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Die Erfindung bezieht sich auf eine Betriebselektronik für eine Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung, ein Feldgerät, eine Anordnung umfassend eine Zwei-Leiter-Schleife und ein Feldgerät, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Betriebselektronik einer Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik bspw. aus der Offenlegungsschrift
DE 102008054883 A1 ist bekannt geworden, einen Detektionseingang eines Mikrocontrollers zur Detektion eines sog. Pre-Power-Fail zu verwenden, wobei über den Detektionseingang der Ausfall der Versorgungseinheit signalisiert wird. Dadurch kann eine Sicherheitsroutine gestartet werden, um wichtige Daten und Parameter in einen nicht-flüchtigen Speicher zu schreiben.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 102007045884 A1 ist es bekannt geworden, verschiedene Netzteilstufen zur Energieversorgung eines an ein Feldgerät angeschlossenen Wireless Adapters zu verwenden.
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Diese Lösungen beziehen sich aber alle auf eine Energieversorgung mit begrenzter Kapazität wie bspw. vermittels einer Batterie und sind somit nicht ohne weiteres bspw. auf stromschleifengespeiste Messumformer oder andere Zwei-Leiter-Prozessvorrichtungen übertragbar.
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Somit ergibt sich u. a. anderem das Problem, dass bei einer unzureichenden Spannungsversorgung bspw. eines Messumformers der eigentlich von dem Messwertumformer einzustellende Stromwert in der Stromschleife undefiniert ist.
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Außerdem kann der Fall eintreten, dass ständig ein bestimmter Messwert vermittels eines Stromsignals in der Stromschleife von einem Messgerät eingestellt wird, obwohl entweder das an der Stromschleife angeschlossene Messgerät diesen Wert nicht gar kontinuierlich aktualisiert (der tatsächliche Messwert also ggf. unter dem derzeit eingestellten liegt) oder eine ebenfalls an die Stromschleife angeschlossene Auswerteeinheit den in der Stromschleife eingestellten Stromwert gar nicht ständig abtastet. Daher wird oftmals mehr Leistung umgesetzt als tatsächlich erforderlich ist. Es wird also mehr Energie benötigt als eigentlich erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine intelligente Energieversorgung einer Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch eine Betriebselektronik für eine Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung, ein Feldgerät, eine Anordnung umfassend eine Zwei-Leiter-Schleife und ein Feldgerät, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Betriebselektronik einer Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung gelöst.
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Hinsichtlich der Betriebselektronik wird die Aufgabe durch eine Betriebselektronik für eine Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung gelöst, welche Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung an eine Zwei-Leiter-Schleife anschliessbar ist, wobei die Betriebselektronik eine Eingangsschaltung aufweist, über die die Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung mit der Zwei-Leiter-Stromschleife verbindbar ist, wobei die Eingangsschaltung eine Energieversorgungseinheit und eine Überwachungseinheit aufweist, wobei die Energieversorgungseinheit zur Versorgung einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit der Betriebselektronik mit elektrischer Energie aus der Zwei-Leiter-Schleife dient, wobei die Überwachungseinheit zur Überwachung der von der Zwei-Leiter-Schleife abgegriffenen elektrischen Spannung dient, und wobei die Überwachungseinheit mit einem Steuereingang der elektronischen Datenverarbeitungseinheit und/oder der Energieversorgungseinheit verbunden ist und dazu dient, über den Steuereingang einen Betriebsmodus der elektronischen Datenverarbeitungseinheit bzw. der Energieversorgungseinheit in Abhängigkeit der von der Zwei-Leiter-Schleife abgegriffenen elektrischen Spannung auszuwählen.
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In einer Ausführungsform der Betriebselektronik weist die Eingangsschaltung einen Abgriff zum Abgreifen der auf der Zwei-Leiter-Schleife vorliegenden Spannung auf, und wobei die Energieversorgungseinheit von dem Abgriff aus gesehen, über einen ersten Pfad mit dem Abgriff für die Zwei-Leiter-Schleife verbunden ist, wobei die Überwachungseinheit von dem Abgriff aus gesehen, über einen zweiten Pfad mit dem Abgriff für die Zwei-Leiter-Schleife verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik weist die Eingangsschaltung bzw. die Energieversorgungseinheit eine Leistungssteuereinheit auf, die eine Betriebsspannung bzw. einen Betriebsstrom für die Datenverarbeitungseinheit bereitstellt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik weist die Datenverarbeitungseinheit einen Ausgang zur Ansteuerung eines Stellglieds der Eingangsschaltung auf, welches Stellglied zur Einstellung eines Stroms in der Zwei-Leiter-Schleife dient.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik wird die Überwachungseinheit unabhängig von der Energieversorgungseinheit mit elektrischer Energie aus der Zwei-Leiter-Schleife versorgt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik dient ein von der Überwachungseinheit ausgegebenes Steuersignal dazu, den Betriebsmodus der Datenverarbeitungseinheit bzw. der Energieversorgungseinheit zu wechseln, wenn die von der Zwei-Leiter-Schleife abgegriffene Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet bzw. unterschreitet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik dient das Steuersignal, in dem Fall dass der vorgegebene Schwellwert unterschritten wird, dazu, die Datenverarbeitungseinheit von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus zu versetzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik weist der zweite Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus einen verringerten Energiebedarf auf, in welchem zweiten Betriebsmodus insbesondere in einem mit der Datenverarbeitungseinheit verbundenen flüchtigen Speicher vorhandene Daten erhalten bleiben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik dient das Steuersignal, in dem Fall dass der vorgegebene Schwellwert unterschritten wird, dazu, die Datenverarbeitungseinheit in einen Betriebsmodus mit geringem Energiebedarf zu versetzen, bei dem insbesondere ein (konstanter) Strom in der Stromschleife, vorzugsweise mit einem unterhalb eines Fehlerstromwerts liegenden Wert, einzustellen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik dient das Steuersignal, in dem Fall dass der vorgegebene Schwellwert überschritten wird, dazu, die Datenverarbeitungseinheit und/oder die Energieversorgungseinheit von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus zu schalten.
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In einer weiteren Ausführungsform der Betriebselektronik werden bei der Wiederaufnahme des ersten Betriebsmodus Daten aus dem mit der Datenverarbeitungseinheit verbundenen flüchtigen Speicher weiter verarbeitet.
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Hinsichtlich des Feldgerätes wird die Aufgabe durch ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik mit einer Betriebselektronik nach einer der vorherigen Ausführungsformen gelöst.
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Hinsichtlich der Anordnung wird die Aufgabe durch eine Anordnung umfassend eine Zwei-Leiter-Schleife und ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik nach einer der vorherigen Ausführungsformen gelöst.
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In einer Ausführungsform der Anordnung umfasst eine Versorgungseinheit mit begrenzter Kapazität, welche Versorgungseinheit eine steuerbare Versorgungsspannung, insbesondere im Bereich des der Überwachungseinheit vorgebbaren Schwellwertes, ausgibt.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Betriebselektronik einer Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung gelöst, wobei zumindest zeitweise vermittels einer Energieversorgungseinheit eine elektronische Datenverarbeitungseinheit der Betriebselektronik mit elektrischer Energie aus der Zwei-Leiter-Schleife versorgt wird, wobei vermittels einer Überwachungseinheit eine von der Zwei-Leiter-Schleife abgegriffenen elektrischen Spannung überwacht wird, und wobei vermittels eines von der Überwachungseinheit an einen Steuereingang der elektronischen Datenverarbeitungseinheit und/oder der Energieversorgungseinheit ausgegebenen Steuersignals, einen Betriebsmodus der elektronischen Datenverarbeitungseinheit bzw. der Energieversorgungseinheit in Abhängigkeit der von der Zwei-Leiter-Schleife abgegriffenen elektrischen Spannung ausgewählt wird.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Messwertumformers gem. dem Stand der Technik,
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2: eine schematische Darstellung eines Messwertumformers in einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung, und
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3: eine schematische Darstellung eines Messwertumformers in einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung verschiedene Funktionsblöcke eines Messwertumformers P der an eine Zwei-Leiter-Stromschleife angeschlossen ist. Anstelle des in 1 gezeigten Messwertumformers kann auch jedoch auch eine andere Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung an die Zwei-Leiter-Stromschleife 2L angeschlossen sein.
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Über ein Stellglied SG ist eine Energieversorgungseinheit PWM mit der Zwei-Leiter-Stromschleife verbunden. Diese Energieversorgungseinheit PWM stellt somit eine aus der Zwei-Leiter-Stromschleife entnommene elektrische Energie einer Steuereinheit S und ggf. einem Messaufnehmer zur Verfügung.
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Der Messaufnehmer SE wiederum gibt ein analoges oder digitales Messsignal aus, das der Steuereinheit S zugeführt wird, welche Steuereinheit S dieses Messsignal aufbereitet und über eine ggf. vorhandene Verstärkerschaltung ST an das Stellglied SG ausgibt, um einen dem Messsignal entsprechenden Stromwert in der Stromschleife 2L einzustellen.
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Die minimale Versorgungsspannung des Messumformers P ist gegeben durch seine Leistungsaufnahme dividiert durch den kleinstmöglichen Schleifenstrom, bspw. 3,6 mA. Fällt die verfügbare Spannung am Eingang des Messumformers P unter diesen kritischen Wert, kann die Steuereinheit S bzw. allgemein die Betriebselektronik nicht mehr ausreichend mit Energie versorgt werden und der Messumformer P befindet sich in einem undefinierten Zustand.
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2 zeigt einen Messumformer P gem. einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung. Anstelle des Messumformers P kann es sich auch hier um eine beliebige Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung handeln.
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Zusätzlich zu den bereits aus dem Stand der Technik bekannten Funktionsblöcken ist hier eine Überwachungseinheit UE vorgesehen. Diese Überwachungseinheit UE kann bspw. unabhängig von den restlichen Funktionsblöcken, insbesondere der Energieversorgungseinheit PWM aus der Zwei-Leiter-Stromschleife 2L mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Durch die Überwachungseinheit UE wird erkannt, ab wann die am Eingang des Messumformers P bereitgestellte Versorgungsspannung unter einen Wert fällt, ab dem der Messumformer P nicht mehr ausreichend versorgt werden kann. Es kann auch ein anderer Referenzwert vorgegeben werden, ab welchem ein Steuersignal von der Überwachungseinheit ausgegeben wird, um einen Betriebsmodus der Steuereinheit S bzw. des gesamten Gerätes, aber insbesondere der Steuereinheit S, auszuwählen.
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Durch die Überwachungseinheit UE kann dann über ein entsprechendes Steuersignal die Steuereinheit S, in einen Schlafmodus oder anderen Energiesparmodus versetzt werden, bei dem bspw. jegliche Messfunktion deaktiviert ist, jedoch Speicherinhalte und/oder ein Betriebsstatus erhalten bleiben.
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Außerdem kann der in der Zwei-Leiter-Stromschleife 2L einzustellende Stromwert auf einen niedrigeren (aber eben vorgegebenen) Wert gesetzt werden. Dieser Wert ergibt sich bspw. aus dem Energieverbrauch der Überwachungseinheit UE und der Energieaufnahme der bspw. in einen Schlafmodus oder anderen Energiesparmodus versetzten Steuereinheit S.
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Für den Fall, dass die Versorgungsspannung wieder über die minimal benötigte Versorgungsspannung ansteigt, kann vermittels der Überwachungseinheit UE und dem Stellglied SG wieder ein Stromwert von bspw. 3,6 mA in der Zwei-Leiter-Stromschleife 2L eingestellt werden. Wird das erfolgreiche Einstellen dieses Stromwerts ermittelt, kann anschließend auch die Steuereinheit S wieder in Betrieb genommen werden. Für den Fall, dass die Steuereinheit S lediglich in einem Schlafmodus oder anderen Energiesparmodus war, kann zudem zeitnah eine Messung oder Messwertverarbeitung fortgesetzt bzw. wiederaufgenommen werden.
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Falls Messwerte oder allg. Daten von dem Messumformer P nur sporadisch oder nur in größeren Zeitabständen voneinander benötigt werden, kann der Messumformer gezielt (zwischen den Zeitpunkten zu denen ein Messwert benötigt wird) in einen Energiesparmodus versetzt werden, indem eben die Spannung, die über die Zwei-Leiter-Stromschleife 2L bereitgestellt wird, gesenkt wird.
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Insbesondere in Verbindung mit einem Funkadapter, welcher Funkadapter bspw. von einer Batterie gespeist wird, und der an die Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung angeschlossen ist, kann die vorgeschlagene Erfindung vorteilhaft genutzt werden. Über den Funkadapter kann die Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung mit elektrischer Energie bspw. über die Anschlussklemmen (der Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung) für die Zwei-Leiter-Stromschleife gespeist werden. Um in diesem Fall die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, wird die angeschlossene Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung, bei der es sich bspw. um einen Messumformer handeln kann, nicht ständig mit elektrischer Energie aus der Batterie betrieben, sondern, bspw. abhängig von der eingestellten Messrate, ein- und nach dem aufnehmen und übertragen des Messwertes wieder ausgeschaltet. Dadurch, dass die Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung, insbesondere der Messumformer, nur in einen Energiesparmodus überführt wird, kann ein Messwert zeitnah bereitgestellt werden. Dadurch wird die Batterielebensdauer erhöht, da beim Aufstarten der Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung aus dem ausgeschalteten Zustand weit mehr Energie benötigt wird als wenn die Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung aus dem Energiesparmodus wieder in den Messbetrieb geht.
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3 zeigt einen vereinfachten Aufbau einer Eingangsschaltung E eines 4..20 mA Gerätes. Bei dem Gerät kann es sich bspw. um einen Messumformer oder eine andere Zwei-Leiter-Prozessvorrichtung handeln.
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Der Strom in der 4..20 mA-Schleife wird durch den Transistor T1 eingestellt und über den Strommesswiderstand R1 und den Rückkoppelwiderstand R2 überwacht. Der Sollwert des Stroms in der Zwei-Leiter-Schleife 2L wird durch den Mikrocontroller als PWM-Signal PS ausgegeben und durch das Filter R3, R4 und C1 in ein Gleichspannungssignal gewandelt. Im Summenpunkt S werden Sollwert und Istwert des Stroms verglichen. Bei einer Differenz zwischen Ist- und Sollwert wird über den Differenzverstärker IC2, T2 und T1 der Strom in der Stromschleife so lange nachgeregt, bis er dem Sollwert entspricht.
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Als Teil der Überwachungseinheit UE überwacht der Komparator IC1 die positive Versorgungsspannung in der Zwei-Leiter-Schleife 2L. Sollte der Wert unter die Referenzspannung VR (welche kleiner als die Zenerspannung der Diode D1 ist) fallen, aktiviert der Komparator IC1 seinen Ausgang „IRQ” und gibt ein entsprechendes Steuersignal an den als Steuereinheit SE dienenden Mikrocontroller ab. Dieser reagiert auf das Signal, indem er zuerst alle nicht benötigten Schaltungsteile wie z. B. die Messung (nicht gezeigt) abschaltet und sich dann in einen energiesparenden Betriebsmodus, wie bspw. einen „Schlafmodus”, versetzt. Der PWM-Ausgang PS wird dabei bspw. auf eine feste Gleichspannung gelegt, so dass letztendlich der Transistor T1 voll angesteuert wird. Da die Spannung in der 4..20 mA-Stromschleife nun kleiner als die Zenerspannung der Diode D1 ist, kann nun der vom als Steuereinheit SE dienenden Mikrocontroller im Schlafmodus benötigte Strom (welcher sehr gering ist) aus der Stromschleife 2L entnommen werden. Es ist zudem ein als Energiepuffer dienender Kondensator C2 vorgesehen, der im Fall eines Spannungsabfalls in der Stromschliefe zur Versorgung des Mikrokontrollers SE dient.
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Die gesamt Schaltung befindet sich nun im Energiesparmodus. Sollte die Spannung in der Stromschleife wieder einen Wert, der größer als die Referenzspannung VR, erreichen, wird das als Steuersignal dienende IRQ-Signal wieder vom Komparator IC1 zurückgenommen und der als Steuereinheit S dienende Mikrocontroller nimmt seinen normalen Betriebszustand ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054883 A1 [0002]
- DE 102007045884 A1 [0003]
