CN113966493A - 自动化现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化现场设备(F)，具有：用于连接现场设备(17)的至少四个连接引脚(1、2、3、4)；以及现场设备电子设备单元(16)，其被设计为在第一操作状态下经由第一和第二连接引脚(1、2)提供4‑20mA信号，在第二操作状态下经由第一和第三连接引脚(1、3)被供给有电源电压，以及经由第四连接引脚(4)实现IO链接通信或者提供第一开关输出(Q1)并且附加地在第二连接引脚(2)提供第二开关输出(Q2)，并且在第三操作状态下经由第一和第三连接引脚(1、3)被供给有电源电压，以及经由第四连接引脚(4)实现IO链接通信或者提供第一开关输出(Q1)并且附加地在第二连接引脚(2)提供4‑20mA功率输出，所述现场设备电子设备单元(16)还被设计为被配置成使得其能够选择性地在三个操作状态之一中操作。

Description

自动化现场设备

技术领域

本发明涉及一种自动化现场设备。

背景技术

在自动化技术中，尤其是在过程自动化技术中，经常应用现场设备，其用于记录和/或影响过程变量。用于记录过程变量的是传感器，例如料位测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、pH-氧化还原电势测量设备、电导率测量设备等，其记录相应的过程变量、料位、流量、压力、温度、pH值和电导率。用于影响过程变量的是致动器(例如阀或泵)，通过该致动器可以改变管道部分中的液体的流动或容器中的料位。原则上，被称为现场设备的是应用在过程附近并且传送或处理过程相关信息的所有设备。因此，与本发明相关的术语现场设备尤其也涉及远程I/O、无线电适配器以及通常在现场级布置的设备。

大量的这种现场设备由Endress+Hauser公司生产和销售。

由于历史的原因，这些通常经由双导体线路(即具有两个单独形成的引线的线路)连接到上级单元，例如控制器(PLC)或控制系统。在这种情况下，双导体现场设备被实施为使得测量值或致动值作为过程变量经由双导体线路或双导体电缆以模拟形式作为4-20mA回路电流、从而作为电流信号被传达，即被发送。在这种情况下，由现场设备和上级单元将双导体线路的回路电流设置在与所记录的过程变量相对应的特定值。

此外，现场设备也可以经由双导体线路来供给能量。然而，在这种情况下，仅有非常有限的能量可用于现场设备。替代地，在需要比经由双导体线路能够提供给现场设备的能量更多的能量的情况下，现场设备也能够经由三线或四线线路连接。例如，当必须更频繁地进行测量时，这可能是必要的。在使用三线或四线线路的情况下，能量在单独的线路对上传输，并且测量值或致动值以4-20mA信号的形式在第三线路上传输。

除了现场设备经由双导体线路的“传统”连接之外，在其中测量值或致动值经由4-20mA信号传输的情况下，使用越来越新的传输/通信设备。这些系统之一是IO链接。IO链接是一种用于连接智能传感器和致动器的通信装置，其基于2013年9月的标题为“Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators(用于小型传感器和致动器的单路数字通信接口)”(SDCI)的IEC 61131-9标准。

通常，现场设备制造商生产用于4-20mA信号或IO链接操作的现场设备。即，位于现场设备单元中的现场设备电子设备被给予用于4-20mA操作或IO链接操作的硬件。另外，现场设备电子硬件能实现两线、三线或四线操作。这意味着，必须为实际上每个操作状态或操作特征的组合制造特殊现场设备电子设备。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有建立在“一种设计适合所有”概念上的现场设备电子设备的现场设备，其因此可以灵活地设置成期望操作状态。

根据本发明，该目的通过如权利要求1中限定的自动化现场设备来实现。

本发明的自动化现场设备包括：

-至少四个连接引脚，用于连接现场设备；

-现场设备电子设备，其适于：在第一操作状态下，经由第一和第二连接引脚提供4-20mA信号；在第二操作状态下，经由第一和第三连接引脚被供给有电源电压，以及经由第四连接引脚使能IO链接通信或者提供第一开关输出并且补充地在第二连接引脚上提供第二开关输出；并且在第三操作状态下，经由第一和第三连接引脚被供给有电源电压，以及经由第四连接引脚使能IO链接通信或者提供所述第一开关输出并且补充地在所述第二连接引脚上提供4-20mA电流输出，其中，所述现场设备电子设备还适于被配置为使得能够选择性地在三个操作状态之一中操作。

本发明的现场设备的有利实施例提供现场设备电子设备还适于自动地检测经由所述第四连接引脚是否发生或应当发生所述IO链接通信或者所述第四连接引脚是否被用作所述第一开关输出。特别地，该实施例可以提供根据连接到所述第四连接引脚的设备而发生自动检测。

本发明的现场设备的另一有利实施例提供在经由所述第一和第二连接引脚提供所述4-20mA信号的第一操作状态中，所述第三和第四连接引脚被去激活。

本发明的现场设备的另一有利实施例提供现场设备电子设备经由实现所述IO链接通信的第四连接引脚被适配为对应于所述三个操作状态之一来加以配置。特别地，实施例可以提供所述配置在自动化工厂中的现场设备的启动之前发生，尤其是在所述现场设备的组装中或期间发生。

本发明的现场设备的另一有利实施例提供为了在所述第三操作状态中操作现场设备电子设备，外部负载电阻被连接在所述第二连接引脚和所述第三连接引脚之间。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图示出如下：

图1是具有适于在第一操作状态下操作的现场设备电子设备的本发明的现场设备的框图，

图2是具有适于在第二操作状态下操作的现场设备电子设备的本发明的现场设备的框图，以及

图3是具有适于在第三操作状态下操作的现场设备电子设备的本发明的现场设备的框图。

具体实施方式

图1至图3都示出现场设备17，该现场设备17在硬件方面具有均匀地、相等地形成的现场设备电子设备16。该均等地实施的现场设备电子设备在每种情况下包括：四个连接引脚1、2、3、4，经由这些引脚可以将现场设备17连接到自动化工厂中；EMC滤波器5，其在连接引脚1、2、3、4之后，用于保护现场设备17免受可能的EMC干扰；电子设备电源单元6，其用于内部能量供给；微处理器7，其用于现场设备电子设备16的内部控制；传感器或致动器元件8，其用于视情况而记录或设置测量值或致动值；负载电阻9以及4-20mA电流调节器10，该电流调节器10与负载电阻9一起设置电流值I。此外，现场设备电子设备16包括用于实现IO链接操作的辅助电路12以及用于实现IO链接通信的IO链路单元13，该辅助电路12用于形成第一和第二辅助路径12a、12b。在这种情况下，IO链路单元13经由EMC滤波器利用第四连接引脚4与第一输出路径13a连接，使得经由第四连接引脚4可以发生双向IO链接通信。而且，IO链路单元13经由EMC滤波器5利用第三连接引脚3与供电路径13b连接，并且经由EMC滤波器利用第一连接引脚1与供电路径13c连接。IO链路单元13经由开关单元14和EMC滤波器5与第二连接引脚2补充连接。开关单元14以第二连接引脚2可以作为第二开关输出Q2或者作为(有源或者在双导体操作中无源的)电流输出来操作的方式实施，在该电流输出上输出4-20mA信号。例如，可以借助于微处理器来发生开关单元14的配置。这例如可以经由控制信号来操作辅助电路，该辅助电路将控制信号转发给开关单元。

作为补充或替代，配置可以经由IO链接通信(例如借助于连接到第四连接引脚4的IO链接主控设备)来发生。这可以例如通过现场设备制造商在组装现场设备17时或期间发生。

为了能够控制IO链路单元13和辅助电路12，微处理器经由第一和第二控制线路7a和7b与IO链路单元13连接，并且经由第三控制线路7c与辅助电路12连接。为了能够协调微处理器7和IO链路单元13之间的可能电压电平差，可以将第一电平变换器15a引入第一控制线路7a，并且将第二电平变换器15b引入第二控制线路7b。

此外，现场设备电子设备可以包括例如触摸显示器的形式的显示器和/或输入单元11。经由显示器和/或输入单元11，例如，可以显示测量值或致动值，或者可以执行现场设备17的参数化。

由于一致地实施的现场设备电子设备16，根据本发明，这可以在不同操作状态下操作。图1至3示出不同操作状态，其中为了清楚起见，在每种情况下用虚线示出不活跃的电连接，用细线示出用于数据传输的电连接，用中线示出用于能量传输的电连接，并且用粗线示出用于能量传输和数据传输的电连接。

首先，现场设备电子设备16可以诸如图1所示在第一操作状态下操作，其是纯4-20mA双线操作。在这种情况下，双导体线路连接到第一和第二连接引脚1和2，以便向现场设备电子设备16施加电压。电流I经由EMC滤波器5在第一数据和/或能量供给路径或4-20mA路径6a上被馈送到电子设备电源单元6，该路径在第一操作状态下表示4-20mA输入路径(在图1中由粗线引出)。在第一操作状态，一方面，所供给的电流I馈送电子设备电源单元6，以便其能够提供内部操作电压，另一方面，电流I提供4-20mA信号的形式的信号，通过该信号能够发送测量值或致动值。例如，当现场设备被实施为传感器，即具有传感器元件时，电流可以经由4-20mA电流调节器10与对应于由传感器元件记录的过程变量的负载电阻9一起被设置，以便随后被发送到上级单元(图1中未示出)。为了能够实现纯4-20mA双线操作，开关单元14被配置成使得来自负载电阻9的电流I经由4-20mA输出路径9a被引导到第二连接引脚2。

此外，现场设备电子设备16可以诸如图2所示在第二操作状态下操作。在第二操作状态，经由第一和第三连接引脚1、3向现场设备电子设备16供给电源电压。在这种情况下，经由第一数据和/或能量供给路径或4-20mA路径6a向IO链路单元13和电子设备电源单元6供给能量，该路径在第二操作状态中表示纯能量供给路径(在图2中由具有中等粗细的线指示)。

此外，在第二操作状态，经由第四连接引脚4，实现IO链接通信，或者备选地提供第一开关输出Q1。此外，在第二操作状态，在第二连接引脚2上提供第二开关输出Q2。为此，开关单元14在4-20mA输出路径和第三输出路径13d之间切换。在第二操作状态，现场设备电子设备16经由内部供给辅助路径供给，该供给辅助路径可以通过基准二极管12c引导。然而，为此，需要大约10V的更高的电源电压。基准二极管12c可以是辅助电路12的一部分。供给辅助路径包括第三控制线路7c、第二辅助路径12b和第八辅助路径9b。

此外，现场设备电子设备16还可适于自动检测是否应经由第四连接引脚4发生与外部IO链接主控设备的IO链接通信，或者是否应将第四连接引脚用作第一开关输出Q1。为了自动检测，现场设备电子设备16例如可以适于监视第四连接引脚4，是否被外部IO链接主控设备快速拉到反相开关状态。

此外，现场设备电子设备16可以诸如图3所示在第三操作状态操作。在第三操作状态，再次经由第一和第三连接引脚1、3向现场设备电子设备16供给电源电压。同样在第三操作状态，经由第四连接引脚4，实现IO链接通信或提供第一开关输出Q1。此外，在第二连接引脚2上提供4-20mA电流输出。在第三操作状态下，外部(现场设备外部)负载电阻18可以连接在连接引脚3和连接引脚2之间。在这种情况下，经由在第一连接引脚1上馈送的4-20mA电流I向现场设备电子设备供给能量。

如果在连接引脚2和3之间没有连接外部负载电阻18，则在第三操作状态中，与在第二操作状态中完全一样，经由内部供给辅助路径向现场设备电子设备16供给能量。

参考标记列表

1 第一连接引脚

2 第二连接引脚

3 第三连接引脚

4 第四连接引脚

5 EMC滤波器

6 电子设备电源单元

6a 第一数据和/或能量供给路径/4-20mA路径

7 微处理器

7a 第一控制线路

7b 第二控制线路

7c 第三控制线路

8 传感器或致动器元件

9 负载电阻

9a 4-20mA输出路径

9b 第八辅助路径

10 4-20mA电流调节器

11 显示器和/或输出单元

12 辅助电路

12a 第一辅助路径

12b 第二辅助路径

12c 基准二极管

13 IO链路单元

13a 到连接引脚4的第一输出路径

13b 到连接引脚3的第二输出路径

13c 供给路径

13d 到连接引脚2的第三输出路径

14 开关单元

15a IO链路单元与微处理器之间的第一电平变换器

15b 微处理器与IO链路单元之间的第二电平变换器

16 现场设备电子设备

17 现场设备

18 外部负载电阻

I 电流

Q1 第一开关输出

Q2 第二开关输出

Claims (7)

1.一种自动化现场设备(F)，包括：

-至少四个连接引脚(1、2、3、4)，用于连接现场设备(17)；

-现场设备电子设备(16)，其适于：在第一操作状态下，经由第一和第二连接引脚(1、2)提供4-20mA信号；在第二操作状态下，经由第一和第三连接引脚(1、3)被供给有电源电压，并且经由第四连接引脚(4)使能IO链接通信或者提供第一开关输出(Q1)并且补充地在第二连接引脚(2)上提供第二开关输出(Q2)；并且在第三操作状态下，经由第一和第三连接引脚(1、3)被供给有电源电压，以及经由第四连接引脚(4)使能IO链接通信或者提供所述第一开关输出(Q1)并且补充地在所述第二连接引脚(2)上提供4-20mA电流输出，其中，所述现场设备电子设备(16)还适于被配置为使得能够选择性地在三个操作状态之一中操作。

2.根据权利要求1所述的自动化现场设备，其中，所述现场设备电子设备(16)还适于自动地检测经由所述第四连接引脚(4)是否发生或应当发生所述IO链接通信或者所述第四连接引脚(4)是否被用作所述第一开关输出(Q1)。

3.根据前述权利要求所述的自动化现场设备，其中，根据连接到所述第四连接引脚(4)的设备而发生自动检测。

4.根据前述权利要求中的一项所述的自动化现场设备，其中，在经由所述第一和第二连接引脚(1、2)提供所述4-20mA信号的第一操作状态中，所述第三和第四连接引脚(3、4)被去激活。

5.根据前述权利要求中的一项所述的自动化现场设备，其中，所述现场设备电子设备(16)经由实现所述IO链接通信的第四连接引脚(4)被适配为对应于所述三个操作状态之一来加以配置。

6.根据前述权利要求所述的自动化现场设备，其中，配置在自动化工厂中的现场设备(17)的启动之前发生，尤其是在所述现场设备的组装中或期间发生。

7.根据前述权利要求中的一项所述的自动化现场设备，其中，为了在所述第三操作状态中操作现场设备电子设备，外部负载电阻(18)被连接在所述第二连接引脚(2)和所述第三连接引脚(3)之间。

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