DE102009029307A1 - Device for transmitting a control signal - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur galvanischen Übertragung eines Steuersignals von einer Primäreinheit (1) an eine Sekundäreinheit (2), wobei die Primärseite (1) zwei komplementäre Steuersignale S, Szur Steuerung eines Schaltkontakts (3) erzeugt, wobei die Sekundäreinheit (2) den Schaltkontakt (3) und eine Steuereinheit (4) aufweist, wobei mindestens ein erster Kondensator (51) und ein zweiter Kondensator (52) vorgesehen sind, wobei der erste Kondensator (51) das Steuersignal Szum Schl(4) überträgt, wobei der zweite Kondensator (52) das Steuersignal Szum Öffnen des Schaltkontakts (3) an die Steuereinheit (4) überträgt und wobei die Steuereinheit (4) in Abhängigkeit des anliegenden Steuersignals S, Sden Schaltkontakt (3) schließt oder öffnet.The invention relates to a device for the galvanic transmission of a control signal from a primary unit (1) to a secondary unit (2), the primary side (1) generating two complementary control signals S, for controlling a switching contact (3), the secondary unit (2) Switching contact (3) and a control unit (4), wherein at least a first capacitor (51) and a second capacitor (52) are provided, the first capacitor (51) transmitting the control signal Szum Schl (4), the second capacitor (52) transmits the control signal Szum opening the switch contact (3) to the control unit (4) and the control unit (4) closes or opens the switch contact (3) depending on the control signal S, S present.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur galvanisch getrennten Übertragung eines Steuersignals von einer Primäreinheit an eine Sekundäreinheit. Die Vorrichtung ist beispielsweise in ein Feldgerät der Prozessautomatisierung integriert, welches einen Prozessparameter überwacht und an einem Signalausgang ein Schaltsignal zur Weiterleitung an einen Aktor, beispielsweise ein Ventil, bereitstellt. Die Primäreinheit umfasst beispielsweise ein Sensorelement und eine Regel-/Auswerteeinheit und die Sekundärseite stellt beispielsweise die Schnittstelle zu einer übergeordneten Steuereinheit dar.The present invention relates to a device for galvanically separated transmission of a control signal from a primary unit to a secondary unit. The device is integrated, for example, in a field device of process automation, which monitors a process parameter and provides a switching signal at a signal output for transmission to an actuator, for example a valve. The primary unit comprises, for example, a sensor element and a control / evaluation unit and the secondary side represents, for example, the interface to a higher-level control unit.
Oftmals ist es aus sicherheitstechnischen Gründen wünschenswert, dass die Signalübertragung von einer Primärseite an eine Sekundärseite über eine galvanische getrennte Schnittstelle möglich ist. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn an der Primärseite eine hohe Spannung anliegt, die Sekundärseite jedoch nur eine geringe Spannung aufweisen darf-beispielsweise weil sie sich in explosionsgefährdeter Umgebung befindet- und die Gefahr unterbunden werden soll, dass von der Sekundärseite aus Kontakt zur hohen Spannung der Primärseite hergestellt werden kann.Often it is desirable for safety reasons that the signal transmission from a primary side to a secondary side via a galvanically isolated interface is possible. For example, this is the case when a high voltage is applied to the primary side, but the secondary side may only have a low voltage-for example because it is located in a potentially explosive environment-and the danger is to be prevented from contacting the high voltage from the secondary side the primary side can be made.
Aus dem Stand der Technik sind verschieden Ausgestaltungen galvanisch getrennter Schnittstellen bekannt. Bei einem Optokoppler wird ein Lichtsignal von der Primärseite zur Sekundärseite ausgesandt, wodurch auf der Sekundärseite der Schaltvorgang aktiviert wird. Mit diesem Prinzip kann ein Signal übertragen werden, jedoch keine Energie, sodass im Falle, dass auf der Sekundärseite Energie benötigt wird, diese über eine separate Schnittstelle bereitgestellt werden muss. Zudem benötigt ein Optokoppler viel Energie, sodass diese Systeme nur dann Verwendung finden, wenn der hohe Energiebedarf des optischen Übertragungssystems keine Rolle spielt. Steht nicht viel Energie zur Verfügung, wird bevorzugt auf alternative Methoden zur galvanisch getrennten Signalübertragung zurückgegriffen.Various configurations of galvanically separated interfaces are known from the prior art. In the case of an optocoupler, a light signal is emitted from the primary side to the secondary side, as a result of which the switching process is activated on the secondary side. With this principle, a signal can be transmitted, but no energy, so that in the event that on the secondary side energy is needed, it must be provided via a separate interface. In addition, an opto-coupler requires a lot of energy, so that these systems are only used when the high energy consumption of the optical transmission system plays no role. If not much energy is available, alternative methods for galvanically separated signal transmission are preferred.
Eine dieser alternativen Realisierungen eines galvanisch getrennten Schalters beinhaltet einen Transformator. Transformatoren oder induktive Schnittstellen benötigen wenig Energie. Sie weisen jedoch einige Nachteile auf. Zum einen sind sie teuer und nehmen relativ viel Platz ein. Letzteres ist in vielen Systemen ein entscheidender Nachteil. Zum anderen sind meist zusätzliche Spannungslimitierende Bauteile notwendig, welche Spannungsspitzen begrenzen, die beim Ausschalten oder im Fehlerfall auftreten. Dies ist vor allem bei Anwendungen in Explosionsgefährdeten Bereichen unumgänglich.One of these alternative implementations of a galvanically isolated switch includes a transformer. Transformers or inductive interfaces require little energy. However, they have some disadvantages. For one, they are expensive and take up a relatively large amount of space. The latter is a major disadvantage in many systems. On the other hand, additional voltage-limiting components are usually necessary, which limit voltage peaks that occur when switching off or in the event of a fault. This is especially important for applications in potentially explosive areas.
Eine weitere denkbare Methode ist die Verwendung eines Kondensators zur Übertragung eines Steuersignals. Dieser weist jedoch den erheblichen Nachteil auf, dass elektromagnetische Störeinflüsse das Steuersignal bei der Übertragung derart beeinflussen können, dass der Zustand des Schalters, welcher durch das Steuersignal geregelt wird, sich nicht zuverlässig einstellen lässt. Beispielsweise führen geringe durch Störfelder am Kondensator induzierte Spannungen zu unerwünschten Signalen, welche eine unerwünschte Änderung des Schaltzustands hervorrufen.Another conceivable method is the use of a capacitor for transmitting a control signal. However, this has the considerable disadvantage that electromagnetic interference influences the control signal during transmission in such a way that the state of the switch, which is regulated by the control signal, can not be reliably adjusted. For example, low voltages induced by interfering fields on the capacitor lead to unwanted signals, which cause an undesirable change in the switching state.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur galvanisch getrennten Signalübertragung bereit zu stellen, welche kostengünstig und robust gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen ist.The object of the invention is to provide a device for galvanically isolated signal transmission, which is inexpensive and robust against electromagnetic interference.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur galvanisch getrennten Übertragung eines Steuersignals von einer Primäreinheit an eine Sekundäreinheit, wobei die Primärseite zwei komplementäre Steuersignale S+, S– zur Steuerung eines Schaltkontakts erzeugt, wobei die Sekundäreinheit den Schaltkontakt und eine Steuereinheit aufweist, wobei mindestens ein erster Kondensator und ein zweiter Kondensator vorgesehen sind, wobei der erste Kondensator das Steuersignal S+ zum Schließen des Schaltkontakts an die Steuereinheit überträgt, wobei der zweite Kondensator das Steuersignal S– zum Öffnen des Schaltkontakts an die Steuereinheit überträgt und wobei die Steuereinheit in Abhängigkeit des anliegenden Steuersignals S+, S– den Schaltkontakt schließt oder öffnet.The object is achieved by a device for galvanically separated transmission of a control signal from a primary unit to a secondary unit, wherein the primary side generates two complementary control signals S + , S - for controlling a switching contact, wherein the secondary unit has the switching contact and a control unit, wherein at least one first capacitor and a second capacitor are provided, wherein the first capacitor transmits the control signal S + to close the switch contact to the control unit, the second capacitor, the control signal S - to open the switch contact to the control unit transmits and wherein the control unit in response to the adjacent Control signal S + , S - the switching contact closes or opens.
Unter Anliegen eines Steuersignals S+, S– ist hierbei zu verstehen, dass ein von Null verschiedener Spannungswert anliegt. Ist der Spannungswert des Steuersignals Null, so ist dies gleichbedeutend damit, dass kein Steuersignal anliegt.By concern of a control signal S + , S - is here to be understood that a non-zero voltage value is applied. If the voltage value of the control signal is zero, this is equivalent to the fact that no control signal is present.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus wenigen Bauteilen, welche zudem Standardbauteile sind. Dies macht die Vorrichtung kostengünstig und Platz sparend.The device according to the invention consists of a few components, which are also standard components. This makes the device inexpensive and space-saving.
Dadurch, dass sowohl das Schließen des Schalters als auch das Öffnen des Schalters durch ein aktives Signal gesteuert wird, ist die Vorrichtung robust gegenüber elektromagnetischer Störeinflüsse und funktioniert somit sehr zuverlässig.The fact that both the closing of the switch and the opening of the switch is controlled by an active signal, the device is robust against electromagnetic interference and thus works very reliable.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sie nur einen geringen Energiebedarf aufweist. Dies führt neben den geringeren Kosten zur Energieversorgung der Vorrichtung zu dem Vorteil, dass sie auch in Explosionsgefährdeten Umgebungen zum Einsatz kommen kann.Another advantage of the device according to the invention is that it has only a low energy requirement. In addition to the lower energy costs for the device, this leads to the advantage that it can also be used in potentially explosive environments.
Gegenüber einer optischen Schnittstelle, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, bietet die Vorrichtung einen weiteren Vorteil. Durch die Kondensatoren ist neben der Signalübertragung auch die Übertragung von Energie an die Sekundärseite möglich, sodass diese keine separate Energieversorgung benötigt. Dies spart vor allem Platz und ist sehr kostengünstig. Compared with an optical interface, as known from the prior art, the device offers a further advantage. Due to the capacitors, in addition to the signal transmission, the transmission of energy to the secondary side is possible, so that it does not require a separate power supply. This saves space and is very cost effective.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Primärseite eine Aufbereitungseinheit zur Erzeugung der Steuersignale S+, S– aus einem primären Schaltsignal S1 auf. Das primäre Schaltsignal ist beispielsweise eine Rechteckspannung. Im einfachsten Fall invertiert die Aufbereitungseinheit das primäre Schaltsignal S1 und leitet das unveränderte primäre Schaltsignal S1 als Steuersignal S+ an den ersten Kondensator und das invertierte primäre Schaltsignal S1 als Steuersignal S– an den zweiten Kondensator weiter. Hierdurch wird derjenige Kondensator geladen, an welchem ein von Null verschiedener Spannungswert anliegt, während am jeweils anderen Kondensator keine Spannung anliegt.In a first embodiment of the solution according to the invention, the primary side has a processing unit for generating the control signals S + , S - from a primary switching signal S 1 . The primary switching signal is, for example, a square-wave voltage. In the simplest case, the conditioning unit inverts the primary switching signal S 1 and forwards the unchanged primary switching signal S 1 as the control signal S + to the first capacitor and the inverted primary switching signal S 1 as the control signal S - to the second capacitor. As a result, the one capacitor is charged to which a non-zero voltage value is applied, while no voltage is applied to the other capacitor.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein dritter Kondensator mit dem ersten Kondensator in Reihe geschaltet und ist mindestens ein vierter Kondensator mit dem zweiten Kondensator in Reihe geschaltet, sodass sich deren Isolierspannungen jeweils zu einer Gesamtspannung U addieren. Auf diese Weise lässt sich eine höhere galvanische Trennung erreichen.According to one development of the invention, at least one third capacitor is connected in series with the first capacitor, and at least one fourth capacitor is connected in series with the second capacitor, so that their respective insulation voltages add up to a total voltage U. In this way, a higher electrical isolation can be achieved.
Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist auf der Sekundärseite eine Rückmeldevorrichtung vorgesehen, welche zur Kontrolle des Schaltzustands des Schaltkontakts dient. Auf diese Weise ist eine Diagnosefunktion realisierbar, was für Geräte, die bestimmten Sicherheitsspezifikationen genügen müssen, von großem Vorteil ist.In a further development of the invention, a feedback device is provided on the secondary side, which serves to control the switching state of the switching contact. In this way, a diagnostic function is feasible, which is for devices that must meet certain safety specifications, a great advantage.
In einem Ausführungsbeispiel übermittelt die Rückmeldevorrichtung die Information über den Schaltzustand des Schaltkontakts über eine kapazitive Schnittstelle an die Primärseite. Hierdurch erfolgt die Informationsübertragung der Rückmeldevorrichtung ebenfalls galvanisch getrennt. Die kapazitive Schnittstelle kann hierbei ebenfalls aus mehreren Kondensatoren aufgebaut sein.In one embodiment, the feedback device transmits the information about the switching state of the switching contact via a capacitive interface to the primary side. As a result, the information transmission of the feedback device is also galvanically separated. The capacitive interface can also be constructed of several capacitors.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung übertragen die Kondensatoren neben dem Steuersignal S+, S– auch Energie an die Sekundärseite. Die Steuersignale S+, S– können in diesem Fall beispielsweise einer Grundspannung als Modulationen überlagert werden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da keine weitere Schnittstelle zur Energieübertragung bereitgestellt werden muss.In an advantageous embodiment of the invention, the capacitors in addition to the control signal S + , S - also transfer energy to the secondary side. The control signals S + , S - can be superimposed in this case, for example, a fundamental voltage as modulations. This embodiment is particularly advantageous since no further interface for energy transmission has to be provided.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der Schaltkontakt die Funktion eines Impulsgebers zur Übertragung der im primären Schaltsignal S1 enthaltenen Information besitzt.A development of the solution according to the invention consists in that the switching contact has the function of a pulse generator for transmitting the information contained in the primary switching signal S 1 .
Die Vorrichtung ist beispielsweise Teil eines Messgeräts. Der Schaltkontakt dient in diesem Fall beispielsweise der Weitergabe eines mit einem Messgerät bestimmten Messsignals an ein Feldgerät zur Anzeige des Messwertes.The device is part of a measuring device, for example. In this case, the switching contact serves, for example, to pass on a measuring signal determined by a measuring instrument to a field device for displaying the measured value.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schaltkontakt mit einer Vorrichtung verbunden, welche in Abhängigkeit des Schaltzustands des Schaltkontakts eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Auf diese Weise lässt sich z. B. ein Aktor in Abhängigkeit einer Prozessgröße, welche die Basis des primären Schaltsignals bildet, steuern. Ein Anwendungsbeispiel ist ein Grenzwertschalter mit einem Ventil.According to one embodiment, the switching contact is connected to a device which is switched on or off depending on the switching state of the switching contact. In this way, z. B. an actuator in response to a process variable, which forms the basis of the primary switching signal control. An application example is a limit switch with a valve.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung Teil eines Messgeräts zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessgröße, eines Transmitters oder eines Feldanzeigers. Derartige Mess- und Feldgeräte werden von der Anmelderin in einer großen Vielfalt angeboten und vertrieben.In an advantageous embodiment, the device according to the invention is part of a measuring device for determining and / or monitoring a physical, biological or chemical process variable, a transmitter or a field indicator. Such measuring and field devices are offered and distributed by the applicant in a wide variety.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
In
Auf der Primärseite
Die Primärseite
Um das Schaltsignal so an die Schnittstellen anzupassen, dass ein aktives Steuersignal S+ zum Öffnen und ein zweites aktives Steuersignal S– zum Schließen erzeugt wird, welche geeignet sind, um von den beiden Kondensatoren
Eine Übertragungseinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Primärseiteprimary
- 22
- Sekundärseitesecondary side
- 33
- Schaltkontaktswitching contact
- 44
- Steuereinheitcontrol unit
- 5151
- Erster KondensatorFirst capacitor
- 5252
- Zweiter KondensatorSecond capacitor
- 5353
- Dritter KondensatorThird capacitor
- 5454
- Vierter KondensatorFourth capacitor
- 66
- Aufbereitungseinheitconditioning unit
- 77
- RückmeldevorrichtungFeedback device
- 88th
- kapazitive Schnittstellecapacitive interface
- 99
- MessshuntShunt
- 1010
- Übertragungseinheittransmission unit
- 1111
- Mikrocontrollermicrocontroller
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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