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Die Erfindung betrifft ein Prozessautomatisierungsgerät mit einer 4–20 mA Stromschnittstelle zum Anschluss an eine Zweidrahtleitung und einem Digital-/Analog-Umsetzer.
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In Anlagen der Prozessindustrie, z. B. der chemischen, petrochemischen, pharmazeutischen, Lebensmittel und andere Produkte herstellenden Industrie, führen in der Feldebene örtlich verteilte, dezentrale Feldgeräte vorgegebene Funktionen im Rahmen der Anlagenautomatisierung aus und tauschen dabei prozess-, anlagen- und/oder geräterelevante Informationen mit Komponenten eines übergeordneten Steuerungs- und Leitsystems und ggf. auch untereinander aus. Zu den Feldgeräten gehören Sensoren (Messumformer, Analysengeräte für Gas- oder Flüssigkeitsanalyse, Wägesysteme), die Prozessdaten in Form von Messwerten übermitteln, und Aktoren (Stellantriebe, Stellungsregler für Ventile, sonstige dezentrale Regler und Frequenzumrichter für elektromotorische Antriebe), die Prozessdaten in Form von Stelldaten erhalten.
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Ein in der Prozessindustrie weit verbreitetes Kommunikationsverfahren sieht die Übertragung der Prozessdaten in Form analoger Stromwerte in einem Bereich zwischen 4 und 20 mA über eine Zweidrahtleitung vor. Häufig erfolgt auch die Energieversorgung eines Feldgeräts über diese Leitung. Bei dem sendenden Prozessautomatisierungsgerät werden die zunächst digitalen Prozessdaten über eine geeignete Stromschnittstelle in die analogen Stromwerte umgesetzt.
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Aus der
DE 10 2009 034 419 A1 ist ein solches Prozessautomatisierungsgerät mit einer 4–20 mA Stromschnittstelle zum Anschluss an eine Zweidrahtleitung und einem Digital-/Analog-Umsetzer bekannt. Der Digital-/Analog-Umsetzer erzeugt aus einem Digitalwert ein Analogsignal. Die Stromschnittstelle ist zur Einstellung und Regelung des Stromes in Abhängigkeit von dem Analogsignal ausgebildet und weist dazu einen Stromregler und eine von ihm gesteuerte Transistorschaltung auf, die in Reihe mit einem Strommesswiderstand im Weg des durch die Zweidrahtleitung fließenden Stromes liegt.
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Zur Erzeugung des Analogsignals ist es bekannt, aus dem Digitalwert eine pulsweitenmodulierte Rechteckspannung zu erzeugen und diese mittels eines Tiefpassfilters zu mitteln bzw. zu glätten. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass ein Kompromiss zwischen der erreichbaren Dynamik und der Einstellgenauigkeit des Analogsignals gefunden werden muss. Die Frequenz der pulsweitenmodulierten Rechteckspannung, die sich direkt auf die Dynamik auswirkt, ergibt sich nämlich aus der Bitauflösung der Digital-/Analog-Umsetzung und der Taktfrequenz des Mikrocontrollers, die die umzusetzenden Digitalwerte liefert, und ist proportional dem Produkt dieser beiden Größen. Die Taktung des Mikrocontrollers wirkt sich unmittelbar auf dessen Stromverbrauch aus und kann nicht beliebig erhöht werden. Andererseits kann die Frequenz der pulsweitenmodulierten Rechteckspannung nicht beliebig verringert werden, um eine höhere Bitauflösung zu erreichen, da diese bestimmend für die Dynamik des erzeugten Analogsignals ist.
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In der
DE 10 2007 046 560 A1 wird nun für ein Feldgerät mit 4–20 mA Stromschnittstelle vorgeschlagen, den Digitalwert in einen Grobanteil und eine Feinanteil aufzuteilen. In einer ersten Stufe werden durch Pulsweitenmodulation und anschließende Tiefpassfilterung zunächst zwei analoge Signale mit geringerer Auflösung erzeugt, die ober- und unterhalb des gewünschten analogen Ausgangssignals liegen. Diese werden in einer nachgeschalteten, zweiten Stufe als Spannungspegel zur Erzeugung einer entsprechend dem Feinanteil pulsweitenmodulierten Rechteckspannung genutzt, deren Pulspausenverhältnis also lediglich mit einer Genauigkeit eingestellt werden muss, die der gegenüber der Grobauflösung noch zu erzielenden weiteren Auflösung entspricht. Durch Tiefpassfilterung der Rechteckspannung erhält man schließlich das gewünschte Analogsignal.
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Aus der
DE 197 28 037 A1 ist ein Digital-/Analog-Umsetzer bekannt, bei dem ebenfalls der Digitalwert in einen Grobanteil und eine Feinanteil aufgeteilt wird. Beide Anteile werden durch Pulsweitenmodulation und anschließende Tiefpassfilterung in zwei analoge Signale umgesetzt, die anschließend mittels eines Summierverstärkers zu dem gewünschten Analogsignal addiert werden. Die Addition erfolgt gewichtet, wozu die analogen Signale über unterschiedliche Widerstände einem eingangsseitigen Summierpunkt des Summierverstärkers zugeführt werden. Die jeweilige Wichtung ergibt sich aus dem Verhältnis der Werte dieser Widerstände zu dem Wert des Rückkopplungswiderstands des Summierverstärkers. Anstelle zweier Tiefpassfilter für die beiden pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen kann auch nur ein einziger Tiefpassfilter im Rückkopplungszweig des Summierverstärkers vorgesehen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der
DE 197 28 037 A1 bekannte Digital-/Analog-Umsetzung in einer 4–20 mA Stromschnittstelle in einer solchen Weise zu implementieren, dass der Kalibrieraufwand minimal ist.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in dem Patentanspruch angegebene Prozessautomatisierungsgerät gelöst.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Prozessautomatisierungsgerät mit einer 4–20 mA Stromschnittstelle zum Anschluss an eine Zweidrahtleitung und einem Digital-/Analog-Umsetzer, der einen Digitalwert in ein Analogsignal umsetzt und damit die Stromschnittstelle steuert, wobei
die Stromschnittstelle zur Einstellung und Regelung des Stromes in Abhängigkeit von dem Analogsignal ausgebildet ist und dazu einen Stromregler und eine von ihm gesteuerte Transistorschaltung aufweist, die in Reihe mit einem Strommesswiderstand im Weg des durch die Zweidrahtleitung fließenden Stromes liegt,
der Digital-/Analog-Umsetzer eine Einrichtung aufweist, die an einem ersten Ausgang einen Grobanteil und an einem zweiten Ausgang einen Feinanteil des Digitalwerts bereitstellt, an dem ersten Ausgang ein erster Pulsweitenmodulator mit einem nachgeordneten ersten Tiefpassfilter und einem diesem nachgeordneten ersten Widerstand angeschlossen ist,
an dem zweiten Ausgang ein zweiter Pulsweitenmodulator mit einem nachgeordneten zweiten Widerstand angeschlossen ist, und
der Stromregler als Summierverstärker ausgebildet ist, bei dem an einem eingangsseitigen Summierpunkt der erste Widerstand, der zweite Widerstand und ein an dem Strommesswiderstand angeschlossener dritter Widerstand angeschlossen sind und zwischen dem Summierpunkt und dem Ausgang des Summierverstärkers ein zweiter Tiefpassfilter liegt.
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Die Erfindung nutzt den bereits vorhandenen Stromregler der Stromschnittstelle als Summierverstärker für sowohl den aus dem Digitalwert erzeugten analogen Grob- und Feinanteil als auch den Messwert des Stroms in der Zweidrahtleitung. Da die Spannung am Summierpunkt konstant Null ist, sind die Belastungen der Signalwege für den analogen Grobanteil, den Feinanteil und den Messwert des Stroms jeweils identisch, so dass diese Signalwege unabhängig voneinander kalibriert werden können. Da im Signalweg vor dem Summierpunkt nur der analoge Grobanteil nicht aber auch der analoge Feinanteil ein Tiefpassfilter durchläuft, hängt die Kalibrierung des Signalwegs für den Feinanteil nur von dem zweiten Widerstand ab. Dadurch ist der Kalibrieraufwand gering und braucht u. U. nur bei Raumtemperatur ausgeführt zu werden bzw. kann ganz entfallen. Dies führt zu zur Skalierbarkeit der erfindungsgemäßen Stromschnittstelle mit Digital-/Analog-Umsetzung und ist somit für skalierbare Plattformlösungen geeignet. Der analoge Feinanteil wird also nur in dem Tiefpassfilter in der Rückkopplung des Summierverstärkers geglättet. Dieser Tiefpassfilter dient auch zur Stabilisierung der Regelung des Stromes durch die Zweidrahtleitung. Der analoge Grobanteil durchläuft dagegen zwei Tiefpassfilter. Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Einfluss und damit der Glättungsbedarf des Grobanteils höher als der des Feinanteils ist.
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Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Prozessautomatisierungsgerät anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die Zeichnung zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild die in Bezug auf die Erfindung wesentlichen Teile eines Prozessautomatisierungsgeräts, hier eines Messumformers. Dieser weist einen hier nicht gezeigten Sensor auf, der eine Prozessgröße wie Druck, Temperatur, Durchfluss usw. erfasst. Das dabei erzeugte elektrische Sensorsignal wird digitalisiert und in einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung zu einem Messwert in Form eines Digitalwertes 1 verarbeitet, der an ein übergeordneten Steuerungs- und Leitsystem übertragen werden soll. Bei einem anderen Prozessautomatisierungsgerät könnte der Digitalwert 1 ein Stellwert sein, der an einen Aktor, z. B. einen Stellungsregler für ein Prozessventil übertragen werden soll.
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Die Übertragung erfolgt auf analogem Wege über eine Zweidrahtleitung 2, in der mittels einer Stromschnittstelle 3 ein zu dem Digitalwert 1 proportionaler Strom I zwischen 4–20 mA eingestellt wird. Die 4–20 mA Stromschnittstelle 3 weist eine Transistorschaltung 4 auf, die in Reihe mit einem Strommesswiderstand 5 im Weg des durch die Zweidrahtleitung 2 fließenden Stromes I liegt. Der Strommesswiderstand 5 ist auf einer Seite mit Masse und auf der anderen Seite über einen hochohmigen Widerstand 6 mit einem Summierpunkt 7 eines Summierverstärkers 8 verbunden. Der als Stromregler 9 für den Strom I in der Zweidrahtleitung 3 arbeitende Summierverstärker 8 weist einen Operationsverstärker 10 auf, dessen invertierender Eingang (–) mit dem Summierpunkt 7 und dessen nicht-invertierender Eingang (+) über einen Widerstand 25 verbunden ist. Der Widerstand 25 dient zur Kompensation der Bias-Ströme am Eingang des Operationsverstärkers 10. Der Ausgang 11 des Operationsverstärkers 10 ist über ein Tiefpassfilter 12 an den invertierenden Eingang (–) rückgekoppelt und steuert die Transistorschaltung 4.
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Der Digitalwert 1 wird mittels eines Digital-/Analog-Umsetzers 13 in ein Analogsignal umgesetzt, das als Sollwert für den einzustellenden Strom I an dem Summierpunkt 7 vorzeichenrichtig mit dem Messwert (Istwert) des Stromes I addiert wird. Bei dem gezeigten Beispiel liegen der Sollwert als positive und der Istwert als negative Spannung an dem Summierpunkt 7 an. Der Digital-/Analog-Umsetzer 13 weist eine Einrichtung 14 auf, die an einem ersten Ausgang 15 einen Grobanteil (z. B. Wertigkeiten 28 bis 215) und an einem zweiten Ausgang 16 einen Feinanteil (z. B. Wertigkeiten 20 bis 27) des Digitalwerts 1 bereitstellt. Der Grobanteil wird in einem ersten Pulsweitenmodulator 17 in eine erste Rechteckspannung umgesetzt, die in einem nachgeordneten ersten Tiefpassfilter 18 geglättet und über einen ersten Widerstand 18 dem Summierpunkt 7 zugeführt wird. Der Feinanteil des Digitalwertes 1 wird in einem zweiten Pulsweitenmodulator 20 in eine zweite Rechteckspannung umgesetzt, die über einen zweiten Widerstand 18 dem Summierpunkt 7 zugeführt wird. Die Glättung der zweiten Rechteckspannung und die vollständige Glättung der ersten Rechteckspannung erfolgen durch das zweite Tiefpassfilter 12 im Rückkopplungszweig des Summierverstärkers 8. Die Widerstände 6, 19 und 21 sind hochohmig und wichten die analogen Signale an dem Summierpunkt entsprechend des Verhältnisses des Grobanteils zum Feinanteil, hier also R21 = 256·R19.
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Wie gezeigt, kann in bekannter Weise im Weg des Stromes I durch die Zweidrahtleitung 2 zwischen der Transistorschaltung 4 und der Masseverbindung eine Zenerdiode 22 angeordnet sein, um eine Versorgungsspannung V+ für das Prozessautomatisierungsgerät zu erzeugen. Ferner kann eine Kommunikationsvorrichtung 23 zur digitalen Kommunikation von Daten 24 über die Zweidrahtleitung 2 nach dem HART-Protokoll vorgesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009034419 A1 [0004]
- DE 102007046560 A1 [0006]
- DE 19728037 A1 [0007, 0008]
