CN107070761A - 用于耦合连接现场设备的总线耦合器 - Google Patents

用于耦合连接现场设备的总线耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将现场设备(11，…，n)耦合连接至上级的总线系统(10)的总线耦合器(100)，其中为了实现单独地用于每条联络线的诊断能力和连接的现场设备的诊断能力而提出，在信号输入端(31)和现场设备输出端(32)之间布置有在具有终端电阻(Ra)的串联电路中的阻抗转换器(36)，该终端电阻(Ra)然后起到导线终端电阻和电流限制的作用。通过可控制的参考电压源可以确定最大的输出电流并断开输出端。

Description

用于耦合连接现场设备的总线耦合器
技术领域
本发明涉及一种用于将现场设备耦合连接至上级的总线系统的总线耦合器(Buskoppler)，包括：用于上级的总线系统的总线接口；用于相应的现场设备的相应的接口；主发送接收单元，设计用于发送和接收在上级的总线系统上的电文；相应的发送接收单元，设计用于与每个现场设备通信；其中，相应的发送接收单元具有：用于上级的总线系统的电文的信号输入端，该信号输入端与主发送接收单元连接；用于连接现场设备的现场设备输出端，通过该现场设备输出端将电文从主发送接收单元发送到现场设备；接收信号接口，通过该接收信号接口将电文从现场设备进一步传输到主发送接收单元；和控制输入端。
发明内容
根据本发明提出，相应的发送接收单元如下地设计，即信号输入端与阻抗转换器的第一输入端连接，阻抗转换器的第二输入端连接至能控制的参考件，阻抗转换器的输出端利用在串联电路中的终端电阻连接至现场设备输出端，其中，用于测定电压降的测量件连接至终端电阻并且测量件与参考件连接。有利地，该终端电阻形成了具有传输介质的阻抗的终端电阻，也就是至现场设备的部分导线的阻抗的终端电阻，并且同时形成了电流限制电阻，如其对于在爆炸保护区域中使用的总线耦合器所要求的那样。
在另一个设计方案中，总线耦合器具有控制装置，该控制装置设计用于，通过控制输入端在用于第二输入端的参考电压方面对参考件进行匹配，以便减小通过终端电阻的电流并因此实现用于现场设备输出端的电流限制。通过由终端电阻和电流限制结构构成的终端电阻的组合，可以有利地通过控制单元如下地设定参考电压，即能够设定电流限制或者也能够完全地断开现场设备输出端。如果现场设备被断开，那么干扰输入耦合就不再能有干扰地被察觉到。
用于在爆炸保护区域中使用的设备的、附加的电流限制电阻现在可以有利地被放弃。
在另外的设计方案中，总线耦合器在信号输入端和阻抗转化器的第一输入端之间具有开关件。用于电文的信号输入端现在能够被有利地被断开。利用开关件能够实现断开主发送接收单元的调制，其例如有利地用于现场设备的自动地址分配。
在一个特别有利的设计方案中，阻抗转换器根据运算放大器的结构进行构造并且如下地设计，即阻抗转换器的输出阻抗不为零并因此形成虚拟的接地点，其中，由对应的现场设备发送的接收电文由此通过接收信号接口到达主发送接收单元。
在改善的诊断方面，在接收信号接口处连接有用于检测现场设备的诊断信号的诊断信号准备件，并且诊断信号准备件设计用于将诊断信号进一步传输到控制装置。
附图说明
根据附图示出了用于总线耦合器的、尤其是用于发送接收单元的设计方案的实施例。图中示出：
图1示出具有用于现场设备的多个接口的总线耦合器，
图2示出图1中的发送接收单元的改进方案，
图3示出用于应用到FF基金会(Field Bus Foundation，现场总线基金会)中的发送接收单元的设计方案，以及
图4示出总线耦合器的或者发送接收单元的替代设计方案，其中主发送接收单元的功能通过由电压上升限制电路和相应编程的控制装置的组合实现。
具体实施方式
根据图1示出了用于将现场设备11，12，...，n耦合连接至上级的总线系统10的总线耦合器100。为了将总线耦合器100耦合连接至上级的总线系统10，总线耦合器100具有总线接口20。为了将总线设备11，…，n耦合连接至总线耦合器100，该总线耦合器具有用于第一现场设备11的第一接口11a，用于第二现场设备12的第二接口12a以及用于第n个总线设备n的第n接口na。对于各个接口11a，12a，…，na来说分别存在发送接收单元1，2，…，n。因为发送接收单元1，…，n在其结构上类似，因此在接下来仅仅对第一发送接收单元1进行详细描述。
该第一发送接收单元1具有用于上级的总线系统10的电文的信号输入端31，其与主发送接收单元30连接。对于与第一现场设备11的连接来说，第一发送接收单元1具有用于连接第一现场设备11的现场设备输出端32。通过该现场设备输出端32，由主发送接收单元30发送到现场设备11，…，n的电文TX被进一步传输。
对于从现场设备11，…，n进一步传输到主发送接收单元30的电文TX来说，第一发送接收单元1具有接收信号接口33。为了通过控制输入端34进行控制地对第一发送接收单元1进行访问，总线耦合器100具有控制装置μC。该控制装置μC能够通过控制输入端34对在参考电压方面影响参考件35。此外，控制装置μC设计为对开关件39施加影响。
第一发送接收单元1的信号输入端31与阻抗转换器36的第一输入端-连接，阻抗转换器36的第二输入端+连接至能控制的参考件35。阻抗转换器36的输出端37利用在串联电路中的终端电阻Ra连接至现场设备输出端32。为了测定在终端电阻Ra上的电压降，在该终端电阻上连接有测量件38，其中该测量件38与参考件35连接。因为测量件38持续地将其测量值传输至参考件35，因此参考件35能够通过在阻抗转换器36的第二输入端+上的相应的电压预定值来设定在阻抗转换器36的输出端37上的输出电流，或者完全将其断开。由此，为了避免干扰输入耦合，在例如未连接的现场设备的情况中提供用于断开联络线的部件。
在信号输入端31和阻抗转换器36的第一输入端-之间布置有开关件39。利用开关件39能够完全地中断主发送接收单元30的电文。如果现场设备由调制进行准(quasi)断开，那么到现场设备的联络线上的干扰输入耦合就不再能够有干扰地被察觉到。开关件39能够以有利的方式断开调制，但是尽管这样还能保持对现场设备的供应电压，其例如对于现场设备的自动地址分配是必要的。
阻抗转换器36根据运算放大器的结构进行构造并且如下地设计，即阻抗转换器的输出阻抗接近零并且输出端37因此形成虚拟的接地点VM。通过虚拟的接地点VM可以实现的是，终端电阻Ra形成联络线的遵守标准的终端阻抗，并且由对应的现场设备11发送的接收电文RX能够通过接收信号接口33到达主发送接收单元30。阻抗转换器36通过电阻R2和R3进行负反馈，以便实现输出阻抗为零。第一电阻R1接地地布置在主发送接收单元30处的信号输入端31上。通过R1的电压在此与在第一接口11a上的发送信号TX成比例。
控制装置μC具有程序，其设计用于预设用于参考件35的电压值，并且还设计用于通过开关件39实现到第一发送接收单元1的调制信号的断开。
利用图2没有示出图1中的全部耦合器，而是仅仅示出了具有相应的控制装置μC和主发送接收单元30的、第一发送接收单元1的变化方案。根据图2，除了在图1中公开的第一发送接收单元1之外，现在在接收信号接口33处连接有用于检测现场设备11，…，n的诊断信号的诊断信号准备件40。诊断信号准备件40设计用于将诊断信号进一步传输给控制装置μC。
利用图3示出的是，如经由设计为运算放大器的阻抗转换器36那样，能够将总线信号或者接收电文RX从另外的现场设备、例如像第二现场设备12、第三现场设备13或者第四现场设备14传输到第一现场设备11。该传输类型例如在现场总线基金会(FF)中提出。通过加法放大器50将接收电文RX或者其余的现场设备的接收信号进一步传输到主发送接收单元30。
图4示出了另外的实例，其中主发送接收单元30由与电压上升限制装置52连接的接收器模块51替代，其由控制单元μC控制。在接收器模块51上能够耦合连接所有具有其接收电文RX的其余的现场设备。
另外的对于本发明来说重要的理念如下：现场设备通常装配在有爆炸风险的区域中，其在运行中不能触及，由此获得一种必要性，即获得尽可能多的诊断数据。在过程现场总线(Profibus)自动化(PA)系统中或者现场总线基金会(FF)总线系统中，现场设备通过分配器连接。该分配器能够被考虑作为根据本发明的总线耦合器，并且根据发明人迄今为止的了解，对于每个到现场设备的、离开的轨迹S1，S2，S3，S4来说都包含电流限制电路，以用于无干扰的接线的和诊断装置的电路。
轨迹S1，S2，S3，S4是一段现场总线网络或者是在分配器或者总线耦合器与现场设备之间的一段导线。调制信号在此共同准备用于所有的现场设备。在此有问题的是，所有的现场设备都是连接的，并且一个设备的干扰能够传递到另外的设备上。诊断值、例如像噪声、抖动和信号电平不会或者仅仅以高耗费的电路分配给各个设备。利用本发明应该获得改进的效果。
用于联络线S1，S2，S3，S4的终端电阻Ra或者总线终端电阻现在以典型的50欧姆布置在分配器中或者每个轨迹的总线耦合器中，并且在至现场设备的导线端部处连接有不带有终端电阻的现场设备。
在总线耦合器100中的终端电阻Ra上实现在系统中定义的电流调制至电压调制。设计作为运算放大器的阻抗转换器的和串联电阻、即终端电阻Ra的、用于每个联络线的有利的应用实现的是，该电阻是用于爆炸保护区域的电流限制电阻，并且同时是用于导线的终端电阻。通过单独地为每个轨迹进行供应和调制，联系能控制的参考件以实现如下的功能：电压调制，用于现场设备的总线终端电阻，电流限制，用于爆炸保护区域的电流限制电阻，用于在不同的联络线S1，S2，S3，S4上的现场设备之间的通信连接的加法放大器，如其在现场总线基金会(FF)中使用的那样。开关设备用于断开联络线S1，S2，S3，S4，以避免在未连接的现场设备上的干扰输入耦合以及通过改变参考电压而减小在有故障的导线上的电流。在诊断时，用于每条联络线S1，S2，S3，S4的信号准备的总线信号能够单独地检测并且输送给控制装置μC并进行评估。
在用于将现场设备(11，…，n)耦合连接至上级的总线系统(10)的总线耦合器(100)中，为了实现单独地用于每条联络线的诊断能力和连接的现场设备的诊断能力而提出，在信号输入端(31)和现场设备输出端(32)之间布置有在具有终端电阻(Ra)的串联电路中的阻抗转换器(36)，该终端电阻(Ra)然后起到导线终端电阻和电流限制的作用。通过可控制的参考电压源可以确定最大的输出电流并断开输出端。

Claims (7)

1.一种用于将现场设备(11，…，n)耦合连接至上级的总线系统(10)的总线耦合器(100)，所述总线耦合器包括：
用于所述上级的总线系统(10)的接口(20)；
用于相应的所述现场设备(11，…，n)的相应的接口(11a，12a，…，na)；
主发送接收单元(30)，所述主发送接收单元设计用于发送和接收在所述上级的总线系统(10)上的电文；
相应的发送接收单元(1，…，n)，所述发送接收单元设计用于与每个所述现场设备(11，…，n)通信；
其中，相应的所述发送接收单元(1，…，n)具有：
用于所述上级的总线系统(10)的所述电文的信号输入端(31)，所述信号输入端与所述主发送接收单元(30)连接；
用于连接所述现场设备(11，…，n)的现场设备输出端(32)，通过所述现场设备输出端将所述电文从所述主发送接收单元(30)发送到所述现场设备(11，…，n)；
接收信号接口(33)，通过所述接收信号接口将所述电文从所述现场设备(11，…，n)进一步传输到所述主发送接收单元(30)；和
控制输入端(34)；并且所述发送接收单元如下地进行设计，
所述信号输入端(31)与阻抗转换器(36)的第一输入端(-)连接，所述阻抗转换器(36)的第二输入端(+)连接至能控制的参考件(35)，
所述阻抗转换器(36)的输出端(37)利用在串联电路中的终端电阻(Ra)连接至所述现场设备输出端(32)，
其中，用于测定电压降的测量件(38)连接至所述终端电阻(Ra)，并且所述测量件(38)与所述参考件(35)连接。
2.根据权利要求1所述的总线耦合器(100)，所述总线耦合器具有控制装置(μC)，所述控制装置设计用于，通过所述控制输入端(34)在用于所述第二输入端(+)的参考电压方面对所述参考件(35)进行匹配，以便减小通过所述终端电阻(Ra)的电流并因此实现用于所述现场设备输出端(32)的电流限制。
3.根据权利要求1或2所述的总线耦合器(100)，其中，在所述信号输入端(31)和所述阻抗转换器(36)的所述第一输入端(-)之间布置有开关件(39)。
4.根据权利要求1或2所述的总线耦合器(100)，其中，所述阻抗转换器(36)根据运算放大器的结构进行构造并且如下地设计，即所述阻抗转换器的输出阻抗不为零并因此形成虚拟的接地点(VM)，其中，由对应的所述现场设备(11，…，n)发送的接收电文(RX)由此通过所述接收信号接口(33)到达所述主发送接收单元(30)。
5.根据权利要求3所述的总线耦合器(100)，其中，所述阻抗转换器(36)根据运算放大器的结构进行构造并且如下地设计，即所述阻抗转换器的输出阻抗不为零并因此形成虚拟的接地点(VM)，其中，由对应的所述现场设备(11，…，n)发送的接收电文(RX)由此通过所述接收信号接口(33)到达所述主发送接收单元(30)。
6.根据权利要求2所述的总线耦合器(100)，其中，在所述接收信号接口(33)处连接有用于检测所述现场设备(11，…，n)的诊断信号的诊断信号准备件(40)，并且所述诊断信号准备件设计用于将所述诊断信号进一步传输到所述控制装置(μC)。
7.根据权利要求5所述的总线耦合器(100)，其中，在所述接收信号接口(33)处连接有用于检测所述现场设备(11，…，n)的诊断信号的诊断信号准备件(40)，并且所述诊断信号准备件设计用于将所述诊断信号进一步传输到所述控制装置(μC)。
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