CN114365061A

CN114365061A - 现场设备

Info

Publication number: CN114365061A
Application number: CN202080063473.XA
Authority: CN
Inventors: 比约恩·瓦尔泽; 罗伯特·卢格力; 米夏埃尔·施纳克; 费边·施莫兹
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-08-20
Also published as: EP4031944A1; US11913976B2; US20220334149A1; EP4031944B1; CN114365061B; WO2021052710A1; DE102019125150A1

Abstract

本发明涉及一种包括安全接口(11)的现场设备(1)以及用于操作所述现场设备(1)的对应方法。所述现场设备(1)基于两个电流控制器(12、13)，它们被设计成调节所述接口(11)的对应触点(111‑114)之间的相应电流(a₁、a₂)。这样，所述现场设备(1)检查所述触点(111‑114)中的哪个触点将所述现场设备(1)连接到更高级的单元(4)，使得能够以对应的传输标准执行所述接口(11)的自动配置。通过两个电流控制器(12、13)以循环重复的方式检查与更高级的单元(4)的接触，确保所述现场设备(1)即使在测量操作期间也能够确定与所述接口(11)的接触的改变并且自动反应。这使得所述接口(11)安全，从而增加了其中安装所述现场设备(1)的处理系统的安全性。

Description

现场设备

技术领域

本发明涉及一种具有安全接口的现场设备以及一种用于操作这种现场设备的对应方法。

背景技术

在自动化技术中，尤其在过程自动化技术中，经常应用现场设备，其用于记录和/或影响各种测量变量。待确定的测量变量可以是例如介质的填充水平、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电势、电导率或介电值。为了记录对应的测量值，现场设备具有应用适当测量原理的合适传感器。大量的这种现场设备由Endress+Hauser公司生产和销售。

为了将现场设备的测量值发送到上级单元，例如发送到过程控制站，由于历史原因在自动化技术中仍然广泛地使用基于4-20mA(毫安)标准的信号。使用这种模拟信号，可以确保测量值的安全和简单的数据传输。根据4-20mA标准(如在DIN IEC 60381-1中所定义)，回路的两条线路的直流被设置成使得其表示过程变量的电流值。相反，在基于电压的标准化信号的情况下，在两条线路之间测量对应的电压值。如果现场设备是两导体现场设备，则经由相同的两个导体发生现场设备的能量供应和测量信号的传输。在四导体接口的情况下，能量供应经由两个附加导体单独地发生。例如，在DE102013114377A1中示出了具有4-20mA接口的现场设备。

在现代加工工厂中，测量值的传输以及与现场设备的通信通常也基于数字传输标准(诸如例如根据IEC标准61131-9的“IO链路”、“PROFIBUS”、“HART”、“无线HART”或“以太网”)而越来越多地发生。因此，现代的现场设备必须具有接口，经由该接口既可以根据模拟标准(诸如4mA-20mA)发送测量值，也可以通过对应的其它标准执行数字通信。

具有对应接口的现场设备在市场上可购到。在这种情况下，现场设备必须在启动之前被装备，以根据期望的标准来发送测量值。在这种连接中，在多极接口诸如M12插头连接的情况下，它还必须更早地建立，测量值要经由接口的哪些触点发送。因此，在现场设备的重新布线的情况下，例如在使用新地点的情况下，现场设备在给定情况下也必须被设置用于新传输标准。如果不这样做，则尤其是在模拟传输标准的情况下，存在上级单元将对由所发送的信号携带的测量值进行错误解释的危险。取决于过程类型，这可以在过程安装中引起危险情况，例如介质的过热、过量填充或过度酸化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有安全接口的现场设备。

本发明通过一种用于测量测量变量的现场设备来实现该目的，所述现场设备包括：

-传感器，所述传感器被设计成测量对应的测量值，

-接口，所述接口具有至少四个电触点，诸如M12插头触点，

-第一电流调节器，所述第一电流调节器被设计成

ο当所述现场设备经由所述接口被接触使得第一电压源跨所述第一触点和所述第二触点被连接时，在这些触点之间设置第一电流，

-第二电流调节器，所述第二电流调节器被设计成，

ο当所述现场设备经由所述接口被接触使得第二电压源跨所述第一触点和所述第三触点被连接时，在这些触点之间时，设置第二电流，

ο否则，生成第二信号，以及

-控制单元，所述控制单元被设计成，

ο当所述第二电流能够在所述第一触点和所述第三触点之间设置时，经由所述第四触点根据预定义的数字标准(尤其是IO链路标准)发送所述测量值，以及

ο以如下方式控制所述第一电流调节器，使得当所述第二电流调节器生成所述第二信号时，所述第一电流的电流电平根据预定义的电流信号标准(尤其是4-20mA标准)对应于所述测量值。

在这种情况下，在本发明的上下文中，术语“单元”原则上是指任何电子电路，其被适当地设计用于预期应用。因此，根据需要，它可以是用于产生或处理对应的模拟信号的模拟电路。它可以甚至是数字电路，诸如FPGA或与程序协作的存储介质。在这种情况下，程序被设计为执行对应的方法步骤，或者应用单元的所需计算机操作。在该上下文中，填充水平测量设备的不同电子单元在本发明的范围内也可能使用通过相同的物理的数字电路所操作的共享的物理存储器。

根据本发明，实现两个电流调节器使得能够以冗余方式检查现场设备经由触点中的哪个触点与上级单元接触，使得现场设备本身可以设置合适于此的传输标准。为此，第一电流调节器被有利地设计成当现场设备以跨第一触点和第二触点没有电压源被连接的方式被接触时，生成第一信号。基于此，第一电流调节器可以向控制单元报告测量值至少不能经由模拟标准发送。当第一电流调节器包括用于控制第一电流的电流电平的可控制的运算放大器时，它可以在第一电流不能设置的情况下即控制单元将运算放大器的控制信号检测为第一信号并且运算放大器饱和工作的情况下非常容易地被检测到。

此外，本发明的现场设备可以被设计成使得取决于接口的接触，第一电压源或第二电压源向第一电流调节器、第二电流调节器和/或控制单元供应电力。这样，不需要提供现场设备的单独电源，例如电池。

与本发明的根据上述实施例之一的现场设备相对应，本发明的目的还通过用于其操作的对应方法来实现。在这种情况下，该方法包括用于从现场设备发送测量值的方法步骤如下：

-测量所述测量值，

-当所述现场设备经由所述接口被接触使得第二电压源跨所述第一触点和所述第三触点被连接时，在这些触点之间设置所述第二电流，否则

-生成所述第二信号，

-当没有生成所述第二信号时，经由所述第四触点根据预定义的数字协议发送所述测量值，

-当所述现场设备经由所述接口被接触使得第一电压源跨所述第一触点和所述第二触点被连接时，在这些触点之间设置所述第一电流，否则

-生成所述第一信号，

其中，至少当没有生成所述第一信号时，循环重复方法步骤。否则，仅重复以下步骤：测量所述测量值、经由所述第四触点根据预定义的数字协议发送所述测量值、设置所述第一电流和可能生成所述第一信号。

由于该方法及其循环重复，确保了现场设备即使在测量操作期间也能够检测接触的改变并且自动对其做出反应，而不需要必须手动改变现场设备的配置。这样，由于避免了上级单元对所发送的信号的可能的错误解释，因此提高了加工工厂的安全性。

当生成第二信号时，该方法可以通过以下方法步骤扩展：

-控制所述第一电流调节器，使得所述第一电流(a₁)的电流电平根据预定义的电流信号标准对应于所述测量值，

在这种情况下，继而，当在操作第一电流调节器之后生成第一信号时，循环重复所有方法步骤。在另一种情况下，仅重复测量测量值和控制第一电流调节器，使得第一电流的电流电平根据预定义的电流信号标准对应于测量值。这样，现场设备可以独立地检测到上级单元的布线是否被改变，并且因此需要接口的重新配置。

为了在有疑问的情况下能够快速地确定接口的必要的重新配置，在本发明的上下文中有利的是，在第二电流调节器在第一触点和第三触点之间设置第二电流之后最多300ms(毫秒)，就在第一触点和第二触点之间设置第一电流。这样，可以相应地提高该方法循环重复的速率。

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是在容器上示出的并且经由接口连接到上级单元的本发明的现场设备，

图2是现场设备的等效电路图，以及

图3是用于操作现场设备的本发明的方法的流程图。

具体实施方式

为了提供对本发明的一般理解，图1示意性地示出了其中放置了介质2(诸如例如化学品、谷物、水泥、水、液化气或散装货物)的容器3。为了确定与过程安装相关的测量变量(因此测量变量诸如温度、压力或填充水平)，在容器3上横向安装本发明的现场设备1。为了将对应的测量值发送到上级单元4，或者为了与上级单元交换其它测量设备特定数据，现场设备1包括合适的接口11。上级单元4可以是例如用于监视加工工厂的过程控制站。

在过程自动化领域中用于发送测量值的已建立的模拟标准是4-20mA标准。在这种情况下，第一直流a₁的值随着测量值线性地改变。这意味着4mA的电流电平对应于测量值的0％，而20mA等于测量值的100％。在填充水平测量的情况下，例如，4mA因此对应于完全空的容器3。12mA对应于50％填充的容器3。并且完全填充的容器3由20mA电流电平的信号表示。因此，现场设备1的接口11需要诸如图2所示的至少两个电触点111、112来实现4-20mA标准。在这种情况下，由现场设备1的第一电流调节器12设置4-20mA信号的第一电流a₁。在最简单的情况下，为了控制第一电流a₁，第一电流调节器12可以基于运算放大器来操作，该运算放大器例如作为电压电流转换器而被连接。第一电流调节器12继而由控制单元14(诸如例如微控制器)通过对应的控制信号来控制。在这种情况下，控制单元14从被适当地设计用于测量测量变量的传感器10获得测量值。

在图2所示的现场设备1的实施例的情况下，控制单元14以及第一电流调节器12两者都经由接口11从上级单元4被供应有所需的电力。在图2的电路图中，该电力供应通过第一电压源Q₁经由接口11的第一触点111和第二触点112来提供。与之类似，取决于功能原理，传感器10也可以从相同的源(图2中未明确示出)供应电力。

在4-20mA标准中有利的是，现场设备1和上级单元4之间的中断线路容易被识别为干扰，因为在这种情况下完全中断第一电流a₁。然而，在这种标准中不利的是相对高的电流消耗和唯一有条件地存在的机会来(补充测量值地)发送附加数据或参数。因此，现代加工工厂中的测量值传输越来越纯粹地以数字为基础发生。

为了能够在不同的使用领域中可变地应用，现场设备1的接口11被灵活地设计，使得测量值可以根据4-20mA模拟标准或与其它数据一起发送，也使用基于数字的传输标准发送。对此的数字标准包括例如根据IEC标准61131-9的“IO链路”、“PROFIBUS”、“HART”、“无线HART”和“以太网”。因此，如图2所示，现场设备1的接口11除了包括用于基于4-20mA的测量值传输的两个触点111、112之外，还包括两个其它触点113、114。由于IO链路标准需要三个触点111、113、114，因此，它在这种情况下对应地是控制单元14经由第四触点114通过该标准发送测量值或其它参数的选项，其中，在这种情况下，接口11的第三触点113用作接地电位。与图示相反，控制单元14可以使用单独的IO链路模块以用于生成对应的信号，该单独的IO链路模块仅在配置接口11用于基于IO链路的传输的情况下才被激活。在接口11的这种配置的情况下，控制单元14可以经由第一触点111从上级单元4被供应电力。在图2所示的等效电路图中，这继而由连接在第一接触111和第三接触113之间的第二电压源Q₂提供。接口11例如可以设计为呈M12插头连接或具有至少四个触点的类似插头连接类型的形式。

在容器3上启动的情况下，现场设备1必须被配置用于接口11要使用的至少两个潜在可能标准。此外，接口11的对应触点111-114必须被正确地接触。如果这种情况没有发生，则在最坏的情况下，这可能导致错误的布线或错误的配置没有被上级单元4检测到并且所发送的信号被解释为测量值而不是正确地反映实际测量值的事实。

根据本发明，现场设备1因此附加地包括第二电流调节器13，该第二电流调节器布置在接口11的第一触点111和第三触点113之间。以这种方式，当现场设备1经由接口11接触，使得上级单元4和第二电压源Q₂跨第一触点111和第三触点113被接触时，可以在这些触点111、113之间设置第二电流a₂。在这种情况下，第二电流a₂达到作为电流电平的较低值，例如200μA(微安)。当可以通过第二电流调节器13设置第二电流a₂时，现场设备1因此被配置为使得其通过预定义的数字协议(诸如IO链路)经由第四触点114来发送测量值或其它参数。

在可以通过第二电流调节器13在第一触点111和第三触点113之间设置第二电流a₂的情况下，然而第一电流调节器12也被激活，以便为了安全起见，检查上级单元4(因此第一电压源Q₁)是否跨用于电力供应的第一触点111和用于将第一电流信号a₁接地的第二触点112被连接。在这种情况下，在第二电流调节器13在第一触点111和第三触点113之间设置第二电流a₂之后在非常接近的时间(例如300ms)发生第一电流调节器12的操作。为了仅检查是否可以在第一触点111和第三触点113之间设置第一电流a₁，其电流电平不必对应于根据4-20mA标准的测量值。相反，可以使用明显较低的电流电平，例如，同样可以使用200μA。

如果测试示出第一电流a₁不能通过第一电流调节器12设置，则这被解释为确认三个触点111、113、114仍然与上级单元4连接以用于数字数据传输。因此，经由第四触点114的数字数据传输保持是活动的。第一电流调节器12通过对应的第一信号S_f1向控制单元14发信号通知第一电流a₁是不能设置的。当第一电流调节器12基于运算放大器时，在运算放大器饱和操作的情况下，因此当试图将第一电流a₁设置为无效时，控制单元14可以例如检测运算放大器的控制信号作为第一信号S_f1。

当通过第一电流调节器12的测试示出第一电流a₁不能被设置，并且因此测量值不能作为模拟数据经由触点111、112发送时，在这种情况下，第一电流调节器12可以被去激活。图3示意性地示出了这些方法步骤。

虽然这些上述方法步骤被循环重复，但是只要第二电压源Q₂跨第一触点111和第三触点113被连接，或者只要第一电流a₁不能设置，现场设备1的控制单元14就可以在其发生时立刻检测到情况的变化：

如果控制单元14由于第一电流调节器12的缺失的第一信号S_f1而检测到现在可以设置在第一触点111和第二触点112之间的第一电流a₁，则控制单元14从中推断现场设备1此后被配置为现在将通过模拟测量值传输经由这些触点111、112发送测量值。为了检查这一点，第二电流调节器13被(或保持)激活，以便验证现在在第一触点111和第三触点113之间实际上没有第二电流a₂可以被设置。在对应验证的情况下，因此当第二电流调节器13向控制单元14发送对应信号S_f2时，控制单元14控制第一电流调节器12，使得第一电流a1对应于由传感器10根据4mA-20mA标准所测量的测量值。

图3概括地示出了本发明的方法。这里的优点在于，两个电流调节器12、13实际上冗余地检查现场设备1经由触点111-114中的哪个触点与上级单元4接触，使得可以设置对应的传输标准。通过方法步骤的循环重复，确保了现场设备1即使在测量操作期间也确定接触的改变，并且能够自动地反应，而不需要必须手动地改变现场设备1的配置。这补充地提高了整个加工工厂的安全性。

参考标记列表

1 现场设备

2 填充物

3 容器

4 上级单元

10 传感器

11 接口

12 第一电流调节器

13 第二电流调节器

14 控制单元

111 第一触点

112 第二触点

113 第三触点

114 第四触点

141 电流测量设备

a₁ 第一电流

a₂ 第二电流

Q₁ 第一电压源

Q₂ 第二电压源

S_f1 第一信号

S_f2 第二信号

Claims

1.一种用于测量测量变量的现场设备，包括：

-传感器(10)，所述传感器(10)被设计成测量对应的测量值，

-接口(11)，所述接口(11)具有至少四个电触点(111-114)，

-第一电流调节器(12)，所述第一电流调节器(12)被设计成

○当所述现场设备(1)经由所述接口(11)被接触使得第一电压源(Q₁)跨所述第一触点(111)和所述第二触点(112)被连接时，在这些触点(111、112)之间设置第一电流(a₁)，

-第二电流调节器(13)，所述第二电流调节器(13)被设计成，

○当所述现场设备(1)经由所述接口(11)被接触使得第二电压源(Q₂)跨所述第一触点(111)和所述第三触点(113)被连接时，在这些触点(111、113)之间设置第二电流(a₂)，

o否则，生成第二信号(S_f2)，以及

-控制单元(14)，所述控制单元(14)被设计成，

○当能够在所述第一触点(111)和所述第三触点(113)之间设置所述第二电流(a₂)时，经由所述第四触点(114)根据预定义的数字标准发送所述测量值，以及

o控制所述第一电流调节器(12)，使得当所述第二电流调节器(13)生成所述第二信号(S_f2)时，所述第一电流(a₁)的电流电平根据预定义的电流信号标准对应于所述测量值。

2.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述第一电流调节器(12)被设计成当所述现场设备(1)以跨所述第一触点(111)和所述第二触点(112)没有电压源(Q₁)被连接的方式被接触时，生成第一信号(S_f1)。

3.根据权利要求1或2所述的现场设备，其中，取决于所述接口(11)的接触，所述第一电压源(Q₁)或所述第二电压源(Q₂)向所述第一电流调节器(12)、所述第二电流调节器(13)和/或所述控制单元(14)供应电力。

4.根据权利要求3所述的现场设备，其中，所述第一电流调节器(12)包括可控制的运算放大器，所述可控制的运算放大器用于控制所述第一电流(a₁)的电流电平，并且其中，所述控制单元(14)被设计成当所述运算放大器饱和工作时，检测所述运算放大器的控制信号作为第一信号(S_f1)。

5.根据前述权利要求中的一项所述的现场设备，其中，所述IO链路标准在所述控制单元(14)中被实现为用于经由所述第四触点(114)发送所述测量值的数字标准。

6.根据前述权利要求中的一项所述的现场设备，其中，4-20mA标准在所述控制单元(14)中被实现为用于经由所述第一触点(111)和所述第二触点(112)的所述测量值的基于电流信号的发送的标准。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的现场设备，其中，所述接口(11)被设计为M12插入式连接。

8.一种用于发送根据权利要求1至7中的一项所述的现场设备(1)的测量值的方法，其中，所述方法包括以下方法步骤：

-测量所述测量值，

-当所述现场设备(1)经由所述接口(11)被接触使得第二电压源(Q₂)跨所述第一触点(111)和所述第三触点(113)被连接时，在这些触点(111、113)之间设置所述第二电流(a₂)，否则

-生成所述第二信号(S_f2)，

-当没有生成所述第二信号(S_f2)时，经由所述第四触点(114)根据预定义的数字协议发送所述测量值，

-当所述现场设备(1)经由所述接口(11)被接触使得第一电压源(Q₁)跨所述第一触点(111)和所述第二触点(112)被连接时，在这些触点(111、112)之间设置所述第一电流(a₁)，否则

-生成所述第一信号(S_f1)，

其中，当没有生成所述第一信号(S_f1)时，循环重复方法步骤，以及

其中，在另一种情况下，重复测量所述测量值、经由第四触点(114)根据预定义的数字协议发送所述测量值、设置所述第一电流(a₁)和可能地生成所述第一信号(S_f1)。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下的附加方法步骤：

-控制所述第一电流调节器(12)，使得当生成所述第二信号(S_f2)时，所述第一电流(a₁)的电流电平根据预定义的电流信号标准对应于所述测量值，

其中，当生成所述第一信号(S_f1)时，循环重复方法步骤，以及

其中，在另一种情况下，重复测量所述测量值和控制所述第一电流调节器(12)，使得所述第一电流(a₁)的电流电平根据预定义的电流信号标准对应于所述测量值。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，在所述第二电流调节器(13)在所述第一触点(111)与所述第三触点(113)之间设置所述第二电流(a₂)之后最多300ms，就在所述第一触点(111)与所述第二触点(112)之间设置所述第一电流(a₁)。