CN115398357A - 自动化现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化现场设备(17)，至少包括：‑至少第一、第二和第三连接引脚；‑现场设备电子装置(16)，其被设计成使得现场设备电子装置可以在双导体模式或三导体模式下操作。现场设备电子装置具有一个能量供应单元(6)，该能量供应单元被设计为在双导体模式下仅通过馈送电流来提供内部能量供应。在三导体模式下，附加的辅助电流将通过附加单导线线路(15c)馈送到现场设备电子装置，该附加单导线线路(15c)将连接到第三连接引脚，并且能量供应单元(6)还被设计用于通过馈送电流和馈送附加辅助电流提供内部能量供应。此外，现场设备电子装置(16)被设计为仅当通过双导线线路馈送的电流不足以用于内部能量供应时，才将附加馈送的辅助电流用于内部能量供应。

Description

自动化现场设备

技术领域

本发明涉及自动化现场设备和自动化系统。

背景技术

在自动化中，经常使用用于记录和/或修改过程变量的现场设备，特别是在过程自动化中。传感器，诸如填充水平测量设备、流量计、压力和温度测量设备、pH氧化还原电位计、电导仪等，用于记录相应的过程变量，诸如填充水平、流量、压力、温度、pH水平和电导率。执行器，诸如例如阀门或泵，用于影响过程变量。因此，可以通过执行器改变管道部分中流体的流速或容器中的填充水平。原则上，所有在过程中使用并供应或处理过程相关信息的设备都被称为现场设备。在本发明的上下文中，现场设备还包括远程I/O、无线电适配器和/或通常被布置在现场水平上的设备。

Endress+Hauser公司制造和销售各种此类现场设备。

由于历史原因，这些通常经由双导线线路，即具有两条单独形成的导线的线路，连接到更高水平的单元，例如PLC控制单元或控制系统。双导线现场设备在此被设计使得，作为过程变量的测量或控制值以模拟形式作为4-20mA回路电流或电流信号经由双导线线路进行通信，即传输。在这种情况下，现场设备或更高水平的单元根据捕获的过程变量将双导线线路的回路电流设置为特定值。在4-20mA电流信号上线性表示测量范围。

此外，也经由双导线线路向现场设备供电。在这种情况下，现场设备也可以被称为双导线线路现场设备。通常，在双导线线路现场设备中施加10-35V之间的电源电压。因此，在≤3.6mA的故障电流和例如10V的最小输入电压的情况下，双导线线路现场设备可获得≤36mW的最大可能供电功率。

备选地，在需要比经由双导线线路能够提供给现场设备更多的能量，则现场设备也可以经由三导线线路连接。这消除了限制电源供应的需要，就像双导线线路的情况一样。

为了能够实现不同的操作模式(双导线或三导线操作)，存在在现场设备的制造期间被集成到现场设备中的不同的现场设备电子装置。这意味着现场设备制造商必须根据所需的操作提供不同的现场设备电子装置或偏差。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种减少制造偏差的可能性。

根据本发明，通过根据权利要求1的自动化现场设备和根据权利要求7的自动化系统来实现该目的。

根据本发明的自动化现场设备至少包括：

-至少第一、第二和第三连接引脚，用于将内部现场设备电子装置连接到外部电压源；

-现场设备电子装置，其被设计成它们可以以双导体模式或三导体模式操作，其中，在双导体模式下，电流将经由要连接到第一和第二连接引脚的双导线线路被馈送到现场设备电子装置，并且现场设备电子装置具有第一数据和/或能量供应路径，该路径将电流在内部从第一连接引脚引导到第二连接引脚，其中，现场设备电子装置具有能量供应单元，该能量供应单元被设计为在双导体模式下仅通过馈送电流来提供内部能量供应，其中，在三导体模式下，现场设备电子装置将通过要连接到第三连接引脚的附加单导线线路被馈送附加辅助电流，并且现场设备电子装置具有第二能量供应路径，该第二能量供应路径将附加辅助电流在内部从第一连接引脚引导到第三连接引脚，其中，该能量供应单元还被设计为通过馈送电流和馈送附加辅助电流来提供内部能量供应，其中，现场设备电子装置也被设计为仅当通过双导线线路馈送的电流不足以用于内部能量供应时，才将附加馈送的辅助电流用于内部能量供应。

根据本发明，提出了一种既可以在双导线模式下也可以在三导线模式下操作的现场设备。这可以通过现场设备电子装置实现，该现场设备电子装置在现场设备内部整体形成，并且根据所需的操作，可以或者仅仅使用双导线线路或者在必要时另外使用单导线线路通过三个向外布线的连接引脚来接触。由于现场设备电子装置被一体地形成为组合的双导线和三导线电路，因此可以减少现场设备电子装置的偏差，因为两种操作模式只需要一组现场设备电子装置。

在根据本发明的现场设备的有利实施例中，现场设备电子装置进一步具有第一和第二二极管，其中，第一二极管被集成在第一数据和/或能量供应路径中，使得第一二极管导向电子装置供应单元，并且其中，第二二极管被集成在第二能量供应路径中，使得第二二极管的阴极同样导向电子装置供应单元，使得在施加到第一二极管的阴极的电压低于特定电压值的情况下，第二二极管将切换到导通状态。

在根据本发明的现场设备的另一有利实施例中，现场设备电子装置还包括电流隔离器，该电流隔离器被集成在第二能量供应路径中并且被设计为在电流隔离器下游提供无电势输出电压，并且其中，现场设备电子装置还被设计成将无电势输出电压馈送到电子装置供应单元。特别地，在该实施例中，现场设备电子装置还可以包括斩波器，该斩波器被集成在第二能量供应路径中并且用于将施加在输入侧的直流电压转换成施加在输出侧的矩形交流电压，并且现场设备电子装置被进一步设计用于将输出侧交流电压馈送到电流隔离器。特别地，在该实施例中，现场设备电子装置还可以包括电压调节器，该电压调节器连接在斩波器的上游并且被设计为调节经由第一和第三连接引脚施加的电压。

在根据本发明的现场设备的另一有利实施例中，现场设备电子装置还包括4-20mA电流调节单元并且被设计成使得经由4-20mA电流调节单元引导电流中的至少一些，其中，4-20mA电流调节单元被配置用于在双导线模式和三导线模式两者下根据4-20mA标准设置电流。

本发明还涉及一种自动化系统，至少包括：

-根据前述权利要求中任一项所述的自动化现场设备；

-设置在现场设备外部的电压源；

-双导线线路，其通过第一导线将电压源的正极连接到第一连接引脚，并且通过第二导线将电压源的负极连接到第二连接引脚。

在根据本发明的系统的有利实施例中，外部负载电阻器被集成在电压源的负极与第二连接引脚的连接中。

根据本发明的系统的另一有利实施例还包括将电压源的负极连接到第三连接引脚的单导线线路。

附图说明

基于以下附图更详细地解释本发明，其中：

图1示出了具有现场设备电子装置的现场设备，这些现场设备电子装置通过双导线线路经由两个连接引脚连接到电压源，以及

图2示出了具有现场设备电子装置的现场设备，这些现场设备电子装置通过三导线线路经由三个连接引脚连接到电压源。

具体实施方式

图1和2所示的自动化现场设备17包括一体形成的内部现场设备电子装置16，经由该内部现场设备电子装置16可以连接到双导线或三导线线路。现场设备电子装置16因此被设计成使得现场设备17可以根据自动化系统中的环境或安装情况作为双导体或三导体现场设备操作。

为了连接现场设备17，现场设备电子装置16具有至少三个连接引脚1、2、3，经由它们可以连接双导线或三导线线路。在图1所示的示例性实施例中，作为示例，现场设备具有四个连接引脚1、2、3、4。此外，现场设备电子装置包括：EMC滤波器5，EMC滤波器5连接在连接引脚1、2、3、4的下游，以便保护现场设备17免受可能的EMC干扰；用于内部能量供应的电子装置供应单元6；用于内部控制现场设备电子装置16的微处理器7；用于捕获或设置测量或控制值的传感器元件或致动器元件8；分流电阻器9；以及，4-20mA电流调节单元10，它与分流电阻器9一起设置或调制4-20mA电流信号。

此外，现场设备电子系统16可以包括显示器和/或输入单元11，其例如具有触摸显示器的形式。通过显示和/或输入单元11，例如可以显示测量值或控制值，或者可以对现场设备17进行参数化。

根据本发明的一体形成的现场设备电子装置16可以在不同的操作状态下操作。一方面，现场设备电子装置16可以被配置为在双导体模式下操作，并且此外，它们也可以被配置或已经被配置为在三导体模式下操作。

图1通过示例示出了双导体模式，其中，现场设备电子装置16经由双导线线路15连接到外部电压源19和与电压源19串联的外部负载电阻器18。在双导体模式中，现场设备电子装置16经由第一连接引脚1和第二连接引脚2连接到位于现场设备外部的电压源19，以便馈送电流。在双导体模式下，用于传输测量或控制值的4-20mA电流信号经由馈送电流进行通信，并且使得用于现场设备电子装置的内部能量供应成为可能。

为了将经由第一连接引脚1馈送的电流I馈送到电子装置供应单元6，现场设备电子装置具有第一数据和/或能量供应路径6a(由图1中的粗线表示)，其经由EMC滤波器5将第一连接引脚1连接到电子装置供应单元6。电子装置供应单元6被配置为通过馈送电流I提供内部能量供应，并为其他内部电子组件供应能量，该其他内部电子组件诸如是显示和/或输入单元11、传感器或致动器元件8和/或微处理器7。此外，馈送电流I或所述电流的未经由电子装置供应单元路由到内部分流电阻器9的部分经由电流调节单元10和/或微处理器7沿着附加的连接路径被引导。

电流调节单元10被配置用于根据4-20mA标准设置电流。例如，在现场设备被设计为传感器，即包括传感器元件8的情况下，可以根据由传感器元件捕获的过程变量设置经由4-20mA电流调节单元10连同分流电阻器9的电流，以便被传输到更高水平的单元(图1中未显示)。为了启用双导体模式，提供了开关单元14，其被配置为使得经由4-20mA输出路径9来自分流电阻器9的电流I被引导至第二连接引脚2。

图2通过示例示出了三导体模式，其中，现场设备电子装置16经由附加单导线线路15c连接到电压源19的负极。这里，单导线线路15c经由现场设备电子装置16的第三连接引脚3连接。通过附加线路15c，可以经由第一和第三连接引脚1、3将能量另外馈送到现场设备电子装置16。

根据本发明，现场设备电子装置16被设计成如果可以由馈送电流生成的能量不足以用于内部能量供应，取决于现场设备电子装置的其他内部电子组件的要求，在第一和第三连接引脚1、3之间提供可用的附加能量。

由于电压源的负极通过单导线线路附加地连接到第三连接引脚，可以向现场设备电子装置提供附加电流以生成能量。现场设备电子装置被设计成使得经由第二能量路径6b(在图2中由粗线表示)对附加电流进行整流，该路径用作纯能量路径并从第一连接引脚引导到能量供应单元并返回到第三个连接引脚。为了对附加电流进行整流，整流器20被集成在第二能量路径中。

然而，当附加单导线线路15c连接在第三连接引脚3和电压源19的负极之间时，由于第三连接引脚处于比连接到接地的第二端子引脚低的电压或电势，因此现场设备电子装置还将包括集成在第二能量路径中的电流隔离器13，使得电流隔离器下游的输出电压不接地或无电势并且可以被馈送到连接到现场设备电子装置16的地的电子装置供应单元6，以用于内部能量供应。在第二和第三连接引脚之间的电压或电势差也可以作为外部负载18和/或由4-20mA电流调节单元10设置的电流的函数而波动。

此外，现场设备电子装置包括斩波器23，斩波器23用于将施加在输入侧的直流电压转换成施加在输出侧的矩形交流电压，使得随后可以经由电流隔离器13转换输出侧交流电压，

斩波器23、整流器20和电流隔离器13既可以被实现为独立的电子组件，也可以被实现在单个电子组件中。

可选地，现场设备电子系统16还可以具有电压调节器12，电压调节器12连接在斩波器23的上游并且被设计为稳定经由第一和第三连接引脚1、3施加的电压，使得所述电压可以被馈送到用于能量供应的电子装置供应单元6。

为了能够根据需要使用附加的能量，即仅当从经由双导线线路馈送的电流获得的能量或稳定电压U不足以为内部组件供应足够的能量时，现场设备电子装置图16包括二极管装置。该二极管装置由第一二极管21a和第二二极管21b组成，第一二极管21a被集成在第一数据和/或能量供应路径6中，使得第一二极管21a的阴极导向电子装置供应单元6，第二二极管21b被集成在第二能量供应路径6b中，使得第二二极管21b的阴极同样导向电子装置供应单元6，使得在施加到第一二极管的阴极的稳定电压U下降到特定电压值Usp以下的情况下，第二二极管21b将切换到导通状态。在这种情况下，特定电压值Usp取决于现场设备电子装置16的设计或尺寸，并且基本上由电压调节器12稳定的电压U限定，其中，比电压值Usp被选择为大于稳定电压U，即Usp>U。通常，特定电压值Usp比稳定电压U大第二二极管的正向电压。例如，现场设备电子装置可以被定尺寸使得作为工作电压为电子装置供应单元6提供的电压稳定器的稳定电压U大约为15V并且特定电压值大约为15.7V，其中，第二二极管具有大约0.7V的正向电压。这种依赖于需求的激活供应的优点是，在使用有源电流输出的操作期间可以减少现场设备电子装置的发热。

此外，现场设备电子装置可以具有第四连接引脚4，特别是用于通信目的。例如，现场设备电子装置可以设计成使得数字通信，特别是IO-Link通信可以经由第四连接引脚4可用。

附图标记列表

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 电子装置供应单元

6a 第一数据和/或能量供应路径

6b 第二纯能量供应路径

7 微处理器

8 传感器或执行器元件

9 内部分流电阻器

9a 4-20mA输出路径

10 4-20mA电流调节单元

11 显示和/或输出单元

12 电压调节器

13 电流隔离器

14 开关单元

15 双导线线路

15a 双导线线路的第一导线

15b 双导线线路的第二导线

15c 附加单导线线路

16 现场设备电子装置

17 自动化现场设备

18 外部负载

19 外部电压源

20 整流器

21a 第一二极管

21b 第二二极管21a

22 连接路径

23 斩波器

U 稳定电压

Usp 特定电压值

Claims (9)

1.一种自动化现场设备(17)，至少包括：

-至少第一、第二和第三连接引脚，所述至少第一、第二和第三连接引脚用于将内部的现场设备电子装置连接到外部电压源(19)；

-所述现场设备电子装置(16)，所述现场设备电子装置(16)被设计成它们可以以双导体模式或三导体模式操作，其中，在所述双导体模式下，电流将经由要连接到所述第一和第二连接引脚(1，2)的双导线线路(15)被馈送到所述现场设备电子装置，并且所述现场设备电子装置(16)具有第一数据和/或能量供应路径(6a)，所述第一数据和/或能量供应路径将所述电流在内部从所述第一连接引脚引导到所述第二连接引脚，其中，所述现场设备电子装置具有能量供应单元(6)，所述能量供应单元(6)被设计为在所述双导体模式下仅通过所馈送的电流来提供内部能量供应，其中，在所述三导体模式下，所述现场设备电子装置将通过要连接到所述第三连接引脚的附加单导线线路(15c)被馈送附加辅助电流，并且所述现场设备电子装置(16)具有第二能量供应路径(6b)，所述第二能量供应路径将所述附加辅助电流在内部从所述第一连接引脚引导到所述第三连接引脚，其中，所述能量供应单元(6)还被设计为通过所馈送的电流和所馈送的附加辅助电流来提供所述内部能量供应，其中，所述现场设备电子装置(16)还被设计为仅当通过所述双导线线路馈送的电流不足以用于所述内部能量供应时，才将所附加馈送的辅助电流用于所述内部能量供应。

2.根据权利要求1所述的自动化现场设备，其中，所述现场设备电子装置进一步具有第一和第二二极管(21a，21b)，其中，所述第一二极管被集成在所述第一数据和/或能量供应路径(6a)中，使得所述第一二极管的阴极导向所述电子装置供应单元(6)，并且其中，所述第二二极管被集成在所述第二能量供应路径(6b)中，使得所述第二二极管(21b)的阴极同样导向电子装置供应单元(6)，使得在施加到所述第一二极管(21a)的所述阴极的电压下降到低于特定电压值的情况下，所述第二二极管(21b)将切换到导通状态。

3.根据前述权利要求中的一项或多项所述的自动化现场设备，其中，所述现场设备电子装置进一步包括电流隔离器(13)，所述电流隔离器(13)被集成在所述第二能量供应路径(6a)中并且被设计为在所述电流隔离器(13)下游提供无电势输出电压，并且其中，所述现场设备电子装置(16)进一步被设计为将所述无电势输出电压馈送到所述电子装置供应单元(6)。

4.根据上一权利要求所述的自动化现场设备，其中，所述现场设备电子装置(16)进一步包括斩波器(23)，所述斩波器(23)被集成在所述第二能量供应路径(6a)中并且用于将施加在输入侧上的直流电压转换为施加在输出侧上的矩形交流电压，并且所述现场设备电子装置(16)被进一步设计为将输出侧交流电压馈送到所述电流隔离器(13)。

5.根据上一权利要求所述的自动化现场设备，其中，所述现场设备电子装置(16)进一步包括电压调节器(12)，所述电压调节器(12)连接在所述斩波器(23)的上游并且被设计为调节经由所述第一和第三个连接引脚(1，3)施加的电压。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的自动化现场设备，其中，所述现场设备电子装置(16)进一步包括4-20mA电流调节单元(10)并且被设计成使得经由4-20mA电流调节单元(10)引导所述电流中的至少一些，其中，所述4-20mA电流调节单元(10)被配置为在双导线模式和三导线模式两者下根据4-20mA标准设置电流。

7.一种自动化系统，至少包括：

-根据前述权利要求中的任一项所述的自动化现场设备；

-设置在所述现场设备外部的电压源(19)；

-双导线线路(15)，所述双导线线路(15)通过第一导线(15a)将所述电压源的正极连接到所述第一连接引脚(1)，并且所述双导线线路(15)将所述电压源(19)的负极通过第二导线(15b)连接到所述第二连接引脚(2)。

8.根据上一权利要求所述的自动化系统，其中，外部负载电阻器(18)被集成在所述电压源(19)的所述负极与所述第二连接引脚(2)的连接中。

9.根据前述两项权利要求中的任一项所述的自动化系统，进一步包括将所述电压源(19)的所述负极连接到所述第三连接引脚(3)的单导线线路(15c)。

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