CN102119368A - 自动化技术的现场设备用的自供电的现场设备或者自供电的无线电适配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化技术的现场设备(1)用的自供电现场设备或者自供电无线电适配器(2)，通过分配给或者可以分配给现场设备(1)或者无线电适配器(2)的供电单元(3)向该现场设备/无线电适配器供给有限的能量，其特征在于，在供电单元(3)与内部电源(4)之间布置有由带有至少两个并联二极管(6)的至少一个二极管组构成的阻挡层(5a；5b)，该内部电源的电压超过或可以暂时超过供电单元(3)的电压，该阻挡层对于供电单元(3)阻断从内部电源(4)到供电单元(3)或者到现场设备(1)或无线电适配器(2)的接线端子(7)的反向充电电流。

Description

自动化技术的现场设备用的自供电的现场设备或者自供电的无线电适配器

技术领域

本发明涉及一种自动化技术的现场设备用的自供电的现场设备或者自供电的无线电适配器，通过分配给或者可以分配给现场设备或者无线电适配器的供电单元向该现场设备/无线电适配器供给有限的能量。

背景技术

在过程自动化技术领域中经常使用现场设备，这些现场设备用于检测和/或者影响过程变量。用于检测过程变量的是传感器，例如像料位测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、pH氧化还原电位测量设备、电导率测量设备等，这些传感器检测相应的过程变量：料位、流量、压力、温度、pH值或电导率。用于影响过程变量的是执行器，例如像阀门或者泵，通过这些执行器可以改变管道段内液体的流量或容器内的料位。原则上，在过程附近使用的和提供或者处理对过程至关重要的信息的所有设备都称为现场设备。除了先前所提及的传感器和执行器外，如下这种单元一般也称为现场设备，这些单元直接与现场总线连接并且用于与上位单元通信，例如像Remote I/O(远程I/O)、Gateway(网关)、Linking Device(链接设备)和Wireless Adapter(无线适配器)。大量这种现场设备由Endress+Hauser集团制造和销售。

在现代化的工业设备上，现场设备一般通过总线系统(Profibus

Foundation

Fieldbus、HART

等)与上位单元连接。正常情况下，上位单元是引导系统或控制单元，例如像SPS(存储器可编程控制系统)或者PLC(可编程逻辑控制器)。上位单元此外用于过程控制、过程可视化、过程监控以及用于调试运行现场设备。由现场设备，特别是由传感器检测到的测量值通过所连接的总线系统传送到一个上位单元或者需要时也传送到多个上位单元。此外，也需要从上位单元通过总线系统向现场设备进行数据传输；这种数据传输特别是用于对现场设备进行配置和参数设定或者用于诊断目的。总体来说，现场设备通过总线系统由上位单元来操作。

除了现场设备与上位单元之间的有线连接的数据传输之外，也存在无线的(wireless)数据传输的可能性。特别是在总线系统ProfibusFoundation

Fieldbus和HART

中，详细说明了通过无线电的无线数据传输。此外，用于传感器的无线网络在标准IEEE 802.15.4中作了详细说明。为了实现无线数据传输，更新型的现场设备，特别是传感器和执行器，部分构成为无线电现场设备。这些无线电现场设备一般具有作为集成组成部分的无线电单元和电源。在此，无线电单元和电源可以设置在现场设备自身内或者设置在与现场设备持久连接的无线电模块内。通过电源可以实现现场设备的自供电。

此外，存在如下的可能性，即，不带有无线电单元的现场设备通过与具有无线电单元的无线适配器连接而扩充成无线电现场设备。相应的无线适配器例如在文献WO 2005/103851A1中有所介绍。无线适配器一般与现场设备的现场总线通信接口以可松开的方式连接。现场设备可以通过现场总线通信接口将有待通过总线系统传送的数据发送到无线适配器上，该无线适配器然后将这些数据通过无线电传送到目的地。反过来，无线适配器可以通过无线电接收数据并通过现场总线通信接口继续传递到现场设备。对现场设备的电功率的供应于是一般通过无线适配器的供电单元来进行。

在自供电的无线电现场设备和无线适配器中，例如与上位单元的通信一般通过无线电现场设备的或者无线适配器的无线接口来展开。附加地，这种无线电现场设备或无线适配器一般具有有线连接的通信接口。例如在HART

标准中，无线电现场设备除了无线接口之外，还必须具有有线连接的通信接口。通过这种有线连接的通信接口，可以通过服务和/或者操作单元，例如像与有线连接的通信接口连接的手持通信器，例如在现场对无线电现场设备或无线适配器进行配置。此外，有线连接的通信接口可以构成为现场总线通信接口，从而展开关于这方面的符合总线系统，例如像符合标准化的总线系统Profibus

Foundation

Fieldbus或者HART之一的通信。通过这种现场总线通信接口，无线电现场设备或无线适配器也可以与相应的有线连接的现场总线连接。

无线适配器或者无线电现场设备的供电单元或电源例如是设置在无线适配器或无线电现场设备内的电池、燃料电池、太阳能供电装置和/或者蓄电池。

如果现场设备或者无线电适配器由供电单元来供给有限的能量供应，那么在足够的防爆方面可能出现问题。问题表明，只要现场设备或无线电适配器要与更高的电源连接或者当现场设备内或者无线电适配器内存在组件时，就产生比供电单元更高的电压。在这种情况下，现场设备或者无线电适配器的被供应电压的部分必须具有如下阻挡层(Barriere)，该阻挡层实现下面所提及的两个目的：

-防止到供电单元的反向充电电流

-反极性保护(Verpolschutz)。

在存在爆炸危险的区域内，必须附加地满足下列要求：

-在将供电单元分离开时防止形成火花

-内部的电荷存储器或电源对外隔离。

上述问题的一种公知的解决方案提出一种由串联的二极管组成的阻挡层。例如，通过三个二极管的串联可以实现防爆类别ex-ia。所公知的解决方案的缺点在于，二极管上的电压降导致相对高的损耗功率，这不利地反映在供电单元，特别是电池的，使用寿命上。电压降随着从电池中流出的电流的增加而变大。

另一种实现部分上述目的所公知的解决方案设置有电子电路，这些电子电路通常集成在电路中并且普遍称为“理想二极管”。在这些电路中测定电流流动方向并且在流动方向错误时借助开关，例如借助FET(场效应晶体管)，来中断电流。这种方法的缺点是电路的反应时间相对长：在将电池分离开时存在形成火花的危险，这一点在存在爆炸危险的区域内会造成灾难性的后果。由于这些电路的反应太慢，大于40μJ的电荷量会穿透该阻挡层，这一点在防爆环境的区域内是不允许的。

发明内容

从前面介绍的现有技术出发，本发明的目的在于，提出一种装置，利用该装置，在有限的能量储备可供现场设备使用的所述现场设备中，可以将电压降并因此将损耗功率降到最低。

该目的通过如下方式得以实现，即，在供电单元与内部电源之间布置有由带有至少两个并联二极管的至少一个二极管组构成的阻挡层，该内部电源的电压超过或者可以暂时超过供电单元的电压，该阻挡层对于供电单元阻断从内部电源到供电单元或者到现场设备或无线电适配器的接线端子的反向充电电流。在至少两个并联的和结构相同的二极管上，电压降几乎相同，而且电流至少近似相同地分布到至少两个二极管上。由此减弱在电流变大的情况下电压上升的效应。与所公知的串联相反，二极管的并联使得负载下正向电压升高的效应明显降低。此外，依据本发明实现的是，仅受到限制的、最大允许的能量在电池与现场设备或者与适配器分离开时进入该过程。因此，依据本发明的装置也可以在存在爆炸危险的区域内使用。

具有优点的构造方式设置：为现场设备或者无线电适配器分配有无线电模块，并且现场设备通过无线电模块和无线网络与上位控制单元通信。此外，在这种联系中提出，将无线电模块集成在无线电适配器或无线适配器中，该无线电适配器或无线适配器通过设置在现场设备上的第一接口和设置在无线电适配器上的第二接口以及相应的连接线路与现场设备连接。对此的进一步的细节在本专利申请的说明书前文中已经做了详细介绍。

作为选择，现场设备本身没有自己的供电装置，而是通过无线电适配器来外部供电。在这种情况下，将供电单元集成到无线电适配器中，并且供电单元与无线电适配器之间的数据交换和供电通过两条相同的连接线路来进行。对此的进一步的细节在本专利申请的说明书前文中已经做了详细介绍。

优选地，在自供电的现场设备或自供电的无线电适配器的情况下，将供电单元直接集成到现场设备中。对此的进一步的细节在本专利申请的说明书前文中已经做了详细介绍。

依据本发明的现场设备或依据本发明的无线电适配器的特别具有优点的构造方式提出，阻挡层由三个串联的二极管对组成，其中，二极管对的二极管并联。利用这种构造方式可以实现防爆类别ex-ia。这种防爆类别要求三倍冗余的二极管，也就是说，在两个二极管发生故障的情况下仍然保证电路的正常功能。

优选地，二极管是肖特基二极管。拿MBR0520型肖特基二极管作为例子。肖特基二极管与其他二极管相比的优点是，在肖特基二极管上，电压降相对小并且肖特基二极管具有相对快的反应时间。

所述二极管对或所述二极管组的二极管以具有优点的方式如此地构造，即在供电单元与现场设备或者无线电适配器分离开时，使最大40μJ或40μVAs到达现场设备的接线端子或无线电适配器的接线端子，特别是到达所分配的供电单元的接线端子。

作为供电单元，在与本发明的联系中优选考虑电池。作为选择，也可以使用燃料电池、太阳能供电装置或者蓄电池。

正如在前面段落已经介绍的那样，结合本发明，现场设备或无线电适配器与上位控制单元之间的通信在自动化技术领域常用的通信协议之一的基础上实现。

附图说明

借助后面的附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示出具有多个现场设备的无线网络的示意图；

图2示出依据本发明的无线适配器的优选构造方式的方框图；

图3示出依据本发明的装置的示意图；

图4示出由三个串联的二极管组构成的阻挡层，其中，每个二极管组由n个并联的二极管组成；以及

图5示出由三个串联的二极管组构成的阻挡层，其中，每个二极管组由两个并联的二极管组成。

具体实施方式

图1示出具有多个现场设备1和一个网关G的无线网络，这些现场设备各自构成为无线电现场设备。现场设备1相互间并且与网关G都分别保持无线电连接FV，这一点在图1中通过虚线示出。由于现场设备1和网关G分别通过多个无线电连接FV保持连接，所以即使在无线电连接FV之一发生故障的情况下，通过其他无线电连接FV之一仍可以维持通信。

作为用于无线电连接FV的无线电传输技术，例如适用的是Frequency Hopping Spread Spectrum(FHSS，跳频展频)或者Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS，直接序列展频)方法。由于所需的发射功率低，超宽带技术(UWB)也非常适用。

网关G可以是远程传输单元，例如Endress+Hauser公司的产品“Fieldgate”。在这种情况下，网关G可以在全球例如通过因特网、GSM(全球移动通信系统)或者固定网络与上位单元通信。此外，(未示出的)上位单元和/或者(未示出的)操作装置也可以直接通过相应的无线电连接与所示的无线网络通信。

图2示出依据本发明的无线适配器2的优选构造方式的示意图。在所示的例子中，传统地构成的现场设备1通过连接线路14与无线适配器2连接。通过连接无线适配器2，将现场设备1扩充成无线电现场设备，例如像图1中通过现场设备1所示的那样。

现场设备1由测量值接收器或传感器15和测量变换器16组成。现场设备1可以(正如此前已经详细阐述的那样)被设计用于确定和/或者影响任意的过程变量。

在无线电适配器2内，优选在印制电路板上布置有不同的部件。无线电适配器2通过接口12和连接线路14与测量变换器16保持连接。与接口12连接的是用于电压转换的组件4和通信模块8或通信接口8。在本发明的意义上，用于电压转换的组件是内部电源4。用于电压转换的组件4与通信模块8和微处理器9连接。

现场设备1和无线适配器2相互保持通信连接。有线连接的通信接口7a、7b优选是HART

通信接口。为通信接口7a、7b分配有功能单元，该功能单元通过通信接口7a来发射和/或者接收数字信号(例如相应于HART标准)。通过通信接口7a，现场设备1也可以(替代所示的与无线适配器2的连接)与在自动化技术中常用的现场总线系统(例如HART

现场总线系统)连接。

此外，现场设备1具有同样未分开的微处理器和数据存储器，在该数据存储器中还存放有现场设备1的参数。对数据存储器的存取通过微处理器来进行。为了在现场操作现场设备1，在现场设备1上通常设置有同样未单独示出的显示和操作单元，该显示和操作单元与微处理器保持通信连接。

无线适配器4(正如已经提到的那样)具有微处理器9形式的控制单元。为了通过无线网络FN进行数据交换，微处理器9与具有射频芯片组(RF-Chipset)和天线11的无线电单元10连接。无线电单元10在此以如下方式构成，即，使无线通信依据在自动化技术中常用的标准之一，优选依据HART

标准，来实现。此外，微处理器9与未单独示出的数据存储器连接，在该数据存储器中还存放有无线适配器2的参数。为了与现场设备1进行通信，无线适配器2具有有线连接的通信接口7b，为该通信接口又分配有功能单元，该功能单元通过通信接口7b来发送和/接收数字信号。

在图2所示的布置中，现场设备1的通信接口7a和无线适配器2的通信接口7b通过2线制连接线路(2-Leiter-Verbindungsleitung)14相互连接。通过该连接，既实现现场设备1与无线适配器2之间的通信，又实现通过无线适配器2向现场设备1供电。

为了给现场设备1和无线适配器2供电的目的，为无线适配器2分配有供电单元3。供电单元3能够给现场设备1或者给无线电适配器2和现场设备1供给有限的能量。供电单元3例如是电池、蓄电池、太阳能板或者燃料电池。因此，所示的现场设备1或所示的无线电适配器2是自供能量的单元。

图2示出如下情况，即，将无线电模块10集成到无线电适配器2中。通过将无线电适配器2与传统的现场设备1连接，现场设备1可以改装成无线电现场设备。不言而喻，也可以将无线电模块10直接集成到现场设备1中。

依据本发明，设置有至少一个阻挡层5a、5b，所述至少一个阻挡层对于供电单元3阻断从内部电源4到供电单元3或到现场设备1的接线端子7a或到无线电适配器2接线端子7b的反向充电电流。在依据本发明的装置的图2所示的实施方式中，阻挡层5a布置在用于电压转换的组件4与供电单元3之间。另一个阻挡层5b设置在接口12与测量变换器16之间。

阻挡层5a、5b在所示情况下由具有各两个并联二极管6的三个串联的二极管组构成。通过将各两个相同的二极管6并联起来，二极管6上的电压降大致相同，并且并联二极管上给出的电流至少近似相同地分布。由此可以实现较少的损耗功率，这反映在电池或供电单元3的提高的使用寿命上。通过三个二极管对的串联布置(这相应于三倍冗余)，又可以实现防爆类别ex-ia。

二极管优选是肖特基二极管。肖特基二极管的突出之处在于，在转换时间相对较快的情况下每个二极管的0.2至0.5V的相对低的电压降。

图3示出依据本发明的自供电的现场设备或自供电的无线电适配器的示意图。不得对供电单元3起反作用的组件4例如是无线电适配器2的主印制电路板。为了确保没有反向充电电流从组件4到达供电单元3，设置有阻挡层5a，该阻挡层具有图5中所示的构造方式。为了使无线电适配器2的主印制电路板对测量变换器16没有反作用，中间连接有阻挡层5b。

参照现场设备或无线电适配器在存在爆炸危险的区域内的使用，把“反作用”理解为如下电流，该电流将大于Q＝I×t＝40μJ的电荷从组件4运输至供电单元或者从组件4运输至测量变换器16。

图4示出一种可供选择地构造的阻挡层，其由三个串联的二极管组构成，其中，每个二极管组包括n个并联的二极管6。

附图标记列表

1     现场设备

2     无线电适配器或无线适配器

3     供电单元

4     内部电源

5a    阻挡层

5b    阻挡层

6     二极管

7a    接线端子

7b    接线端子

8     通信模块/通信接口

9     微处理器

10    无线电模块

11    天线

12    接口

13    控制单元

14    连接线路

15    测量接收器/传感器

16    测量变换器

G     网关

FN    无线网络

FV    无线电连接

Claims (10)

1.自动化技术的现场设备(1)用的自供电的现场设备或者自供电的无线电适配器(2)，通过分配给或者能够分配给所述现场设备(1)或者所述无线电适配器(2)的供电单元(3)向所述现场设备/所述无线电适配器供给有限的能量，其特征在于，在所述供电单元(3)与内部电源(4)之间布置有阻挡层(5a；5b)，该阻挡层由至少一个具有至少两个并联连接的二极管(6)的二极管组构成，所述内部电源的电压超过或能够暂时超过所述供电单元(3)的电压，所述阻挡层对于所述供电单元(3)阻断从所述内部电源(4)到所述供电单元(3)或者到所述现场设备(1)或所述无线电适配器(2)的接线端子(7)的反向充电电流。

2.按权利要求1所述的现场设备，其特征在于，为所述现场设备(1)或者所述无线电适配器(2)分配有无线电模块(10)，并且所述现场设备(1)通过所述无线电模块(10)和无线网络(FN)与上位的控制单元(13)通信。

3.按权利要求2所述的现场设备，其特征在于，将所述无线电模块(10)集成在所述无线电适配器(2)或无线适配器中，所述无线电适配器或所述无线适配器通过设置在所述现场设备(1)上的第一接口(7a)和设置在所述无线电适配器(2)上的第二接口(7b)以及相应的连接线路(14)与所述现场设备(1)连接。

4.按权利要求3所述的现场设备，其特征在于，将所述供电单元(3)集成到所述无线电适配器(2)中，并且所述供电单元(3)与所述无线电适配器(2)之间的数据交换和供电通过相同的两条连接线路来进行。

5.按权利要求1所述的现场设备，其特征在于，将所述供电单元(3)和无线电模块(10)集成到所述现场设备(1)中。

6.按权利要求1所述的现场设备，其特征在于，所述阻挡层(5a、5b)由三个串联连接的二极管对组成，其中，二极管对的二极管(6)并联连接。

7.按权利要求1或5所述的现场设备，其特征在于，所述二极管(6)是肖特基二极管。

8.按权利要求1至3或5至6之一或多项所述的现场设备，其特征在于，所述二极管对或者说二极管组的二极管(6)以如下方式构造，即，在所述供电单元(3)与所述现场设备(1)或者所述无线电适配器(2)分离开时，最大有40μJ或40μVAs到达所述现场设备(1)的所述接线端子(7a)或所述无线电适配器(2)的所述接线端子(7b)，特别是到达所分配的所述供电单元的接线端子。

9.按权利要求1、3、4或7所述的现场设备，其特征在于，所述供电单元(3)是电池、燃料电池、太阳能供电装置或者是蓄电池。

10.按权利要求1所述的现场设备，其特征在于，所述现场设备(1)或所述无线电适配器(2)与上位的控制单元(13)之间的通信在自动化技术领域常用的通信协议之一的基础上实现。

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