt, der kleiner oder gleich einem höchsten zulässigen Grenzwert (12) ist.AC component (7) of the mixed flow (6) assumes at least one effective value (11) which is less than or equal to a maximum permissible limit value (12).
[0006] 6. Feldgerät-Elektronik nach Anspruch 5, bei dem der höchst zulässigen6. field device electronics according to claim 5, wherein the most permissible
Grenzwert (12) des Effektivwerts(ll) des Mischstroms (6) 20 mA beträgt.Limit value (12) of the effective value (II) of the mixed current (6) is 20 mA.
[0007] 7. Feldgerät-Elektronik nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Effektivwert des aufmodulierten Wechselstromanteils (7) des Mischstroms (6) einen gegebenenfalls vorhandenen Differenzwert des Gleichstromanteils (8) des Mischstroms (6) zum höchsten zulässigen Grenzwert (12) des Mischstroms (6) annimmt.7. field device electronics according to claim 4 or 5, wherein the rms value of the modulated AC component (7) of the mixed stream (6) an optionally existing difference value of the DC component (8) of the mixed stream (6) to the maximum permissible limit (12) of the mixed stream (6).
[0008] 8. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein zum8. Field device electronics according to one of the preceding claims, in which a for
Gleichstromanteil (8) negativer aufmodulierten Wechselstromanteils (7) des Mischstroms (6) vorhandene überschüssige Energie des Feldgeräts (1) abführt. [0009] 9. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem derDC component (8) of negative modulated AC component (7) of the mixed stream (6) dissipates existing excess energy of the field device (1). 9. field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the
Wechselstromanteil (7) des Mischstroms (6) eine sinusförmige Signalform (13) aufweist.AC component (7) of the mixed stream (6) has a sinusoidal waveform (13).
[0010] 10. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der10. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the
Wechselstromanteil (7) des Mischstroms (6) eine rechteckförmige und/oder gepulste Signalform (14) aufweist.AC component (7) of the mixed stream (6) has a rectangular and / or pulsed waveform (14).
[0011] 11. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine gesteuerte Wechselstromquelle (15) in der externe Energieversorgung (25) den Wechselstromanteil (7) des Mischstroms (6) erzeugt.11. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein a controlled AC power source (15) in the external power supply (25) generates the AC component (7) of the mixed stream (6).
[0012] 12. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine12. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein a
Schalteinheit (16) in der Feldgeräte-Elektronik (5) des Feldgeräts (1) den Wechselstromanteil (7) des Mischstroms (6) mittels Lastmodulation erzeugt.Switching unit (16) in the field device electronics (5) of the field device (1) generates the AC component (7) of the mixed stream (6) by means of load modulation.
[0013] 13. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die13. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the
Kontroll- und Steuereinheit (17) zur Regelung einer Schalteinheit (16) anhand des aktuellen und zukünftigen Energiebedarfs des Feldgerätes (1) dient und/oder ferner anhand des aktuellen und zukünftigen elektrischen Sensorsignals (Sens) oder Stellsignals (Stell) des Feldgerätes (1) zur Steuerung und Regelung eines Stromstellers (20), der die Einstellung des Gleichstromanteils (8) des Mischstroms (6) als Informationsträger übernimmt, dient.Control and control unit (17) for controlling a switching unit (16) based on the current and future energy requirements of the field device (1) is used and / or further based on the current and future electrical sensor signal (Sens) or control signal (Stell) of the field device (1) for controlling and regulating a current controller (20) which takes over the adjustment of the direct current component (8) of the mixed current (6) as information carrier.
[0014] 14. Feldgerät-Elektronik nach Anspruch 13, bei dem die Kontroll- und14. Field device electronics according to claim 13, wherein the control and
Steuereinheit (17) den zukünftigen Energiebedarf des Feldgeräts (1) unter Berücksichtigung und Abschätzung der zukünftig ablaufenden Prozesse und Anwendungen ermittelt und berechnet.Control unit (17) determines and calculates the future energy requirements of the field device (1) taking into account and estimating the future running processes and applications.
[0015] 15. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem wenigstens einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter (P) sensorisch erfassenden Sensor (18) vorgesehen ist, der ein elektrisches Sensorsignal (Sens) liefert.15. Field device electronics according to one of the preceding claims, in which at least one chemical and / or physical process parameter (P) sensor-sensing sensor (18) is provided which provides an electrical sensor signal (Sens).
[0016] 16. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem wenigstens einem von einem elektrischen Stellsignal (Stell) angesteuerten Aktor (19) vorgesehen ist, der den wenigstens einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter (P) aktorisch einstellt.16. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein at least one of an electrical control signal (actuator) controlled actuator (19) is provided which adjusts the at least one chemical and / or physical process parameters (P) actuarially.
[0017] 17. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als interne Versorgungsschaltung (29) zumindest ein AC/DC- Wandler (9) und/oder zumindest ein DC/DC- Wandler (10) vorgesehen ist.17. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein at least one AC / DC converter (9) and / or at least one DC / DC converter (10) is provided as the internal supply circuit (29).
[0018] 18. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die gesendeten Daten (D) mittels der Feldgeräte-Elektronik (5) vom Sensorsignal (Sens) abgeleitete und/oder mittels der externen Energieversorgung (25) angepasste Messwerte (MW) sind. [0019] 19. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die empfangenen Daten (D) mittels der externen Energieversorgung (25) anzupassende und/oder mittels der Feldgeräte-Elektronik (5) in das Stellsignal (Stell) umzusetzende Stellenwerte (SW) sind.18. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the transmitted data (D) by means of the field device electronics (5) derived from the sensor signal (Sens) and / or by means of the external power supply (25) adapted measured values (MW ) are. 19. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the received data (D) by means of the external power supply (25) to be adapted and / or by means of the field device electronics (5) in the control signal (Stell) to be converted positions ( SW) are.
[0020] 20. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein weiterer Wechselstromanteil (7a) des Mischstroms (6) unterscheidbar von dem Wechselstromanteil (7) und/oder im Frequenzband getrennt als ein Informationsträger aufmoduliert ist.20. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein a further AC component (7a) of the mixed stream (6) distinguishable from the AC component (7) and / or modulated separately in the frequency band is modulated as an information carrier.
[0021] 21. Feldgerät-Elektronik nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der21. Field device electronics according to one of the preceding claims, wherein the
Energiebedarf des Feldgeräts (1) teilweise durch den Gleichstromanteil (8) des Mischstroms (6) gedeckt ist. Energy requirement of the field device (1) is partially covered by the DC component (8) of the mixed stream (6).
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