CN107925440B - 现场设备耦合单元和系统 - Google Patents

Abstract

现场设备耦合单元（10；20；30），用于为现场设备（5）提供供给电压（2）并且用于与上级控制单元（1）通信，所述现场设备耦合单元（10；20；30）包括被配置用于与控制单元（1）通信并且具有第一可控输入负载（4）的电流接口（3），所述第一可控输入负载（4）被配置成根据所述电流接口（3）的接口电流（6）来提供所述供给电压（2）所基于的负载电压（7），所述现场设备耦合单元（10；20；30）进一步包括用于提供要被传输给所述控制单元的通信信号（25）的电路布置（8），其中所述电路布置（8）被配置成根据所述通信信号（25）来控制所述第一可控输入负载（4），以便使所述接口电流（6）叠加有对应于所述通信信号（25）的电流信号（9）。

Description

现场设备耦合单元和系统

技术领域

本发明涉及用于为现场设备提供供给电压并且用于与上级控制单元通信的现场设备耦合单元，所述现场设备耦合单元包括被配置用于与控制单元通信并且具有第一可控输入负载的电流接口，所述第一可控输入负载被配置成根据所述电流接口的接口电流来提供所述供给电压所基于的负载电压，所述现场设备耦合单元进一步包括用于提供要被传输给控制设备的通信信号的电路布置。

背景技术

上述类型的现场设备耦合单元从现有技术中是已知的，并且用于经由电流接口将现场设备连接到上级控制单元。

现场设备耦合单元主要履行两个功能。首先，现场设备耦合单元用于基于电流接口的接口电流为现场设备提供供给电压。其次，现场设备耦合单元使得借助于电流接口与控制单元通信成为可能。

为了履行第一功能——即提供供给电压，已知的现场设备耦合单元包括可控输入负载，其优选地串联连接在电流接口中，并且其负载电压——即落在输入负载上的电压——是供给电压的基础；亦即，所述负载电压用作供给电压或用作用于供给电压的基础。可控输入负载意图在于尤其是确保负载电压维持在特定电压范围内，以使得所述电压可以用作供给电压或用作用于供给电压的基础。取决于可控输入负载的配置，所述输入负载也可以满足针对防爆的特定要求，例如因为与输入负载相关联的电流和/或电压被限制成达不到爆炸混合物的最低点火能量的这样的程度。

如上所述，现场设备耦合单元的第二功能在于允许借助于电流接口在现场设备与上级控制单元之间进行通信。在本上下文中，将首先解释该通信的基本原理。常规地，为了借助于电流接口进行通信，要传输的通信信号被映射到接口电流的电流水平上。然而，由于以这种方式仅能实现非常低的数据传输率，因此发展出其中使接口电流叠加有包含要传输的信息的、频率调制的电流信号的传输过程。例如，HART（高速通道可寻址远程高速通道）协议基于此类传输过程。此处，根据频移键控的原理，将各种传输符号映射到电流信号随时间而循序采取的各种频率上。在这种情况下，频率在接口电流的正常频谱之外，并且因此电流信号不被接口电流中的变化所破坏。

现在为了将所述电流信号叠加在接口电流上，在常规的现场设备耦合单元中，提供特定的叠加电流。所述叠加电流增加现场设备耦合单元的电流复杂度，其结果是所述单元更加难以生产、更加复杂并且更易出错。

发明内容

本发明的目标是实现在开篇处描述的类型的现场设备耦合单元中的接口电流与电流信号的叠加而同时使所需的电流复杂度最小化。

该目标针对上述类型的基于在权利要求1的特征部分中限定的特征的现场设备耦合单元来实现。根据本发明，电路布置——亦即提供要传输的通信信号的单元——被配置成根据该通信信号控制第一可控输入负载，以便从而使接口电流叠加有对应于该通信信号的电流信号。

根据本发明，常规地用于为现场设备提供电压的第一可控输入负载现在因此也用于在接口电流上传送（impress）对应于通信信号的电流信号。

因此，实际上被提供用于不同功能的现有部件——亦即第一可控输入负载——现在有利地也用于使接口电流叠加有电流信号。

因此，根据本发明，在现有技术中使用的类型的单独的叠加电路不是必需的。因此，实现了最小化的电路复杂度的优点，并且实现了上文提及的目标。

第一可控输入负载是可以从其中分接负载电压的组件。尤其是，可控输入负载是如下组件，其中电流/电压特性根据通过电控制信号（特别是通过电流或电压）的控制而改变，使得可以使落在该组件上的电压根据所述控制来变化。

因此，通过控制第一可控输入负载，使落在输入负载上的负载电压变化。这进而促使在流过电流接口的接口电流中的改变。该改变也可以被视为是叠加在接口电流上的电流信号。与只是缓慢地改变并且因此也可以被视为DC或直流信号的接口电流相比，该电流信号以叠加的AC分量的方式来表现。

适宜地，第一可控输入负载包括三个端子，第一和第二端子与电流接口串联连接，并且通过控制第三端子，可以改变第一与第二端子之间的电流/电压特性。第三端子例如是参考输入。

如下文将详细描述的那样，根据本发明的优选的实施例，第一可控输入负载是分路电压调节器。

现场设备耦合单元可以是现场设备的一部分，或者可以是以模块的方式的独立式单元。在第一种提及的情况下，现场设备耦合单元例如与现场设备的一个或多个附加电路部分集成地形成。优选地，在这种情况下，可以在与现场设备的一个或多个附加电路部分相同的印刷电路板上生产现场设备耦合单元。替换地，现场设备耦合单元也可以是以独立式单元的形式，所述独立式单元然后可以优选地经由接口连接到现场设备并且可以在需要的情况下被更换。

上级控制单元优选地是来自控制级的控制单元，所述控制单元适宜地经由电流接口从现场设备或从现场设备耦合单元接收状态数据和/或测量值，并且所述控制单元优选地在考虑到所述状态数据和/或测量值的情况下将控制指令传输给现场设备或现场设备耦合单元。

原则上，现场设备可以是如下任何现场设备，所述现场设备借助于在开篇处描述的类型的现场设备耦合单元来借助于电流接口进行通信并且通过所述电流接口来被供给能量。例如，现场设备可以是控制头/定位器，所述控制头/定位器借助于电驱动或气动驱动来设置阀门的阀门构件位置。定位器借助于电流接口来被供给能量，并且进一步借助于所述电流接口来传输通信信号，该信号指示例如阀门的当前位置。定位器优选地是双导体（2-conductor）定位器。

电流接口优选地基于模拟电流接口，诸如基于已知的4-20 mA电流接口，以使得接口电流可以采取4与20 mA之间的水平。如下文将描述的那样，也可以将接口电流的水平固定到特定值，以使得仅仅借助于叠加的电流信号来进行通信。

电流信号和通信信号优选地是FSK或频移键控信号。电流信号尤其可与HART协议兼容。

提供通信信号并且相应地控制第一可控输入负载的电路布置优选地被形成为集成电路和/或由分立式组件形成。适宜地，电路布置包括至少一个微控制器、FPGA和/或ASIC（专用集成电路）。

在从属权利要求中限定本发明的有利的扩展方案。

根据第一实施例，第一可控输入负载包括电压调节器、优选地为分路电压调节器，并且电路布置被配置成根据通信信号来控制电压调节器。

如上文已经提及的那样，第一可控输入负载优选地包括电压调节器或是以这样的形式。电压调节器被配置成根据接口电流生成负载电压。尤其是，电压调节器被配置成将负载电压保持在特定电压范围内或保持在特定电压值处，而与接口电流无关。

电压调节器尤其包括参考输入，可以借助于其来影响负载电压。通信信号优选地耦合到所述参考输入中。

优选地，电压调节器是分路电压控制器或分路电压调节器。例如，可以使用来自Diodes股份有限公司的Zetex ZHT431组件或具有与所述组件相同的功能的组件，作为电压调节器。电压调节器例如是以“可调精度齐纳分路调节器”的形式。

在另一实施例中，第一可控输入负载被配置成将负载电压限制成所设置的电压值。

优选地，第一可控输入负载采取齐纳二极管的功能——落在第一可控输入负载上的负载电压被限制成低于特定电压值或被限制成特定电压值，而与接口电流无关。

适宜地，该电压值可以通过以特定方式连接第一可控输入负载来设置。例如，电压值可以通过连接到如下两个电阻器来设置，这两个电阻器分担负载电压并且将所分担的负载电压供应给第一可控输入负载的参考输入。这两个电阻器连接成分压器。从而可以通过选择这两个电阻器来将电压值设置成负载电压被限制成所述电压值或被限制成低于所述电压值的电压值。

适宜地，电压值以达不到爆炸混合物的最低点火能量的方式来设置，使得满足特定的防爆要求。

在另一实施例中，电流接口包括第一和第二线路连接，并且第一可控输入负载串联连接在这两条线路连接之间。

在另一实施例中，第一可控输入负载具有第一参考输入并且被配置成根据被施加到第一参考输入的电压中的改变来改变负载电压，并且电路布置被配置成将第一参考电压供应给第一参考输入并且被配置成使第一参考电压叠加有通信信号。

如上文已经提及的那样，第一可控输入负载优选地包括第一参考输入。可以借助于所述参考输入来影响负载电压。原则上，将第一参考电压施加到第一参考输入，该参考电压由上文提及的被连接成分压器的电阻器来提供。所述第一参考电压叠加有通信信号，优选地借助于电容耦合来叠加有通信信号。由于在被施加到第一可控输入负载的参考输入的电压与负载电压之间的关系，负载电压根据通信信号来变化，其结果是进而带来在接口电流中的对应的改变。在接口电流中的该改变表示最终可以由上级控制单元接收到的电流信号。

在另一实施例中，与第一可控输入负载并联连接有至少一个第二可控输入负载，所述第二可控输入负载包括第二参考输入，第二参考电压被施加到所述第二参考输入，并且可控输入负载的参考输入以这样的方式来连接：第一参考电压永久地低于第二参考电压。

尤其是因为冗余度的原因而提供第二可控输入负载，以便即使在第一可控输入负载失灵的情况下仍然实现上述电压限制。优选地，第二可控输入负载以与第一可控输入负载相同的方式来配置，但是以不同的方式来连接。第二可控输入负载因此被配置成原则上是可控的，但是与第一可控输入负载相比，第二可控输入负载不一定以可控的方式来连接；尤其是不必在电路布置与第二参考输入之间提供控制路径。

在所描述的输入负载的并联连接中，可能产生如下问题：第二输入负载决定（dictate）落在两个输入负载上的负载电压以使得第一可控输入负载不能够实现上述在负载电压中的改变以便在接口电流上传送电流信号。

为了解决该问题，两个输入负载的参考输入以这样的方式来连接：第一参考电压永久地低于第二参考电压。如果情况是这样，那么具有较低的参考电压的输入负载——以及所得到的较低的负载电压——总是决定在负载电压中的改变和在接口电流中的改变。在本情况下，这是第一可控输入负载，所述第一可控输入负载因此使得以所描述的方式使接口电流叠加有电流信号成为可能。

参考电压例如可以借助于分压器来提供，而且提供第二参考电压的分压器与其它分压器相比可以以这样的方式来配置：第一参考电压低于第二参考电压。优选地，输入负载以这样的方式来连接：第一参考电压和叠加的通信信号之和也低于第二参考电压。

在所描述的实施例中，也可以存在多个第二可控输入负载。这些输入负载于是以这样的方式来连接：第一可控输入负载的参考电压低于第二可控输入负载的每个参考电压。

在另一实施例中提供：至少一个第二可控输入负载与第一可控输入负载并联连接，所述第二可控输入负载包括第二参考输入，第二参考电压被施加到所述第二参考输入；而且提供：电路布置通过操作开关来被配置成将第一参考电压设置成低于第二参考电压，和/或通过操作开关来被配置成将第二参考电压设置成高于第一参考电压。

该实施例以替换的方式解决了上文提及的问题——即在输入负载并联连接的情况下，第一可控输入负载在某些情况下无法确定负载电压。

代替上文提及的用来永久地降低第一参考电压的连接，在这种情况下提供至少一个开关，借助于所述开关可以将第一参考电压设置成低于第二参考电压，或者可以将第二参考电压设置成高于第一参考电压。

由电路布置来操作该开关。尤其是，电路布置以这样的方式来配置：该操作只是临时地进行，特别优选地只有在第一可控输入负载要被用于传输通信信号时进行。

在另一实施例中提供：电路布置包括具有开关并且优选地具有电阻器的电路分支，该电路分支优选地连接在接地节点与第一或第二参考输入之间。

适宜地，电阻器借助于开关与属于第一或第二输入负载的分压器的电阻器并联连接，或者断开这样的连接。因此，通过操作开关可以选择性地改变属于第一或第二可控输入负载的分压器的分担比例，并且因此可以降低或提高相应的参考电压。

在另一实施例中，电路布置包括：调制解调装置，所述调制解调装置被配置成将通信信号提供给输出端子和连接在输出端子与第一参考输入之间的电容器，而且被配置成借助于电容器将被提供给输出端子的通信信号耦合到第一参考输入中。

在另一实施例中，在调制解调装置的输出端子与第一参考输入之间提供分压器组件，所述分压器组件被配置成将要被叠加在第一参考电压上的通信信号的幅度缩放预先确定的因子。

为了上级控制单元上的电流信号也可以同样地容易地被识别出，使所述信号具有特定幅度是有利的。然而可能的是，本来被提供用于供应电压的目的而不是用于传送电流信号的第一可控输入负载本身并没有被配置成在电流接口上传送具有上级控制单元所预期的水平的电流信号。

根据本实施例以如下方式解决该问题：相应地缩放要叠加在第一参考电压上的通信信号，使得由在负载电压中的改变带来的在接口电流中的改变（即电流信号）具有上级控制单元所预期的幅度。根据本实施例，为了该目的而提供对应的分压器组件。

在另一实施例中，分压器组件进一步用于提供第一参考电压，分压器组件优选地连接在第一可控输入负载的第一连接点与接地节点之间。

如上文已经提及的那样，第一参考电压可以借助于分压器来提供。以有利的方式，所述分压器现在形成上文提及的分压器组件的一部分，所述分压器组件用于将通信信号的幅度缩放预先确定的因子。分压器组件因此有利地被用于两个不同的目的。

在另一实施例中，现场设备耦合单元被配置成基于负载电压和/或供给电压来操作电路布置。

相应地，由电流接口提供的接口电流和从中获得的负载电压被用于向电路布置供给能量。电路布置可以直接通过负载电压来进行操作，或者替换地，通过从负载电压获得的供给电压来进行操作。例如，为了该目的，可以在负载电压与供给电压之间提供DC到DC转换器。

在另一实施例中，电流接口是4-20 mA电流接口。优选地，所述电流接口是4-20 mA电流环路接口。

在另一实施例中，现场设备耦合单元被配置成根据HART协议借助于电流接口来与控制单元通信，电路布置优选地被配置成以这样的方式来提供通信信号：被叠加在接口电流上的电流信号可与HART协议兼容。

尤其是，电路布置以这样的方式来配置：通信信号——以及相应地还有电流信号——被生成为可与HART协议兼容的FSK或频移键控信号，并且第一可控输入负载相应地被控制。适宜地，电流信号根据要被传输的信息而采取1200 Hz或2200 Hz的频率或者在这两个频率之间交替。优选地，该信号的电流的峰峰值或峰谷值是1 mA。

在另一实施例中，提供了一种具有至少一个第一现场设备耦合单元和至少一个第二现场设备耦合单元的系统。第一和第二现场设备耦合单元是根据上述现场设备耦合单元中的一个来配置的。这两个现场设备耦合单元的电流接口彼此并联连接，而且现场设备耦合单元中的至少一个现场设备耦合单元的电路布置被配置成：至少在向第一现场设备耦合单元提供通信信号的同时，通过操作开关来将被施加到第一现场设备耦合单元的第一可控输入负载的参考输入的第一参考电压设置成低于被施加到第二现场设备耦合单元的第一可控输入负载的第一参考输入的第一参考电压；或者被配置成：至少在向第一现场设备耦合单元提供通信信号的同时，通过操作开关来将第二现场设备耦合单元的第一参考电压设置成高于第一现场设备耦合单元的第一参考电压。

根据该实施例，两个现场设备耦合单元或它们的电流接口并联连接，并且因此可以连接到上级控制单元的唯一的电流接口并且由其来供电。然而在这种情况下，产生了上文已经描述过的问题——即在两个输入负载并联连接的情况下，在每种情况下，具有较低的参考电压的输入负载都决定落在输入负载上的负载电压。在该实施例中，为了解决该问题，两个电路布置中的至少一个电路布置被配置成：通过操作开关，降低相应的参考电压以使得所述电压低于相应的另一现场设备耦合单元的第一可控输入负载的参考电压。

附图说明

在后文中，将参考随附的附图描述本发明的示例性实施例，在附图中：

图1是在与上级控制单元通信的现场设备的上下文中的现场设备耦合单元的第一实施例的示意性框图；

图2是现场设备耦合单元的第二实施例的示意性框图；

图3是现场设备耦合单元的第三实施例的示意性框图；

图4示出了由并联连接的两个现场设备耦合单元构成的系统。

具体实施方式

在以下对附图的描述中，将相同的附图标记用于在所示出的实施例中的功能上相似的组件，并且省略了对功能上相似的组件的多次描述。

图1是在与上级控制单元1通信的现场设备5的上下文中的现场设备耦合单元10的第一实施例的示意性框图。此处示出了现场设备5和上级控制单元1以便示出在典型应用中的现场设备耦合单元10。然而，上级控制单元1和现场设备5并不是本发明的必要特征，本发明如在开篇处解释的那样涉及的是现场设备耦合单元10本身。

根据第一实施例，现场设备耦合单元10集成在现场设备5中。替换地，现场设备耦合单元10也可以被配置成在结构上分离，并且可以作为模块插入在现场设备5中或者可以被置于所述设备上。

现场设备耦合单元10用于为现场设备5提供供给电压2并且用于借助于电流接口3来与上级控制单元1通信。接口电流6流过电流接口3，该接口电流优选地由上级控制单元1来提供。

电流接口3包括两个线路连接11和12，第一可控输入负载4优选地串联连接在它们之间。线路连接11和12经由线路而连接到上级控制单元1的电流接口并且因此与电流接口3一起形成电流环路。

电流接口3包括第一可控输入负载4，其被配置成根据接口电流6来提供供给电压2所基于的负载电压7。负载电压7落在第一可控输入负载4上。

现场设备耦合单元10进一步包括用于提供要被传输给控制单元1的通信信号25的电路布置8。为了将通信信号25传输给控制单元1，在接口电流6上叠加对应于通信信号25的电流信号9。

为了该目的，电路布置8被配置成根据通信信号25来控制第一可控输入负载4，以便从而使接口电流6叠加有对应于通信信号25的电流信号9。

与现有技术相比，以这种方式实现了如下优点：不用为了使接口电流6叠加有电流信号9而必须提供附加的叠加装置，而是代替地，使用已经存在用于提供负载电压7的第一可控输入装置4。因此，通过维持相同的功能性，可以决定性地降低现场设备耦合单元10的电路复杂度，其结果是简化了所述现场设备耦合单元10的构造，并且出于该原因，所述单元生产起来更加成本合算而且更不易于出错。

在图1中所示出的示例中，负载电压7被供应给电路布置8以使得所述电路布置可以根据所述负载电压7来生成供给电压2。然而，替换地，也可能的是供给电压2和负载电压7是相同的；亦即负载电压7直接被用作供给电压2。在这两种情况下，供给电压2都基于负载电压7。

供给电压2例如被用作用于现场设备5的执行器（此处未示出）的供给电压。替换地或附加地，供给电压2或负载电压7也可以被用作用于电路布置8和/或现场设备5的其它电路部分或电子组件的供给电压。

图2示出了现场设备耦合单元20的第二实施例。该第二实施例表示第一实施例的扩展方案，尤其是关于电流接口3和电路布置8的扩展方案。第二实施例的基本功能对应于第一实施例的基本功能并且将不在此处进行重复。

根据第二实施例，电流接口3包括具有三个连接点的分路电压调节器，作为第一可控输入负载4。第一连接点26电连接到第一线路连接11，而第二连接点电连接到第二线路连接12。第三连接点是以第一参考输入13的形式。电路布置8被配置成根据通信信号25来控制所述参考输入13。

根据第二实施例的一种可能的形式，使用来自Diodes股份有限公司的ZETEXZHT431组件，作为分路电压调节器。在这种情况下，使用端子Vz作为第一连接点26，使用端子GND作为第二连接点，并且使用端子VREF作为第三连接点或作为参考输入13。

以分路电压调节器的形式的第一可控输入负载4尤其是被配置成将负载电压7限制成所设置的电压值或限制成低于所设置的电压值。

为了设置该电压值，电路布置8包括分压器组件24，所述分压器组件24在所示出的示例中包括三个欧姆电阻器，具体来说为第一电阻器43、第二电阻器44和第三电阻器46。这三个电阻器串联连接在第一连接点26与接地节点27之间，第一电阻器43连接到第一连接点26，而第三电阻器46连接到接地节点27。优选地，第二线路连接12连接到接地节点47，以使得接地节点27有效地连接到第二线路连接12或与第二线路连接12短接。分压器组件24与第一可控输入负载4并联连接。第一电阻器43经由第一电路节点37连接到第二电阻器44。第二电阻器44经由第二电路节点38连接到第三电阻器46。第一电路节点37进一步连接到第一参考输入13，以使得将被施加到第一电路节点27的电压供应给第一参考输入13，作为第一参考电压。

电路布置8具有调制解调装置21，所述调制解调装置21在其输出端子22处提供要被传输给控制单元1的通信信号25。输出端子22借助于电容器23电耦合到参考输入13。在所示出的示例中，该耦合经由分压器组件24来进行，以使得在到第一参考输入13的控制路径上的通信信号25以这样的方式来缩放：使得从通信信号25的耦合中得到的电流信号9具有所期望的幅度，优选地具有可与HART协议兼容的幅度。为了该目的，电容器23经由第四电阻器45连接到第二电路节点38。

替换于输出端子到参考输入13的上述连接，输出端子22也可以借助于电容器23直接耦合到参考输入13。然后，通信信号25的缩放例如可以在调制解调装置21中进行。

调制解调装置21优选地是以HART调制解调器的形式，并且被配置成提供可与HART协议兼容的通信信号25、诸如FSK信号。调制解调装置21可以是以独立式组件或芯片的形式，或者可以是微控制器、FPGA或ASIC的功能单元。

电流接口3优选地基于模拟电流接口，诸如基于已知的4-20 mA电流接口，以使得接口电流可以采取4与20 mA之间的水平。

第五电阻器42与第一可控输入负载串联连接。优选地，第五电阻器42位于第一线路连接11与第一连接点26之间。第五电阻器42是分路电阻器，所述分路电阻器将流过电流接口的电流转换成电压信号并且将所述信号供应给仪表放大器31。仪表放大器将电压信号放大，而且将所述信号提供给连接到调制解调装置21的输入端子的第三电路节点29。调制解调装置21通过其例如实施解调来对电压信号进行处理，并且将从该电压信号获得的信息传输给处理器装置32。以这种方式，可以接收到从上级控制单元1传输给现场设备5或现场设备耦合单元20的电流信号。

处理器装置32的A/D转换器33进一步连接到电路节点29。A/D转换器33尤其被用于检测被施加到电路节点29的电压的水平，以便从而确定接口电流的水平以及从而确定被映射到接口电流的水平上的信息。

处理器装置32进一步包括数据接口34、控制输出35和控制信号接口36。数据接口34优选地是以UART接口的形式，而且被用于将要被传输给上级控制单元1的信息传送给调制解调装置21，以使得所述装置例如借助于调制来生成对应的通信信号25。数据接口34进一步被用于从调制解调装置21接收数据信号，该信号例如包含上文提及的从电压信号获得的信息。控制输出35优选地是以RTS输出的形式，而且例如被用于控制或操作在后文中描述的开关16。控制信号接口通常被用于将指令或数据传输给现场设备5的另一功能单元或者被用于从现场设备5的另一功能单元接收指令或数据。

在所示出的示例中，第一可控输入负载4的或分路电压调节器的第一连接点26连接到低通滤波器39的输入。替换于低通滤波器39，此处也可以使用回转器。低通滤波器39或回转器将用于能量供应的负载电压7的DC分量中继到供应路径，并且从而防止了电流信号9也溢出到该供应路径中。例如，DC到DC转换器连接在低通滤波器39或回转器的下游，而且低通滤波器39或回转器被配置成仅仅将负载电压7的或接口电流6的DC分量中继到DC到DC转换器41，而不使所述低通滤波器39或回转器的输入的低AC电压阻抗能够对电流信号9有破坏性的影响。低通滤波器或回转器优选地被配置为二阶滤波器。

DC到DC转换器41优选地被配置为降压/步降转换器，而且被用于负载电压7的电力调节，以使得可以向连接在下游的电子组件提供稳定的电力供应。DC到DC转换器41附加地被配置成在其充电电容器的特定电压范围内确保其输出电压的所限定的接通和关断。

第一参考输入13或第一电路节点37进一步连接到电压分支17。电压分支17包括与彼此串联连接的第六电阻器18和开关16。电压分支17附加地连接到接地节点19。开关16借助于处理器装置32的控制输出35来操作。如果开关16以导通方式来连接，那么施加在分压器组件24上的电压在第一电阻器43与互相连接的电阻器44、46和18的所得到的电阻之间进行分担。由于通过连接第六电阻器18降低了该所得到的电阻，因此降低了被施加到第一参考输入的第一参考电压。因此，使用电路分支17来选择性地降低第一参考电压。优选地，处理器装置33被配置成至少在调制解调装置21输出通信信号25时带来在该参考电压中的降低。

电压分支17在第二实施例中不是必需的并且也可以被省略。

在图2中组合地示出了被提供有附图标记17、21、24、32、33、34、35、39、41、42的上述元件或装置。然而，所述元件也可以例如在图1中所示出的现场设备耦合单元10的上下文中孤立地并且彼此无关地来提供。

被提供有附图标记17、21、24、32、33、34、35、39、41、42的上述元件或装置可以分别是以独立式组件的形式。替换地，所述元件或所述元件的子集也可以是以单个组件的功能单元的形式、例如以集成电路的功能单元的形式。

图3示出了现场设备耦合单元30的第三实施例。第三实施例基本上对应于第二实施例，但是附加地具有与第一可控输入负载4并联连接的两个输入负载组件48。

出于安全性的原因提供了两个可控输入负载组件48，以便在第一可控输入负载4失灵的情况下仍然能够确保对负载电压7进行限制。输入负载组件48分别包括第二可控输入负载14。优选地，第二可控输入负载14以与第一可控输入负载4相同的方式来配置。尤其是，第二可控输入负载14同样是分路电压调节器，诸如上文提及的ZETEX ZHT431。输入负载组件48进一步分别包括分压器。在这种情况下，分压器由电阻器49和51形成，并且与第二可控输入负载14并联连接。第二可控输入负载14包括第二参考输入15，可以在电阻器49与51之间分接的电压作为第二参考电压被施加到所述第二参考输入15。

在所描述的输入负载4和14的并联连接中，可能产生如下问题：第二输入负载14中的一个第二输入负载决定落在两个输入负载4与14上的负载电压7，以使得第一可控输入负载4不能够实现在负载电压7中的上述改变以便在接口电流6上传送电流信号9。

为了解决该问题，提供电压分支17，借助于所述电压分支17，可以将被施加到第一参考输入13的第一参考电压设置成低于被施加到相应的第二参考输入15的第二参考电压。为了该目的，相应地对分压器组件24的、输入负载组件48的和电路分支17的电阻器定参数。尤其是，以这样的方式对所述电阻器定参数：第一参考电压和叠加的通信信号25之和也低于第二参考电压。

借助于降低的第一参考电压，确保了负载电压7是由第一可控输入负载4决定的，以使得所述负载能够通过改变负载电压7来在电流接口6上叠加电流信号9。

替换于所示出的示例，也可以在每种情况下将电路分支17提供在输入负载组件48的第二参考输入处。在这种情况下，处理器装置32以这样的方式进行配置：在传送通信信号25时打开开关16，以使得第二参考电压从而被提升至高于第一参考电压。

作为附加的替换方案，也可能的是：省略电路分支17并且将分压器组件24的或输入负载组件48的电阻器以第一参考电压永久地低于第二参考电压的这样的方式来配置。

图4示出了由至少一个第一和至少一个第二现场设备耦合单元10a和10b构成的系统40。第一和第二现场设备耦合单元是根据上述现场设备耦合单元中的一个来配置的。第一和第二现场设备耦合单元10a和10b的在后文中描述的组件以与上文描述的具有相同名称的组件相同的方式进行配置。这些组件将不在此处再次描述。两个现场设备耦合单元10a和10b的电流接口3a和3b彼此并联连接，并且因此共享第一线路连接11和第二线路连接12。至少第一现场设备耦合单元10a的电路布置8a被配置成：至少在向第一现场设备耦合单元10a提供通信信号25a的同时，通过操作开关16a将被施加到第一现场设备耦合单元10a的第一可控输入负载4a的第一参考输入13a的第一参考电压设置成低于被施加到第二现场设备耦合单元10b的第一可控输入负载4b的参考输入13b的第一参考电压。替换地或附加地，第二现场设备耦合单元10b的电路布置8b被配置成：至少在向第一现场设备耦合单元10a提供通信信号25a的同时，通过操作开关16b将第二现场设备耦合单元10b的第一参考电压设置成高于第一现场设备耦合单元10b的第一参考电压。

两个现场设备耦合单元10a和10b都可以被用在相应的现场设备5中，所述相应的现场设备5没有在图4中示出。

根据第四实施例，两个现场设备耦合单元10a和10b或它们的电流接口3a和3b并联连接，并且因此可以连接到上级控制单元的唯一的电流接口并由其来供电。然而在这种情况下，产生了上文已经描述过的问题——亦即在两个输入负载并联连接的情况下，具有较低的参考电压的相应的输入负载决定落在输入负载上的负载电压。在该实施例中，为了解决该问题，至少电路布置8a被配置成：通过操作开关16a，降低被施加到第一参考输入13a的参考电压，以使得所述电压低于第二现场设备耦合单元10b的第一可控输入负载4b的参考电压。优选地，两个现场设备耦合单元都分别装配有对应的开关16a和16b，以使得第一现场设备耦合单元10a的参考电压或者第二现场设备耦合单元10b的参考电压选择性地被设置成分别低于相应的另一现场设备耦合单元10a和10b的参考电压，以使得对于这两个现场设备耦合单元10a和10b来说以上述方式借助于对相应的第一可控输入负载4a和4b的对应的控制来分别叠加电流信号9是可能的。

当有多个现场设备耦合单元并联连接时，将接口电流的水平设置成固定值（诸如20 mA）是有利的，以使得可以对现场设备耦合单元10a、10b中的每个现场设备耦合单元或相关联的现场设备中的每个现场设备充足地供电。然后，可以仅仅借助于电流信号9来进行通信。

Claims (19)

1.现场设备耦合单元（10；20；30），用于为现场设备（5）提供供给电压（2）并且用于与控制单元（1）通信，所述现场设备耦合单元（10；20；30）包括被配置用于与控制单元（1）通信并且具有第一可控输入负载（4）的电流接口（3），所述第一可控输入负载（4）被配置成根据所述电流接口（3）的接口电流（6）来提供所述供给电压（2）所基于的负载电压（7），所述现场设备耦合单元（10；20；30）进一步包括用于提供要被传输给所述控制单元的通信信号（25）的电路布置（8），其特征在于，所述电路布置（8）被配置成根据所述通信信号（25）来控制所述第一可控输入负载（4），以便使所述接口电流（6）叠加有对应于所述通信信号（25）的电流信号（9）。

2.根据权利要求1所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述第一可控输入负载（4）包括电压调节器，而且其特征在于，所述电路布置（8）被配置成根据所述通信信号来控制所述电压调节器。

3.根据权利要求1或2所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述第一可控输入负载（4）被配置成将所述负载电压（7）限制成所设置的电压值或限制成低于所设置的电压值。

4.根据权利要求1或2所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述电流接口（3）包括第一和第二线路连接（11、12），而且其特征在于，所述第一可控输入负载（4）串联连接在所述第一和第二线路连接（11、12）之间。

5.根据权利要求1或2所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述第一可控输入负载（4）具有第一参考输入（13）并且被配置成根据在被施加到所述第一参考输入（13）的电压中的改变来改变所述负载电压（7），而且其特征在于，所述电路布置（8）被配置成将第一参考电压供应给所述第一参考输入并且被配置成使所述第一参考电压叠加有所述通信信号（25）。

6.根据权利要求5所述的现场设备耦合单元（30），其特征在于，至少一个第二可控输入负载（14）与所述第一可控输入负载（4）并联连接，所述至少一个第二可控输入负载（14）包括第二参考输入（15），第二参考电压被施加到所述第二参考输入（15），而且其特征在于，所述第一可控输入负载（4）的所述第一参考输入（13）和所述第二可控输入负载（14）的所述第二参考输入（15）以这样的方式来连接：所述第一参考电压永久地低于所述第二参考电压。

7.根据权利要求5所述的现场设备耦合单元（30），其特征在于，至少一个第二可控输入负载（14）与所述第一可控输入负载（4）并联连接，所述至少一个第二可控输入负载（14）包括第二参考输入（15），第二参考电压被施加到所述第二参考输入（15），而且其特征在于，所述电路布置（8）被配置成：通过操作开关（16）将所述第一参考电压设置成低于所述第二参考电压；和/或被配置成：通过操作开关（16）将所述第二参考电压设置成高于所述第一参考电压。

8.根据权利要求7所述的现场设备耦合单元（30），其特征在于，所述电路布置（8）包括具有所述开关（16）的第一电路分支（17）。

9.根据权利要求5所述的现场设备耦合单元（20；30），其特征在于，所述电路布置（8）包括：调制解调装置（21），所述调制解调装置（21）被配置成将所述通信信号提供给输出端子（22）和连接在所述输出端子（22）与所述第一参考输入（13）之间的电容器（23），而且被配置成借助于所述电容器（23）将提供给所述输出端子（22）的通信信号耦合到所述第一参考输入（13）中。

10.根据权利要求9所述的现场设备耦合单元（20；30），其特征在于，在所述调制解调装置（21）的输出端子（22）与所述第一参考输入（13）之间提供分压器组件（24），所述分压器组件（24）被配置成将叠加了所述第一参考电压的通信信号的幅度缩放预先确定的因子。

11.根据权利要求10所述的现场设备耦合单元（20；30），其特征在于，所述分压器组件（24）进一步用于提供所述第一参考电压。

12.根据权利要求1或2所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述现场设备耦合单元（10）被配置成基于所述负载电压（7）和/或所述供给电压（2）来操作所述电路布置（8）。

13.根据权利要求1或2所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述电流接口（3）是4-20 mA电流接口。

14.根据权利要求1或2所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述现场设备耦合单元（10）被配置成根据HART协议借助于所述电流接口（3）来与所述控制单元通信，所述电路布置被配置成以这样的方式来提供所述通信信号（25）：叠加了所述接口电流的电流信号能与所述HART协议兼容。

15.根据权利要求2所述的现场设备耦合单元（10；20；30），其特征在于，所述电压调节器为分路电压调节器。

16.根据权利要求8所述的现场设备耦合单元（30），其特征在于，所述第一电路分支（17）包括电阻器（18）。

17.根据权利要求8所述的现场设备耦合单元（30），其特征在于，所述电路分支（17）连接在接地节点（19）与第一或第二参考输入（13、15）之间。

18.根据权利要求11所述的现场设备耦合单元（20；30），其特征在于，所述分压器组件（24）连接在所述第一可控输入负载（4）的第一连接点（26）与接地节点（27）之间。

19.一种系统（40），包括根据前述权利要求中任一项所述的现场设备耦合单元，以作为第一现场设备耦合单元（10a），以及根据前述权利要求中的任一项所述的另外的现场设备耦合单元，以作为第二现场设备耦合单元（10b），其特征在于，所述第一和第二现场设备耦合单元（10a、10b）的电流接口（3a、3b）彼此并联连接，而且其特征在于，所述第一和第二现场设备耦合单元（10a、10b）中的至少一个现场设备耦合单元的电路布置（8a）被配置成：至少在向所述第一现场设备耦合单元（10a）提供通信信号（25a）的同时，通过操作开关（16a）将被施加到所述第一现场设备耦合单元（10a）的第一可控输入负载（4a）的参考输入（13a）的第一参考电压设置成低于被施加到所述第二现场设备耦合单元（10b）的第一可控输入负载（4b）的参考输入（13b）的第一参考电压；或者被配置成：至少在向所述第一现场设备耦合单元提供所述通信信号的同时，通过操作开关将所述第二现场设备耦合单元的第一参考电压设置成高于所述第一现场设备耦合单元的第一参考电压。

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