CN101501453A - 用于包括传感器、测量变换器和控制单元的传统二线制通信链路的隔离单元 - Google Patents

用于包括传感器、测量变换器和控制单元的传统二线制通信链路的隔离单元 Download PDF

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CN101501453A CNA2007800291679A CN200780029167A CN101501453A CN 101501453 A CN101501453 A CN 101501453A CN A2007800291679 A CNA2007800291679 A CN A2007800291679A CN 200780029167 A CN200780029167 A CN 200780029167A CN 101501453 A CN101501453 A CN 101501453A
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迈克尔·科恩
迈克尔·康拉德
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Abstract

对于包括传感器(1)、测量变换器(2)和控制单元(3)的传统二线制通信链路，设有隔离单元(6)，所述隔离单元用于传递不由测量变换器(2)传递的数字信号。因此，在传统二线制通信链路中，在传感器(1)与控制单元(3)之间实现数字通信。

Description

用于包括传感器、测量变换器和控制单元的传统二线制通信链路的隔离单元
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分用于包括传感器、测量变换器和控制单元的传统二线制通信链路的隔离单元。
背景技术
在过程自动化技术中使用多种现场用仪表，这些现场用仪表用于获取和/或影响过程变量。对于这种现场用仪表的实例是物位测量仪表、质量流量测量仪表、压力测量仪表以及温度测量仪表、pH氧化还原电位测量仪表、电导率测量仪表等，这些仪表作为传感器获取相应的过程变量物位、流量、压力、温度、pH值或导电率值。
所谓的执行器例如阀或泵用于影响过程变量，该阀在管道区段中控制液体的流量，该泵在容器中改变物位。
多种这样的现场用仪表由Endress+Hauser
Figure A200780029167D0003094859QIETU
公司制造和销售。
通常，现场用仪表与上级单元例如管理系统或控制单元相连接。这种上级单元用于过程控制、过程可视化、过程监测。
在现场用仪表与上级单元之间的信号传递通常根据已知4-20mA的标准借助于二线制通信链路来进行。
在现场用仪表中涉及传感器，因此，由该传感器获取的测量值作为电流信号通过信号线传递到上级单元。在此，传感器的测量范围线性地关于4-20mA的电流信号描绘。
现在，多种情况下传感器不是直接地，而是通过测量变换器与控制单元相连接。通常，在测量变换器中，在由传感器提供的输入信号与传送到控制单元的输出信号之间产生电流隔离。
除4-20mA的信号传递外，也能够以一些传感器实现数字的双向通信。在过程自动化技术中，这种通信通常根据广泛传播的可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议(HART)标准来进行。因此，传感器可由管理系统配置和参数化。此外，除固有的4-20mA的测量值外，诊断信息也可数字地传递到管理系统。
但具有电流信号隔离的传统测量变换器不允许HART信号通过。因此，当具有HART能力的传感器通过这样的测量变换器与管理系统相连接时，具有HART能力的传感器不能数字地与管理系统通信。
发明内容
本发明的任务在于，在传感器与控制元件之间提供一种用于现有的模拟的二线制通信链路的隔离单元，该隔离单元不具有上述缺点，该隔离单元尤其是在使用传统测量变换器时额外实现传递HART信号。
该任务通过权利要求1中给出的特征来解决。
本发明的基本思想在于，设置一种用于传统二线制通信链路的隔离单元，该二线制通信链路用于传递数字信号并且可串联到现有电流回路中。
从属权利要求中给出了有利的改进。
数字信号以有利地方式涉及频移键控(FSK)信号。
隔离单元也负责电流信号隔离。
附图说明
下面根据附图中给出的实施例来详细说明本发明。
附图表示：
图1示出具有传统测量变换器的二线制通信链路的示意性视图；
图2示出传统测量变换器的示意性视图；
图3示出具有根据本发明的隔离单元的二线制通信链路的示意性视图；
图4示出根据第一实施例的根据本发明的隔离单元的示意性视图；
图5示出根据第二实施例的根据本发明的隔离单元的示意性视图；
图6示出根据图4的实施例详细视图。
具体实施方式
图1中详细示出了在传感器与控制单元之间的二线制通信链路。
传感器1(例如温度传感器)通过双线L1将4-20mA的测量信号提供到测量变换器2上。测量变换器2通过另一双线L2与控制单元3，例如SPS(可编程控制器)相连接。控制单元3可例如以未详细示出的方式调控执行器，例如阀。
此外，控制单元3通过总线系统5与管理系统100相连接。总线系统5例如可涉及现场总线(Profibus)。
从传感器1通过第一电流回路S1进入的4-20mA的测量信号在其被传送到控制单元3上之前在测量变换器2中预处理例如线性化，该测量信号与实际测量的温度值相应。一种特殊的测量变换器，Endress+Hauser公司的产品RMA422不仅具有测量信号输入端，而且具有两个测量信号输入端。因此，两个传感器的测量信号可在该测量变换器中例如计算或评估。
在测量变换器2中，进行在4-20mA的输入信号与4-20mA的输出信号之间的电流隔离，该输出信号通过第二电流回路S2传送到控制单元3上。通过第二电流回路S2的4-20mA信号，向传感器1供电，但也可以向测量变换器2供电。
图2中详细示出了具有电流隔离的典型的传统测量变换器。从传感器1通过第一电流回路S1进入的4-20mA的测量信号在测量电阻RHART上拾取，并且在模拟-数字转换器A/D中数字化。该模拟-数字转换器A/D可涉及例如∑Δ转换器。在数字化后，测量信号通过电流隔离的传送器T传送到计算单元30(例如微控制器)。在计算单元30中进行数字化的测量信号的处理例如线性化或过滤。在处理后，数字测量信号通过数字-模拟转换器D/A重新转换成4-20mA的信号，并且以模拟的形式通过电流回路S2传送到控制单元3上。
图2中仅示出用于数字化的4-20mA信号的路径，该信号借助于传送器T被电流隔离。为了简明起见，未示出用于能量传递的路径。在此，同样设置电流隔离。
在传送器T中的信号传递可例如感应地通过线圈对或光学地通过光耦合器对来进行。
嵌入在传统测量变换器中的A/D转换器这样来构造，HART信号不能够被传递。HART通信基于带有根据FSK(Frequency Shift Key，频移键控)方法的编码的Bell202通信标准，在该方法中，两个数字参数0和1分配给下面的频率：逻辑0＝2200赫兹，逻辑1＝1200赫兹。
图3中示出了根据图1的二线制通信链路，在该通信链路中额外设有根据本发明的隔离单元6。在输入侧，根据本发明的隔离单元6接入到两个双线中的一个L1中；在输出侧，相应地接入到两个双线中的一个L2中。
传感器1、隔离单元6的信号输入端E1和测量变换器2的信号输入端IN是第一4-20mA电流回路S1的部分。相应地，对于控制单元3、隔离单元6的信号输出端A1和测量变换器2的信号输出端OUT，是第二4-20mA电流回路的部分。
单个部件各自通过流动在第二电流回路S2中的电流被供电。
测量变换器2传递模拟的4-20mA的信号。根据本发明，隔离单元6仅电流隔离地传递HART信号。
图4中详细示出了隔离单元6的第一实施例。隔离单元6的信号输入端E1与HART调制解调器7a相连接。HART调制解调器7a通过传送器T与另一个HART调制解调器7b通信。电流隔离在传送器T中感应地通过各两个线圈对9a/8a或8b/9b来进行。HART调制解调器7b与隔离单元6的信号输出端A1相连接。
图5中详细示出了隔离单元6的替代的构型，其具有信号输入端E1′和信号输出端A1′。在输入侧，HART连接器13设有DC/DC转换器14。通过DC/DC转换器14编码装置10a以及微控制器11被供电。在编码装置10a中，将HART信号编码或解码。
微控制器11与编码装置10a通信，以发送或接收HART信号。
此外，微控制器与第二编码装置10b通过传送器T相连接。由线圈对或由光耦合器对构成传送器T，可通过该线圈对或光耦合器对以简单方式电流隔离地传递数字信号。
在输出侧也设有HART连接器13和DC/DC转换器14。
从传感器1进入的HART信号由编码装置10a接收，并且以数字的形式传送到微控制器11。从微控制器11产生的数字信号通过线圈对12a、12b传递到编码装置10b。编码装置10b相应地调控HART连接器13，因此，HART信号可传送到控制单元3。
通过图4或图5中示出的隔离单元6，以简单的方式实现了通过电流隔离路段的HART信号传递。
图6中还更加详细示出了图4中示出的实施例。
从传感器1进入的HART信号在电阻RHART上拾取，通过运算放大器OP1放大，并且接着通过模拟-数字转换器A/D1数字化。在数字化的信号传输到传送器T1之前，通过滤波器F1进行过滤。在借助于传送器T1电流隔离后，信号传输到数字-模拟转换器D/A1，调节器R1连接在数字-模拟转换器D/A1的下游。
隔离单元的输入侧由供电单元VE1供电。
如上所述，从传感器1进入的HART信号通过第一信道K1从信号输入端E1传递到信号输出端A1。
相应地设有第二信道K2，该信道用于传递HART信号，该HART信号从控制单元3发送到传感器1。
该信道基本上由运算放大器OP2、模拟-数字转换器A/D2、滤波器F2、传送器T2、数字-模拟转换器D/A2以及调节器R2构成。
下面详细说明本发明的功能。
借助于根据本发明的隔离单元6可实现，在具有测量变换器2的现有传统的二线制通信链路中，在传感器与控制单元之间交换HART信号。在此，通过隔离单元6仅传递数字HART信号。通过传统的测量变换器2仅传递模拟的4-20mA的测量信号。在此，隔离单元6易于集成到两个存在的电流回路S1和S2中。
HART信号的电流隔离借助于传送器T或T′在隔离单元6中实现。通过测量变换器2的信号传递同样电流隔离地进行。
隔离单元6允许操作员使用传感器的全部功能性，因为，目前也能够由管理系统100对HART信息参数化和评估。
不必使用附加的供电，因为，隔离单元6通过电流回路S2供给。
附图标记清单
表1
 
双线 L1、L2
模拟/数字转换器 A/D
输出端 A1
总线系统 5
DC-DC转换器 14
数字/模拟转换器 D/A
输入端 E1
滤波器 F1、F2
HART连接器 13
 
HART调制解调器 7a、7b
信道 K1、K2
编码装置 10a、10b
管理系统 100
测量变换器 2
测量电阻 RHART
微控制器 11
计算单元 30
调节器 R1、R2
传感器 1
信号输出端 A1、OUT
信号输入端 E1、IN
线圈对 9a、8a、8b、9b
线圈对 12a、12b
控制单元 3
电流回路 S1、S2
隔离单元 6
传送器 T

Claims (5)

1.用于传统二线制通信链路的隔离单元，所述二线制通信链路包括传感器、测量变换器和控制单元，其中，为了电流隔离的目的，所述测量变换器将从所述传感器通过第一电流回路而到达的模拟测量信号数字化，并且为了通过第二电流回路传递到所述控制单元而将数字化的模拟测量信号转换回模拟测量信号，其特征在于，所述隔离单元(6)用于在所述传感器(1)与所述控制单元(3)之间传递数字信号，并且在输入侧能够串联到所述第一电流回路S1中且在输出侧能够串联到所述第二电流回路S2中。
2.根据权利要求1所述的隔离单元，其特征在于，所述模拟测量信号是4-20mA的信号，并且所述数字信号是FSK信号。
3.根据前述权利要求之一所述的隔离单元，其特征在于，为了电流信号隔离而在所述隔离单元(6)中设有传送器T、T′。
4.根据前述权利要求之一所述的隔离单元，其特征在于，所述隔离单元(6)具有用于将所述FSK信号从所述传感器(1)传递到所述控制单元(3)的信道K1和用于将所述FSK信号从所述控制单元(3)传递到所述传感器(1)的信道K2，其中，每个信道具有A/D转换器、滤波器、传送器和D/A转换器。
5.根据前述权利要求之一所述的隔离单元，其特征在于，所述隔离单元(6)通过所述电流回路S2供电。
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