CN102197346B - 自供给式现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化技术的自供给式现场设备(1)，其通过两个连接端子(3)与I/O模块(2)连接；I/O模块(2)构造成4-20mA/HARTI/O模块；为I/O模块(2)分配有可控的能量源(5、7)，通过该能量源(5、7)向现场设备(1)提供能量；设置有电流测量单元(6)，其测定由能量源(5)提供的电流；在I/O模块(2)中设置有内部电阻(Rex、Rcom、Rsense)，在所述电阻(Rex、Rcom、Rsense)处出现依赖于流动电流(It)的电压降；并且设置有控制单元(9)，其控制所述能量源(5、7)，使得在连接端子(3)上提供预定的端电压(Ut)用于供给现场设备(1)。

Description

自供给式现场设备

技术领域

本发明涉及一种自动化技术的自供给式现场设备。

背景技术

在过程自动化技术以及制造自动化技术中，使用多种多样的现场设备，所述现场设备用于检测和/或影响过程变量。测量设备用于检测过程变量，所述测量设备分别具有至少一个传感器和测量变送器。所述测量设备例如是指填充状态测量设备、通流量测量设备、压力和温度测量设备、pH氧化还原电位测量设备、导电率测量设备等，这些测量设备对填充装置、通流量、压力、温度、pH值或导电率这些相应的过程变量加以测量。执行机构(例如阀门或泵)用于影响过程变量，通过所述执行机构，可以改变管路段中流体的通流量或容器中的填充状态。

原则上，在过程附近使用的并且提供或者处理与过程相关的信息的所有设备都称作现场设备。除了前面所述的测量设备/传感器和执行机构，通常也将以下单元称作现场设备，这些单元直接连接到现场总线上，并且用于与上位单元进行通信，上位单元例如是指远程输入/输出(I/O)、网关、连接装置以及无线适配器。大量这样的现场设备由Endress+Hauser集团制造和销售。

在现代的工业设备中，现场设备通常通过现场总线系统—例如Profibus(现场总线)

Foundation Fieldbus(基金会现场总线)

HART(可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议)

等与上位单元连接。所述上位单元通常是指控制系统(Leitsystem)或控制单元，例如SPS(可存储器编程的控制件)或者PLC(可编程的逻辑控制器)。上位的单元主要用于控制过程、可视化过程、监控过程，以及用于对现场设备加以调试运行。由现场设备、尤其是由传感器检测到的测量值通过所连接的总线系统传递到一个上位单元上或者必要时也传递到多个上位单元上。此外，也需要从上位的单元通过总线系统将数据传递到现场设备上；这种数据传递尤其用于对现场设备进行配置和参数化或者用于诊断目的。通常来讲，通过总线系统由上位的单元来操纵所述现场设备。

除了在现场设备和上位的单元之间电线连接地传递数据之外，也存在无线传递数据的方案。尤其在总线系统Profibus

FoundationFieldbus

和HART

中，详细说明通过无线电进行的无线数据传递。此外，在IEEE802.15.4标准中，详细说明了用于传感器的无线电网络。

为了实现无线地传递数据，所述现场设备例如构造成无线电现场设备。所述无线电现场设备通常具有无线电单元，并且电源作为集成的组成部件。在此，所述无线电单元和电源可以设置在现场设备本身中或者设置在持久地连接在现场设备上的无线电模块中。通过所述电源实现了现场设备的自供给式的能量供给。

作为另选方案，不具备无线电单元的现场设备—也就是当前安装在现场中的基体通过具有无线电单元的无线的适配器的联接而装配成无线电现场设备。相应的无线的适配器例如在出版文献WO2005/103851 A1中进行介绍。所述无线的适配器通常可松开地连接到现场设备的现场总线通信接口上。通过该现场总线通信接口，现场设备可以将通过总线系统有待传递的数据发送到无线适配器上，该适配器于是将数据通过无线电传递到目标位置上。反过来，所述无线的适配器可以通过无线电接收数据，并且通过现场总线通信接口传导到现场设备上。于是，一般通过能量供给单元向现场设备供给电功率，所述能量供给单元配属于无线的适配器。

当前，大部分在现场设备上安装的基体由HART设备—也就是通过HART标准与上位控制单元进行通信的现场设备构成。为了将4-20mA/HART现场设备集成到无线网络中，如已经提到的那样，使用如下的适配器，该适配器实现了连接到无线网络的通信并且在此也周期性自动化地检测所连接的现场设备的测量值。合适的适配器拥有自供给式能量源，例如干电池，所述干电池不仅向适配器提供能量，而且也向所连接的现场设备提供能量。为了对所连接的现场设备供能，所述适配器具有电源部段，该电源部段在相应4-20mA的测量和供给电流下提供所要求的端电压。基于当前4-20mA的现场设备的较高的能量消耗，通常非恒定地、而是仅仅在需要时向所述现场设备提供能量。所述现场设备的这种定时(getaktet)的运行也称作周期性运行(DutyCycle Betrieb)。

所述现场设备在限定的测量或供给电流下，需要限定的最小端电压以用于常规运行。所述测量电流或供给电流在运行中动态地改变。下面列出不同的运行阶段：

-“用4-20mA输出进行测量”的运行阶段：在这里，电流与测量值成比例地改变。

-“仅以HART输出地进行测量”的运行阶段：在这里，所述现场设备在多点运行模式中工作。在运行期间，将电流恒定地调节到最小值。

-起动的运行阶段：在此，存在偏差的电流，直到测定第一个测量值。

所述无线的适配器的相应的I/O模块在测量循环中在内部具有不同的电阻，所述电阻在内部的馈给电压恒定时，为所连接的测量变送器提供依赖于电流的端电压。所述电阻例如是限爆电阻(Ex-Begrenzungswiderstand)、HART通信电阻或者用于模拟的4-20mA测量电流检测的测量电阻。为了补偿由于内部并联的电阻所引起的电压降，必须这样选择所述供电电网的内部的馈给电压，即，即使在所出现的最高电流下，也可以达到现场设备的所限定的端电压。所形成的最大的电流是例如22mA的误差电流。此外，所提到的电阻除了限爆电阻之外，不是在每个运行阶段中都被强制需要，而当前在调节馈给电压时总是必须考虑所述电阻。由于调节到最坏情况下的固定的内部馈给电压，所提供的能量不能被有效地利用：在许多运行阶段中，浪费提供给重要的部件的能量。

发明内容

本发明基于如下的任务，即，是自供给式现场设备能量有效地运行。

该任务通过以下方法得到解决，即，所述现场设备通过两个连接端子与I/O模块连接，其中，I/O模块设计成4-20mA/HART I/O模块，其中，为I/O模块分配有可控的能量源，通过该能量源向现场设备提供能量，其中，设置有电流测量单元，该电流测量单元测定由能量源提供的电流，其中，在I/O模块中设置有内部电阻，在所述内部电阻处出现依赖于流动电流的电压降，并且其中，设置有控制单元，该控制单元以如下方式控制所述能量源，即，在连接端子上提供用于供给现场设备的预定的端电压。

依赖于实时为现场设备提供的电流，将内部的馈给电压适应性地调节到最小值上。由此，将馈给电压与供给电流的乘积最小化。

按本发明的现场设备的有利的构造方案设置为，所述控制单元以如下方式控制所述能量源，即，能量源依赖于相应流动电流动态地这样调节端电压，即，随时确保所述现场设备的运行。根据4-20mA的流动电流，可以这样调节所述电流，即，节省尽可能多的能量。于是，所述现场设备在电流较高时典型地需要非常小的端电压，例如4mA时需要17V的电压，以及在20mA时需要11V的电压。在本文中，可以将所连接的现场设备的电流变化曲线存储在I/O模块中。下面根据所存储的电流变化曲线借助于控制单元动态地调节所述端电压。

优选所述电流测量单元是指电流测量电阻，在该电流测量电阻上，截取到模拟的代表测量值的4-20mA的信号。

尤其是设置为，所述内部电阻是指通信电阻，在该通信电阻上，截取数字的HART通信信号。附加地或者另选地，所述内部电阻是指限流电阻，这样设定该限流电阻，即，该限流电阻满足对于在有爆炸危险的区域内使用现场设备的要求。

按本发明的现场设备的优选的构造方案设置为，所述I/O模块是指具有所述能量源的适配器。尤其将该适配器构造成无线的适配器，该适配器通过配属的无线电单元与上位控制件进行通信。

自供给式现场设备的改进方案设置为，所述预定的端电压要么是可调节的，要么是固定地预定的。

此外，设置为，所述现场设备是指用于确定和/或监控过程变量的测量设备、用于影响过程变量的执行机构、标记设备、远程I/O、网关或者连接装置。

优选的是，所述控制单元间歇性地运行所述现场设备：在此，在静止阶段期间，断开能量供给，或将能量供给最小化；而在运行阶段期间，提供了预定用以使现场设备运行的端电压。

此外，按本发明的现场设备的构造方案设置为，所述控制单元根据需要选择性地接通或者断开通信电阻以及电流测量电阻。

此外，特别有利的是，所述控制单元在现场设备起动前调试(Hochfahren)期间，对所述通信电阻和电流测量电阻进行桥接，直到现场设备为运行准备就绪。由此，可以额外地提高现场设备的能效。

如果现场设备只要提供模拟的4-20mA的信号，那么设置为，所述控制单元持续地桥接所述通信电阻。如果现场设备提供基于HART协议的数字的通信信号，那么设置为，所述控制单元持续地桥接所述电流测量电阻。

附图说明

根据下面的图1对本发明进行详细解释。图1示出了按本发明的现场设备1的构造方案。在该构造方案中，所述现场设备1具有对现场设备1的能量供给的适应性的调节件。额外地，处在I/O模块的测量分支中的内部的测量和/或通信电阻—Rsense、Rcom选择性地依赖于相应的运行阶段根据需要进行接通或者桥接。通过两种措施尽可能少地对所述能量供给单元5的容量提出要求，该能量供给单元在所示出的情况下是指干电池或者干电池组。

具体实施方式

在图1中示出了现场设备1的测量变送器的端电压Ut、供电电网7的馈给电压Us、能量源5的电压UBatt以及电阻Rex、Rcom、Rsense处的电压降Uex、Ucom和Usense。

限爆电阻Rex典型地具有几百Ohm的范围内的值，HART通信电阻Rcom具有至少250欧姆，并且测量电阻处在大约50到100欧姆之间。因此，在假定最高电流It-误差电流为22mA时，所述电压降对于限爆电阻来说可以在6伏特的范围内，对于通信电阻Rcom来说可以在5.5伏特的范围内，并且对于测量电阻Rsense来说可以在1-2伏特的范围内。如果要加上所述电压降，那么馈给电压Us必须比端电压Ut大12V。纵使在有爆炸危险的区域外部可以取消电阻Rex，所述馈给电压Us必须总还比端电压Ut大6V。如果考虑到供给电流It最小化并且由此通常仅仅为4mA的理想情况，那么馈给电压Us和端电压Ut之间的差还一直处于接近2.4伏。

通常可以说，当供电电网用相应低的源电压UBatt运行时，高的馈给电压Us对于供电电网7来说是有问题的。由于电压差而出现电池电流，该电池电流引起可支配的电池容量的显著降低，并且由此引起具备受限载的容量的电池或能量供给单元的使用寿命的降低。

所述I/O模块2的在图1中示出的控制器或控制单元9随时识别所连接的现场设备1的或现场设备1的测量变送器的实时的运行阶段，并且测定实时的供给电流It。在起动阶段期间，用于使现场设备1进行起动前调试所需的电流是控制单元9所知道的。在起动阶段中的电流被设置成参数。

如已经在前面所提到的，所述控制单元9依赖于所述现场设备1的相应的运行阶段选择性地接通所述测量电阻Rsense和通信电阻Rcom，或者桥接一个或者两个电阻；如果在实时的运行阶段中，不需要所述电阻之一或者不需要所述两个电阻，那么进行相应的桥接。

根据运行阶段，接通或者不接通所述电阻Rcom和Rsense。在所述现场设备1的测量变送器的起动阶段中，例如既不需要HART通信，也不需要电流测量。在这种情况下，例如通过开关12、13桥接这两个电阻。该桥接以如下时长持续，直至测量变送器测定第一个正常的测量值。

在“仅以HART输出地进行测量”的运行阶段中，当现场设备1在多点运行时，不需要所述测量电阻Rsense并且将其保持桥接。在这种情况下，用于相应的测量变送器的电流It是恒定的并且是已知的。

在“仅用4-20mA进行测量”的运行阶段中，也就是不需要HART通信以及通信电阻Rcom时，桥接所述通信电阻Rcom。在这种情况下，通过测量电阻Rsense测量流动的测量电流It。

如已经在前面提到的，按本发明对端电压Ut进行适应性的调节。此外，所述控制单元9适应性地改变所要求的端电压Ut，方法是：依赖于所测量的或者所给出的电流It，依赖于所述现场设备1的测量变送器的相应的运行阶段，以及依赖于电阻Rsense、Rcom、必要时还有Rex的连接状态，改变所述馈给电压Us。

所述方法的进一步研发方案考虑到了测量变送器，所述测量变送器在电流较大时伴随有较低的端电压Us才行，然而所述测量变送器对应较低的电流需要较高的端电压Us。所述信息能以表格的形式存储在控制器中。为了举例：在20mA时10V就足够了，而在4mA时必须借助于控制单元9，调节出16V来作为端电压Us。

附图标记列表

1 现场设备

2 I/O模块或无线适配器

3 端子

4 端子

5 能量供给单元

6 电流测量单元

7 供电电网

8 用于测量通信电阻的单元

9 控制单元

10 无线电单元

11 上位控制件

12 开关

13 开关

Claims (11)

1.自动化技术的自供给式现场设备（1），该现场设备（1）通过两个连接端子（3）与I/O模块（2）连接；其中，所述I/O模块（2）构造成4-20mA/HART I/O模块；其中，为所述I/O模块（2）分配有可控的能量源（5、7），通过所述能量源（5、7）向所述现场设备（1）提供能量；其中，设置有电流测量单元（6），该电流测量单元（6）测定由所述能量源（5）提供的电流；其中，在所述I/O模块（2）中设置有内部电阻，在所述内部电阻上分别出现依赖于流动电流（It）的电压降，所述内部电阻包括电流测量单元（6）中的电流测量电阻（Rsense），在所述电流测量电阻（Rsense）上截取模拟的4-20mA信号，所述内部电阻还包括通信电阻（Rcom），在所述通信电阻（Rcom）上截取数字的通信信号（8）；并且其中，设置有控制单元（9），所述控制单元（9）通过选择性地接通或者断开所述通信电阻（Rcom）和所述电流测量电阻（Rsense）或者桥接通信电阻（Rcom）和/或所述电流测量电阻（Rsense）而控制所述能量源（5、7），使得所述能量源（5、7）依赖于相应的流动电流（It）动态地调节在所述连接端子（3）上提供的用于供给所述现场设备（1）的预定的端电压（Ut），从而以最小的能量消耗随时确保所述现场设备（1）的正确运行。

2.按权利要求1所述的现场设备，其中，所述内部电阻还包括限流电阻（Rex），设定所述限流电阻（Rex）使得该限流电阻（Rex）满足对于在有爆炸危险的区域内使用所述现场设备（1）的要求。

3.按权利要求1所述的现场设备，其中，所述I/O模块（2）是指具有所配属的能量源（5）的适配器。

4.按权利要求1或3所述的现场设备，其中，所述I/O模块（2）是指无线适配器，该无线适配器通过所配属的无线电单元（10）与上位控制件（11）或者与其它无线电现场设备进行通信。

5.按权利要求1所述的现场设备，其中，所述预定的端电压（Ut）是可调节的或者是固定地预先给出的。

6.按权利要求1所述的现场设备，其中，所述现场设备（1）是指用于确定和/或监控过程变量的测量设备、用于影响过程变量的执行机构、标记设备、远程I/O、网关或者连接装置。

7.按权利要求1所述的现场设备，

其中，所述控制单元（9）间歇性地操作所述现场设备（1），并且在静止阶段中断开能量供给或使能量供给最小化，而在运行阶段中提供用以操作所述现场设备（1）的预定的端电压（Ut）。

8.按权利要求1所述的现场设备，其中，所述控制单元（9）在所述现场设备（1）的起动前调试期间，桥接所述通信电阻（Rcom）以及所述电流测量电阻（Rsense），直至所述现场设备（1）准备就绪。

9.按权利要求1所述的现场设备，其中，当所述现场设备（1）提供模拟的4-20mA信号时，所述控制单元（9）持续地桥接所述通信电阻（Rcom）。

10.按权利要求1所述的现场设备，其中，当所述现场设备（1）提供基于HART协议的数字的通信信号时，所述控制单元（9）持续地桥接所述电流测量电阻（Rsense）。

11.按权利要求1所述的现场设备，其中，所述能量源（5）是指干电池、燃料电池，太阳能电池或者蓄电池。

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