CN102187180A

CN102187180A - 过程自动化现场设备

Info

Publication number: CN102187180A
Application number: CN2009801411179A
Authority: CN
Inventors: 于尔根·迈尔; 马丁·朗格
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: CN102187180B; US9230428B2; EP2335025B1; EP2335025A1; US20110309813A1; WO2010043468A1; DE102008042851A1

Abstract

本发明涉及一种过程自动化技术的现场设备(10)，具有用于输出电流信号的接口(11)，具有预设单元(12)，该预设单元预设通过接口(11)输出的电流信号所依赖的值。根据本发明，提供第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(2)，第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(2)可以分别被设置为可预设的电流强度，并且第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(2)与接口(11)相连，使得接口上的电流信号基本上依赖于第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(2)被设置到的可预设的电流强度中的较低电流强度。

Description

过程自动化现场设备

技术领域

本发明涉及一种过程自动化技术的现场设备，具有至少一个用于输出电流信号的接口以及至少一个预设单元，该预设单元预设通过接口输出的电流信号所依赖的至少一个值。

背景技术

在现有技术中已知以4～20mA信号输出信号和尤其是测量值的现场设备，尤其是测量设备。当现场设备中发生故障，那么就会输出所谓的故障信号，该信号一般落在处于4和20mA之间的真正的信号范围之外。因此，故障信号或者低于4mA或者高于20mA。

在现场设备自检验的概念中，为此还需要该设备能够用信号通知这种故障电流。但是在此过程中的问题在于，故障信号本身不应到达设备的输出端，因为这仅仅是测试而不是发生了这种故障。在此，作为简单的解决方案，在测试时间内现场设备故意产生相应故障信号。但是因此在这些时间段内不可能进行正常的过程运行。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种现场设备，它能够检查故障信号的发出，而不会导致设备受损，尤其是不会导致连接在现场设备上的单元受损。

本发明这样解决所述任务，即，提供至少一个第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器，第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器可以分别被设置为可预设的电流强度，并且第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器按以下方式与接口连接，即，接口上的电流信号基本上依赖于第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器被设置为的可预设的电流强度中的较低电流强度。其中现场设备尤其是指4～20mA信号现场设备。

根据一种实施方式，现场设备通过接口发出故障信号来通知现场设备存在故障，其中故障信号落在故障信号区间内。当接口是4～20mA接口时，故障信号区间尤其是落在0mA和4mA或3.6mA之间。

根据一种实施方式，故障信号的电流强度在预设值以下，尤其是小于3.6mA。

根据一种实施方式，第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器串联连接。

根据一种实施方式，提供至少一个控制单元，且控制单元基于预设单元将第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器分别设置为可预设的电流强度。

根据一种实施方式，控制单元基于预设单元控制第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器，使得接口处的信号在可预设的区间内变化。

根据一种实施方式，第一可控电流吸收器至少由第一电流吸收器、第一调节器、第一电阻和第一测量电阻组成，其中第一测量电阻与第一电流吸收器串联连接并用于量取第一测量电压。

根据一种实施方式，第二可控电流吸收器至少由第二电流吸收器、第二调节器、第二电阻和第二测量电阻组成，其中第二测量电阻与第二电流吸收器串联连接并用于量取第二测量电压。

根据一种实施方式，在第一可控电流吸收器和/或第二可控电流吸收器中安装电容器和二极管。

根据一种实施方式，与第一电流吸收器及第一测量电阻并联地提供第一开关和第一桥接电阻。

根据一种实施方式，与第二电流吸收器及第二测量电阻并联地提供第二开关和第二桥接电阻。

根据一种实施方式，控制单元具有至少两个微处理器，它们基本上相互独立地控制第一可控电流吸收器和第二可控电流吸收器。

附图说明

本发明借助以下附图更详细地得以阐述。其示出：

图1：依据本发明的现场设备的示意布线图；和

图2：一些电流在利用图1的依据本发明的现场设备进行测试期间的时间分布示意图。

具体实施方式

图1中示出了依据本发明的现场设备10。其中该现场设备例如是用于确定且/或监视过程参数的测量设备。过程参数例如是物位、密度、粘度、流量、pH值或温度。

现场设备10具有接口11，通过该接口例如作为4～20mA信号输出测量值。当现场设备10发生故障时，发出信号，该信号的电流强度在为正常使用所保留的范围之外。在一个实施方式中，“故障电流”低于3.6mA。

在此所示电路可以测试是否能够产生这种故障电流，而不会让故障信号直接到达接口11。在该现场设备10中串联了两个可控电流吸收器1、2。

第一可控电流吸收器1的一部分是电流吸收器l1。这是一种其负载电流可电子调节的电子负载。以场效应晶体管(FET)为例。此外，第一可调节电流吸收器1包括第一调节器RE1、第一测量电阻R1和第一电阻R5。调节器RE1是运算放大器，其输入端与控制单元13相连，或具体地说与控制单元13的第一微处理器M1相连，且另一个输入端与第一电阻R5相连，或与第一测量电阻R1上的电压降相连。第一测量电阻上的电压降通过运算放大器相连，并且该运算放大器的输出端影响对第一电流吸收器l1的电流强度的调节。调节器RE1的不与控制单元13相连的输入端通过第一电阻R5与接口11的触点相连。该触点也接地。第一测量电阻R1也能够量取第一测量电压U1。

第一电流吸收器l1与接口11的另一个触点相连，并且接地。在电路的这个范围内，在第一电流吸收器l1和大地之间还设计了齐纳二极管Vz和与之并联的电容器C。此外，两个串联连接的电流吸收器l1及l2和控制单元13的第二微处理器M2之间也相连。

第二可控电流吸收器2按类似第一可控电流吸收器1的方法构造。它由第二电流吸收器l2、第二调节器RE2、第二电阻R6和第二测量电阻R2组成。其中，第一电流吸收器l1和第二电流吸收器l2串联连接。在这里，第二调节器RE2被控制单元13的第二微处理器M2控制。两个微处理器M1、M2相互独立工作，而且也相互独立地通过调节器RE1、RE2控制两个电流吸收器l1、l2的电流强度。接口上的电流的各额定值由预设单元12预定。在此尤其涉及现场设备10的传感器组件的评测单元。因此接口上的电流被设置为对应于对过程参数测定的测量值，或者例如代表达到了极限值。

为了向在此示意地示出的存在于接口11上的信号的接收单元15通知现场设备11仍然运行正常，电流信号在预设的区间内变化，这就是说，电流信号围绕预设单元12的额定值摆动，因此是现场设备10的寿命信号。以额定值为19mA为例，它在两个电流值之间交替变化，这就是说，会产生19mA+0.25mA的输出信号。因此这种变化对于接收单元15意味着现场设备10仍然运行。

如果在第一电流吸收器l1和第二电流吸收器l2中设置了不同的电流强度，那么每次在接口11上存在较低的电流值。

为了测试是否能够产生故障信号(在此是低于3.6mA的电流)，在依据本发明的电路中还提供了以下组件：

第一可控电流吸收器1具有与第一电流吸收器l1串联连接的第一测量电阻R1，通过该测量电阻量取第一测量电压U1。与第一电流吸收器l1和第一测量电阻R1并联地提供了第一开关S1和第一桥接电阻R3。

类似地，在第二可控电流吸收器2中提供了用于第二测量电压U2的第二测量电阻R2、第二开关S2和第二桥接电阻R4。

正如看到的那样，两个可控电流吸收器1、2相互“解耦”，并且基本上能够相互独立地进行调节。

为了展示电路的性能，在图2中示出了时间分布或者所出现的电流。从上向下示出了：接口11上的输出电流、第一测量电阻R1上的电流、第一桥接电阻R3上的电流、第二测量电阻R2上的电流和第二桥接电阻R4上的电流分布。

在正常运行时，开关S1和S2打开。在这里例如通过控制单元13或者分别通过提供的微处理器M1和M2来实现对开关的控制，所述微处理器配属于第一可控电流吸收器l1和第二可控电流吸收器l2。

在时间点t1，第一电流吸收器l1被设置为19.25mA，且第二电流吸收器l2被设置为18.75mA。接口11上的输出电流由第二电流吸收器l2确定。流动的电流通过两个测量电阻R1和R2被测量，并分别通过一个运算放大器转换成与电流成比例的电压U1或者U2，并输送给微处理器M1和M2进行控制(为了清晰起见在此未示出该连接情况)。

如果在并联路径(例如两个开关S1、S2打开但是低阻抗)上流过例如5mA的电流，那么，尽管确定所流过电流的调节器调节至较低的值18.75mA，但是在测量电阻R1或R2中仅流过18.75mA-5mA＝13.75mA的电流差。从而在现场设备10中发生故障，且各个电流吸收器l1或l2就会把故障电流设置成小于3.6mA。

现在到了测试阶段，测试现场设备10是否也能够可靠地设置故障电流。在此示出的流程纯粹是示例性的。垂直的虚线总是表示开关分别关闭的时间段。

首先测试第一电流吸收器l1(图2中的测试l1)：

开关S1闭合。18.75mA的电流被支路l1和R1及支路R3和S1分流。如果电阻R1和R3一样大且开关S1的电阻和l1的内阻非常小，则在两个支路中流过基本相等的电流。在测量电阻R1上下降的电压U1被测量并与参考值比较。然后，第一电流吸收器l1的电流强度的预设值被第一微处理器M1和第一调节器RE1从上面设置的19.25mA设置成小于18.75mA的测试值，例如3mA。第一调节器RE1调节第一电流吸收器l1，使得通过第一测量电阻R1测量的电阻R5上的电压对应于第一微处理器M1的预设额定值，也就是说等于3mA。因此支路R1、l1中流过3mA电流。剩余的18.75mA-3mA的电流流过由电阻R3和开关S1组成的并联支路。在这个电路布局中，可以在第一电流吸收器l1中在0mA和值Itestmax1之间调节测试电流。值Itestmax1依赖于电阻R3和R1之间的比例。如果值R3＝100Ohm并且R1＝10Ohm，那么l1中的测试电流被设置为在0mA和R3*I_总/(R3+R1)＝100Ohm*18.75mA/(100Ohm+10Ohm)＝17.05mA之间。

然后第一电流吸收器l1的预设值通过第一微处理器M1和第一调节器RE1从3mA设置为大于19.25mA的值。再次有18.75/2mA的分电流流过第一电流吸收器l1和第一测量电阻R1。这个分电流可以被测量作为电压U1，并且与参考值比较。利用这样的电压测量从而可以监视开关S1的正确闭合以及第一电流吸收器l1设置3.0mA电流的能力。

在测试时间中，I_总-3mA的分电流流过电阻R3和开关S1。流向端子并因此向外流动的电流恒定在18.75mA。紧接着，开关S1打开。电流还一直被第二电流吸收器l2保持在18.75mA。

在时间点t2，第二电流吸收器l2的预设值通过第二微处理器M2和第二调节器RE2被设置为19.25mA。因为第一电流吸收器设置了大于19.25的电流，所以第二电流吸收器l2确定接口上的输出电流为19.25mA。因此，输出信号在两个值18.75mA和19.25mA之间变化。借此现场设备10表示自己仍在正常运行。

在时间点t3，第一电流吸收器l1的预设值从大于19.25mA的值降到18.75mA。从而第一电流吸收器l1确定向外的电流(18.75mA)。在无故障的情况下，R1和R2上的电压测量分别得出正确的电流值。如果值正确，那么开关打开，并且第一电流吸收器l1状态良好。

测试第二电流吸收器l2：

为此闭合第二开关S2。当前的18.75mA电流被支路l2和R2及支路R4和S2分流。如果电阻R2和R4一样大且开关S2的电阻和第二电流吸收器l2的内阻非常小，则在两个支路中流过大致相同的电流。这时，测量电压U2并与参考值比较。接下来，第二电流吸收器l2的预设值通过微处理器M2和第二调节器RE2从19.25mA设置成小于18.75mA的值，例如3mA。第二调节器RE2设置第二电流吸收器l2，使得通过第二测量电阻R2测量的电阻R6上的电压对应于第二微处理器M2的预设额定值，也就是说等于3mA。因此，支路R2、l2流过3mA。剩余的18.75mA-3mA电流流过由电阻R4和开关S2组成的并联支路。在这个电路布局中，可以在第二电流吸收器l2中在0mA和值Itestmax2之间设置测试电流。值Itestmax2依赖于电阻R4和R2之间的比例。如果值R4＝100Ohm且R2＝10Ohm，那么l2中的测试电流可以设置在0mA和R4*I_总/(R4+R2)＝100Ohm*18.75mA/(100Ohm+10Ohm)＝17.05mA之间。然后，第二电流吸收器l2的预设值从3mA设置成大于19.25mA的值。18.75/2mA的分电流再次流过第二电流吸收器l2和测量电阻R2，该分电流可以通过电压U2测量并且可以与参考值比较。

借助这样的电压测量可以监视开关S2的正确闭合和第二电流吸收器设置小于3.6mA电流的能力，也就是阻截能力。

在测试时间中，I_总减去3mA的分电流流过桥接电阻R4和开关S2。在接口11上存在恒定18.75mA的电流信号。

紧接着，开关S2被打开，其中电流还一直被第一电流吸收器l1保持在18.75mA。

在时间点t4，第一电流吸收器l1的预设值通过第一微处理器M1和第一调节器RE1设置成19.25mA。从而第一电流吸收器l1把接口11上的电流设置成19.25mA。

在时间点t5，第二电流吸收器l2的电流值的预设值从大于19.25mA的值调至18.75mA，以使第二电流吸收器l2确定经过接口11向外的电流。在两个测量电阻R1和R2上测量电压U1和U2，以监控各自所需电流的出现。如果电压U1和U2符合参考值，那么开关S2打开，并且第二电流吸收器l2状况良好。

在这里所示的图2的图表中，测试随着第一电流吸收器l1的下一测试继续进行下去。

通过以各自电流值的相应额定预设值按时间切换电流吸收器l1、l2，可以实现打开和闭合开关S1和S2而不会在接口11上的4～20mA信号上产生不希望的电流尖峰。

Claims

1.过程自动化技术的现场设备(10)，具有至少一个用于输出电流信号的接口(11)并具有至少一个预设至少一个值的预设单元(12)，通过接口(11)输出的电流信号依赖于该值，

其特征在于，

提供至少一个第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(2)，

所述第一可控电流吸收器(1)和所述第二可控电流吸收器(2)能够分别被设置到可预设的电流强度，并且

所述第一可控电流吸收器(1)和所述第二可控电流吸收器(2)与所述接口(11)相连，使得处于所述接口(11)上的电流信号基本上依赖于所述第一可控电流吸收器(1)和所述第二可控电流吸收器(2)被设置到的所述可预设的电流强度中较低的电流强度。

2.按照权利要求1所述的现场设备(10)，其特征在于，现场设备(10)通过接口(11)以故障信号来用信号表示存在现场设备(10)的故障，其中故障信号位于故障信号区间的内部。

3.按照权利要求1所述的现场设备(10)，其特征在于，故障信号的电流强度低于预设的值，尤其是小于3.6mA。

4.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(2)串联连接。

5.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，提供至少一个控制单元(13)，且控制单元(13)基于预设单元(12)将第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(l2)分别设置到可预设的电流强度。

6.按照权利要求5所述的现场设备(10)，其特征在于，控制单元(13)基于预设单元(12)控制第一可控电流吸收器(1)和第二可控电流吸收器(l2)，使得处于接口(11)的信号在可预设的区间内变化。

7.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，第一可控电流吸收器(1)至少由一个电流吸收器(l1)、第一调节器(RE1)、第一电阻(R5)和第一测量电阻(R1)组成，其中所述第一测量电阻(R1)与第一电流吸收器(l1)串联连接并用于量取第一测量电压(U1)。

8.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，第二可控电流吸收器(2)至少由第二电流吸收器(l2)、第二调节器(RE2)、第二电阻(R6)和第二测量电阻(R2)组成，其中所述第二测量电阻(R2)与第二电流吸收器(l2)串联连接并用于量取第二测量电压(U2)。

9.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，在第一可控电流吸收器(1)和/或第二可控电流吸收器(2)中安装电容器(C)和二极管(VZ)。

10.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，提供与第一电流吸收器(l1)和第一测量电阻(R1)并联的第一开关(S1)和第一桥接电阻(R3)。

11.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，提供与第二电流吸收器(l2)和第二测量电阻(R2)并联的第二开关(S2)和第二桥接电阻(R4)。

12.按照以上权利要求之一所述的现场设备(10)，其特征在于，控制单元(13)具有至少两个微处理器(M1、M2)，所述微处理器基本上相互独立地控制第一可控电流吸收器(l1)和第二可控电流吸收器(l2)。