CN101231783A - 现场总线接口 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及现场总线接口，具体公开了一种用于将设备连接到现场总线的现场总线接口，包括用于通过所述现场总线提供通信的通信电路，第一电源电路，被配置为以预先确定的驱动电压给所述通信电路提供预先确定的通信功率，以及第二电源电路，被配置为只有在来自所述现场总线的可用功率超过所述通信功率时才以所述总线电压给处理电路提供处理功率。具体来说，以给定总线电流向所述处理电路提供的所述功率将由实际可用的所述功率确定，而不是由现场总线规范的所述电压范围的所述下限确定的功率电平。所述第一电路和所述通信电路将确保在所述总线电压下降到靠近所述总线电压范围的所述下限时的情况下符合现场总线要求。
Description
技术领域
本发明涉及现场总线接口。
背景技术
工业现场总线，例如，根据IEC 61158-2(如FoundationFieldbus，Profibus PA)，越来越多地应用于仪表系统中。因为多个设备(节点)可以连接到同一个总线，因此它们降低了安装和布线成本。这种总线提供了功率供应和与设备的通信。
当总线上的设备安装在危险的地区时，必须采取措施，以防止爆炸。一个解决方案是确保固有的安全性，即，限制电流、电压和功率，以便消除火花点火的风险。
现场总线物理层要求的后果是，设备应该独立于指定范围内的总线电压抽取预先确定的电流，总线电压具有根据现场总线标准的下限，例如9V。上限用于允许对IS障碍物和长电缆中的电压下降进行补偿。
固有的安全性要求(例如，IEC 60079-11)严格地限制了在不会超过功率限制的情况下可以连接到总线的设备的数量。在这一方面进行的改善的是FISCO规范(IEC TS 60079-27)，这能够实现从功率供应单元4-5倍高的功率输出。
为了在电压范围的下限运转，任何设备需要适应由此较低的电压和所需的总线电流进行定义的功率消耗。总线接口被配置为处理总线电压的任何变化，即，当总线电压超过下限时的任何附加功率。通常，这样的接口包括确保所需的电流并作为热量耗散任何剩余功率的电流吸收器。
FISCO规范的后果是，有限的区域(现场总线电缆相对来说比较短)内的固有安全设备不会经历规定的最低电压。然而，如上所述，在较高的电压下可用的任何附加功率将不会在传统设备中有效地得到利用，只会在电流吸收器中被浪费。这样的情况的一个示例是，向被配置为测量罐中的产品的工艺变量的各种仪器供电的受限的总线段。
发明内容
因此，本发明的目的是在固有安全的总线供电的现场设备中提高效率，同时仍符合标准规范。
此目的及其他目的是通过现场设备来实现的，所述现场设备包括：用于通过现场总线提供通信的通信电路；第一电源电路，连接到所述现场总线，并被配置为以预先确定的驱动电压给所述通信电路提供预先确定的通信功率，所述驱动电压低于所述总线电压范围的下限；以及第二电源电路，连接到所述现场总线，并被配置为只有在来自所述现场总线的可用功率超过所述通信功率时才以所述总线电压给处理电路提供处理功率。
根据本发明，第二电路将给处理电路提供除了通信电路所需的通信功率之外可用的任何剩余功率。在总线电压处于、或非常接近于总线电压范围的下限的情况下，基本上所有可用的功率都将被第一电源电路和通信电路使用，导致没有或很少有剩余功率。然而，当总线电压增大时，超过所需的通信功率的任何功率都可以提供给处理电路。
应该注意的是，连接到接口的处理电路或设备可以包括能量存储器，在这种情况下，可以不立即使用功率，而是存储起来，供以后使用。
在来自总线的电压通常大于现场总线规范电压范围的下限的情况下，这意味着，处理电路将能够更加有效地使用可用功率。具体来说，以给定总线电流向处理电路提供的功率将由实际可用的功率确定，而不是由现场总线规范的电压范围的下限确定的功率电平。第一电路和通信电路将确保在总线电压下降到靠近总线电压范围的下限的情况下符合现场总线要求。
在典型情况下，现场总线规范所需的电压范围的下限是9V，其对应于给定总线电流的最小功率。然而，通常，给现场设备提供对应于更大的可用功率的大约12V。通过给处理电路提供所有可用功率，本发明因此可以以给定总线电流将传送给处理电路的功率提高大约三分之一。这样的附加功率可以用于，例如，扩大测量范围和/或提高分辨率，从而提高仪器的精度。本发明可以与各种蓄能器相结合，以更进一步地提高性能。
作为选择，本发明可以将所需的总线电流降低四分之一，潜在地将总线段上的现场设备的数量提高相同的比例。
优选情况下，设备包括用于检测剩余功率的检测器，剩余功率对应于可用功率电平减去通信功率。此剩余功率是可以传送给处理电路的最大功率。可以包括电压传感器的检测器，可以连接到控制器，该控制器被配置为根据检测到的剩余功率，适应处理电路的功能。通过检测剩余的功率，如此该设备可以使其功率消耗依赖于可用功率。这样便可以进一步改善功率效率。
诸如雷达水准仪之类的处理仪器，可以被设计为只在最小输入电压电平提供基本功能。当感测到较高的输入电压时，仪器可以使用额外可用的功率来提高测量精度或扩展测量范围或改善选择的任何其他性能参数。
根据一个实施例，处理电路适合于连接到诸如4-20mA工业回路之类的电流回路，并向其提供功率。在这样的情况下，现场总线接口可以充当现场总线和诸如HART总线之类的另一个通信总线之间的通路。
根据本发明的实施例的总线接口可以有益地用于计量器中，例如，用于雷达水准仪(RLG)中。在此情况下，处理电路可以包括用于发射和接收电磁信号的收发器，以及测量电路，用于基于所述发射的信号和接收到的信号之间的关系，确定工艺变量。收发器可以连接到传播设备，该传播设备被配置为使得发射的信号能够朝着罐中的产品的表面的方向传播，并向收发器返回反射的信号。
如果可以有附加的功率可用，则通常可以提高雷达水准仪的性能。同时，RLG常常被放置于危险的地区，因此需要固有安全的功率供应。有限的功率供应和性能的提高之间的冲突，可以通过根据本发明的实施例的现场总线接口来减轻。
附图说明
现在将参考附图，更加详细地描述本发明的此方面及其他方面，附图中显示了本发明的当前优选的实施例。
图1是根据现有技术的现场总线接口的示意性电路图。
图2是根据本发明的实施例的现场总线接口的示意性电路图。
图3是通过双线接口连接到雷达水准仪的图2中的接口的示意性方框图。
图4是连接到具有多个节点的双线总线的图2中的接口的示意性方框图。
具体实施方式
图1显示了固有安全的现场总线1和诸如处理仪器之类的总线供电的装置9之间的现场总线接口。如图1所示，接口以电压Vbus(该电压被允许在某一范围内变化，例如，9-32V)从总线那里抽取预置的平均电流Ibus。接口包括与可控制的电流源3串联的二极管2。具有运算放大器4被配置为检测电阻器5上的电压差的形式的电流反馈路径，被配置为向加法器6提供电流反馈信号，在加法器6，从电流给定值(ref)减去该电流反馈信号。所产生的差值被作为控制信号(ctrl)提供到电流源3。可选地，还向加法器6提供定时信号Tx，表示对总线电流调制的交替信号电流的定时。
在电流源3的输出和电阻器5之间与电容器8并联地连接着旁路调节器，这里是齐纳二极管7，用于确保在电容器上等于齐纳击穿电压的恒定电压(Vshunt)。此电压是对现场设备可用的驱动电压，而不管总线上的可用电压如何，并且与恒定总线电流相结合，它定义了对设备9可用的功率。设备9通常包括连接到恒定电压Vshunt的DC/DC开关式调节器，该调节器被配置为提供设备9所需的任何电压电平。
在典型的情况下，即在现场总线满足Foundation Fieldbus规范的情况下，设备9必须适应9 V的电源电压。这会导致在电容器8的大约7V(齐纳二极管7的阈值电压)的电压Vshunt。设备9适应在此电压电平抽取恒定功率，产生恒定电流Isupply。电流源3将充当由由电流反馈4，5控制的电流吸收器，以确保总线电流Ibus保持在所需的电流的附近。对于超过9 V的电源电压，剩余的功率将被电流源所吸收，并作为热量消耗掉。
图2显示了根据本发明的实施例的现场总线接口10。与图1中的对应的元件具有类似的功能的元件被给予了相同的附图标记，并不再进行详细描述。
处理电路15所属的处理仪器，可以是被配置为测量诸如罐中包含的碳氢化合物之类的爆炸性产品的工艺变量的计量仪器。这样的仪器包括压力传感器、温度传感器、水准仪等等。接口通常是双线接口，即，只使用两根电线实现功率供应和信号通信。在现场总线系统中，信号通信通常通过在恒定总线电流上对交流电流进行调制来实现。此交流电流可以允许根据例如Foundation Fieldbus或Profibus PA协议的数字通信。
从图2可以清楚地看出，在电流源3的输入端和齐纳二极管7的阳极之间串联地连接了模拟电感11和电容器12。模拟电感11用于防止电流以通信信号频率的量级的时间常数进行的变化。换句话说，电感11作为只慢慢地改变其电流的电流源。
包括数据链路控制器14和媒体访问单元的通信电路13，连接到齐纳二极管7上的电压。通信电路13适应消耗恒定功率。由于齐纳二极管7将确保为通信电路13提供恒定电压Vshunt，因此，所需的电流Icom也将是恒定的。通信电路13适合于提供现场总线规范所需的所有功能，从而只要所述总线电压足够大，足以维持跨齐纳二极管7上的阈值电压，就可确保现场设备满足要求。
处理电路15跨电容器12连接到电源电压Vsupply。由于电压降(例如，跨电感11的电压降)，电源电压稍微小于可用的总线电压Vbus。处理电路15包括检测器16，其用于检测超过通信电路13以及控制器17所抽取的恒定功率的任何可用功率。检测器16可以例如通过被配置为测量跨电容器12的电压的电压传感器来实现。控制器1 7被配置为根据可用的剩余功率来适应处理电路15的功能。
在图2中，通信电路13和处理电路15被显示为单独的方框。然而，应该认识到，这些方框也可以是单个互连的电路的不同部件，其中，一个部件(通信电路)由第一电源电路(包括电流源3、其反馈路径4和5，齐纳二极管7和电容器8)供电，而其他部件(处理电路)由第二电源电路(包括电感11和电容器12)供电。
下面将描述总线接口10的功能。
第一电源电路将需要给定电压(Vmin)以提供通信电路所需的功率。为了满足现场总线规范，此电压必须不大于所需的电源电压范围的下限。在一般情况下(例如，Foundation Fieldbus规范)，此下限是9V。
在较高的总线电压下，剩余功率等于电源电压Vbus和Vmin之间的差值乘以总线电流Ibus，将对处理电路15可用，并由检测器16检测到。基于检测到的功率，控制器17将针对可用功率调节处理电路的功能。在最简单的情况下，当可用功率不足以进行任何功能时，使处理电路不运行。通信电路13没有消耗完的任何剩余的功率，都将由电流源3消耗(例如，作为热量耗散)。现在，电流源3将如在图1中那样，充当电流吸收器，以维持所需的总线电流Ibus，任何超过Icom的电流都将流过齐纳二极管7。
随着总线电压增大，会将有更多的功率对处理电路可用。在给定阈值，控制器17将启动处理电路15的最低功能。这样的低功率功能可以包括对工艺变量的低分辨率测量。根据所需的功率和可用电压，处理电路的启动将导致功率消耗，并且由此将导致驱动电流Isupply消耗。检测器16将继续检测电源电压，以便随着更多功率变为可用，控制器17可以启动另外的功能。这样的功能可以包括例如对工艺变量的较高分辨率的测量。
在任何给定时刻对处理电路可用的最大电流Isupply，max是Ibus-Icom，当所有功率分别传送给处理电路和通信电路时，就是这种情况。在实践中，当然在接口本身中会有小的功率泄漏，但是，这与本发明的原理不相关，为简单起见，将不对此进行讨论。Isupply的此最大值，与提供由控制器17选定的功能处理电路15所需的最低的功率相结合，将定义启动此功能的最低的可以接受的电源电压Vsupply，min。
当由总线所提供的电压大于此电压阈值Vsupply，min时，如果处理电路15提供选定功能所需的功率是恒定的，电流Isupply将降低。在此情况下，剩余的功率，即，电源电压Vsupply和电压阈值Vsupply，min之间的差值乘以总线电流Ibus， 将被电流源消耗(例如，作为热量耗散)。
作为选择，或相结合地，处理电路可以被配置为在提供选定功能时抽取可变功率。换句话说，处理电路可以用于给选定功能提供可用的任何功率(超过最低级别)。当可用功率增大时，这可以被处理电路使用，例如，用于功率存储。当由总线所提供的电压小于电压阈值Vsupply，min时，选定功能所需的功率不再能被提供到处理电路。因此此时控制器17将控制处理电路15以降低其功能，以便需要较少的功率。当甚至不能提供最小功能时，控制器17将完全停用处理电路。
本领域技术人员会认识到，本发明决不只限于上文所描述的优选实施例。相反地，在所附的权利要求的范围内，许多修改和变化都是可以的。例如，控制器17可以功能性地位于通信电路13中，而不是位于处理电路15中，以便由第一电源电路供电。这具有在所有电压(在指定的电压范围内)都可保证对处理电路15的控制的优点。
这里所描述的总线接口10可以有利地用于连接包括各种计量器在内的各种设备。在简单情况下，总线接口10可以是设备的整体部分，在这种情况下，处理电路15包括例如计量电路。
作为选择，接口10用于单独的设备中，以便将另一个处理仪器连接到现场总线。其他仪器可以例如具有模拟电流回路接口，如4-20mA工业回路，总线接口10的处理电路15适合于通过电流回路与仪器进行通信。在此情况下，随着现场总线电压增大，处理电路15可以向连接的仪器提供较高的回路电压。
图3显示了根据本发明的实施例的连接到现场总线接口10的雷达水准仪20的示例。这里水准仪20包括用于维持到总线接口10的模拟信号的I/O单元21。在此情况下总线接口10的处理电路15用于给电流回路提供功率，并例如，使用数字或模拟HART，从此I/O单元21感测输出信号。
如上所述，I/O单元可以被配置为在4-20mA的工业回路上进行通信，在这种情况下，通过调节回路中的电流，传递信号电平。DC/DC转换器22连接到I/O单元21，并被配置为以各种电压电平给计量电路提供功率。如当前技术所已知的，计量电路包括处理器23、A/D转换器24，以及收发器25。
收发器连接到诸如天线或定向波探针之类的被配置为允许发射的信号传播到罐27中的传播设备26。发射的信号被罐中的产品的表面反射，反射信号被返回到收发器，在那里，它被接收。测量电路被配置为基于发射的信号和接收到的信号之间的关系，确定诸如产品水平L之类的工艺变量。
图4示出了另一个示例。这里，总线接口10用于连接被配置为由双线总线供电的多个仪器30。一个这样的总线的示例是HART总线，其中给每一个连接的设备都提供了4mA电流，并通过调制所述总线上的数字信号来进行通信。
仪器30可以是各种处理设备。当通过HART总线连接这样的设备时，它包括用于与总线进行连接的HART调制解调器31。根据HART规范，每一个设备都可以抽取4mA。这意味着，数量有限的这样的设备可以通过固有安全的现场总线来供电。通过将根据本发明的实施例的接口10实施为现场总线和HART总线之间的通路，可以更加有效地使用可用功率，使一个或两个附加的HART设备能通过现场总线供电。
本领域技术人员会认识到，本发明决不只限于上文所描述的优选实施例。相反地，在所附的权利要求的范围内，许多修改和变化都是可以的。例如，可以修改所描述的电路图的细节，只要提供第一和第二电源电路的功能即可。虽然已经参考雷达水准仪描述了本发明的实施例，但是，这只一个示例，可以给许多其他设备和处理仪器有利地提供根据本发明的现场总线接口。
Claims (14)
1.一种用于将设备(20；30)连接到现场总线的现场总线接口(10)，所述接口被配置为以预先确定的总线电压范围内的总线电压从总线抽取等于预先确定的总线电流的恒定的供应电流，包括：
用于通过所述现场总线提供通信的通信电路(13)，
第一电源电路(3，4，5，6，7，8)，连接到所述现场总线，并被配置为以预先确定的驱动电压给所述通信电路提供预先确定的通信功率，所述驱动电压低于所述总线电压范围的下限，以及
第二电源电路(11，12)，连接到所述现场总线，并被配置为只有在来自所述现场总线的可用功率超过所述通信功率时才以所述总线电压给处理电路提供处理功率。
2.根据权利要求1所述的总线接口，进一步包括用于检测剩余功率的检测器(16)，所述剩余功率对应于所述可用功率减去所述通信功率。
3.根据权利要求2所述的总线接口，进一步包括控制器(17)，其被配置为根据所述检测到的剩余功率，适应所述设备的功能。
4.根据前面的权利要求中的一个权利要求所述的总线接口，其中，所述第二电路包括在所述现场总线的端子之间串联的电感性阻抗(11)和电容性阻抗(12)。
5.根据前面的权利要求中的一个权利要求所述的总线接口，其中，所述第一电路包括可控制的电流源(3)和用于给所述可控制的电流源提供表示所述供应电流的反馈信号的反馈路径(4、5、6)，所述可控制的电流源被配置为确保所述供应电流等于所述预先确定的总线电流。
6.根据权利要求5所述的总线接口，其中，所述反馈路径包括加法器(6)，用于基于所述反馈信号和表示所述预先确定的总线电流的值之间的差，生成控制信号。
7.根据权利要求6所述的总线接口，其中，所述加法器(6)用于接收调制定时信号(Tx)，并给所述控制信号补偿在所述供应电流上调制的通信信号。
8.根据权利要求2所述的总线接口，其中，所述检测器包括用于检测所述总线电压的电压传感器(16)。
9.根据权利要求1所述的总线接口，其中，所述通信电路(13)被配置为提供适当的现场总线标准所需的任何通信。
10.根据权利要求1所述的总线接口，其中，所述电压范围的所述下限不超过9V。
11.根据权利要求1所述的总线接口，其中，所述处理电路被配置为连接所述设备。
12.根据权利要求11所述的总线接口，其中，所述处理电路被配置为连接电流回路。
13.根据权利要求11所述的总线接口，其中，所述处理电路被配置为连接HART总线，从而，所述总线接口用于充当现场总线和HART总线之间的通路。
14.一种用于测量罐中的产品的工艺变量的雷达水准仪，包括
用于发射和接收电磁信号的收发器，
传播设备，被配置为使得所述发射的信号朝着所述产品的表面的方向传播，并向所述收发器返回反射的信号，
测量电路，用于基于所述发射的信号和所述接收到的信号之间的关系，确定所述工艺变量，以及
现场总线接口，被配置为以预先确定的总线电压范围内的总线电压抽取等于预先确定的总线电流的恒定的供应电流，所述现场总线接口包括：
用于利用所述现场总线提供通信的通信电路，
第一电源电路，连接到所述总线电压，并被配置为以预先确定的驱动电压给所述通信电路提供预先确定的通信功率，所述驱动电压低于所述总线电压范围的下限，以及
第二电源电路，连接到所述总线电压，并被配置为当可用功率级别超过所述通信功率时给所述雷达水准仪提供处理功率。
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