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Die Erfindung betrifft eine Schnittstelle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Solch eine Analog-Schnittstelle ist dafür ausgelegt, den analogen Eingang einer digitalen Anzeige-, Steuer- oder Regel-Schaltung (nachstehend als Folgeschaltung bezeichnet) nach Maßgabe eines physikalischen Messwertes anzusteuern, der in einer Mess-Strecke vom Sensor eines Feldgerätes erfasst wird. Über die Folgeschaltung kann dann auf den Zustand in der Strecke eingewirkt, etwa bei der Raumklimatisierung ein Stellglied für die Heizleistung oder für die Frischluftzufuhr beeinflusst werden.
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EP 1 500 992 A1 beschreibt eine Anordnung zur Bedienung von Feldgeräten einer betriebstechnischen Anlage eines Gebäudes. Bei der dort beschriebenen Schnittstellenanordnung arbeitet ein Signal-Anschluss, je nach aktueller Vorgabe über ein umsteuerbares Schaltnetzwerk, bidirektional, also wahlweise als Messgrößen-Eingang oder als Stellgrößen-Ausgang.
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Bei Schnittstellen, die insbesondere an den Standards der industriellen Prozesstechnik orientiert sind, wird der variable Messwert physikalischer Größen innerhalb seiner vorgegebenen Grenzen gemäß der NAMUR-Empfehlung NE 28 (Titel: Ausführung von elektrischen Steckverbindungen für die analoge und digitale Signalübertragung an Labor-MSR-Einzelgeräten; Seiten 21 f, Kapitel 2.2 Elektrische Eigenschaften der analogen Signalverbindungen) vermittels eines eingeprägten Gleichstromes zwischen 0 mA und 20 mA als analogem elektrischem Signal linear abgebildet (bei Zweileiter-Schnittstellen ab 4 mA). Für das Umsetzen dieses Stromes in ein Signal zwischen 0 Volt und 10 Volt Spannungsabfall über der Schnittstellen-Bürde beträgt deren Widerstand folglich 500 Ohm. Mit solchem Sensorwerte repräsentierenden, vereinheitlichten Signal wird typischerweise als Folgeschaltung eine etwa als Regler ausgelegte SPS-Schaltung (SpeicherProgrammierte Steuerung) gespeist. Deren Eingangs-Impedanz (einschließlich Leitungswiderständen) ist die genannte Bürde, die niedrig ist im Vergleich zum Innenwiderstand der vom Messumformer, dem Sensor angesteuerten und in einem Mikrocomputer realisierten einstellbaren Konstantstromquelle der Schnittstelle.
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Bei dagegen eher gebäudetechnisch orientierten Anlagen ist das den Messwert darstellende analoge Signal für die Folgeschaltung eine Gleichspannung, die üblicherweise zwischen 0 Volt und 10 Volt skaliert ist. Mit diesem, die Sensorwerte repräsentierenden, vereinheitlichten Signal wird typischerweise eine DDC-Regelschaltung (Direct Digital Control) als Folgeschaltung gespeist. Die Eingangs-Impedanz der Folgeschaltung ist dann mit typisch 20 kOhm hoch im Vergleich zum Innenwiderstand der sensorgeführt steuerbaren Konstantspannungsquelle in der Schnittstelle. Für ein Maximalsignal von 10 Volt muss die Treiber-Ausgangsstufe deshalb 0,5 mA auf diese Bürde liefern.
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Die Folgeschaltung greift ihr Eingangssignal als momentanen Spannungsabfall über deren Eingansimpedanz ab, die zugleich Bürde der Schnittstelle ist. Daraus resultiert, dass eine Folgeschaltung mit niedriger Eingangs-Impedanz von der Schnittstelle her nicht spannungsgesteuert betrieben werden kann, und ungekehrt. Der Anlagen-Errichter muss deshalb vorsorglich eine größere Anzahl an Schnittstellen unterschiedlicher schaltungstechnischer Auslegung vorrätig halten, als dann tatsächlich benötigt wird, was den logistischen Aufwand erheblich verteuert. Oder Montagearbeiten müssen unterbrochen werden, um die Schnittstelle in der bezüglich der vorliegenden Folgeschaltung gerade fehlenden Schaltungsvariante zu beschaffen; was schon aufgrund der Montageverzögerung kostspielig ist, weil die Anlage noch nicht fertiggestellt werden kann.
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Zwar gibt es am Markt Sonderausführungen von Schnittstellen, die für alternative Funktionen in beiden Betriebsweisen ausgelegt sind, zwischen denen zum Montagezeitpunkt vor Ort durch manuelles Umschalten mittels DIP-Schaltern oder Miniatur-Überbrückungssteckern (JUMPER) ausgewählt werden kann. Aber das ist apparativ aufwändig; und unter den rauen Umgebungsbedingungen in einer verfahrens- oder gebäutechnischen Anlage ist die Gefahr von manuellen Fehleinstellungen und dann daraus resultierenden Betriebsstörungen oder gar Geräteausfällen nicht vernachlässigbar.
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Vorliegender Erfindung liegt deshalb die technische Problemstellung zugrunde, bei der Schnittstellen-Zuordnung zu Folgeschaltungen manuelle Austausch- oder Einstellvorgänge möglichst völlig zu erübrigen und dadurch sowohl die Fehleranfälligkeit bei der Installation wie auch den logistischen Aufwand hinsichtlich des Erfordernisses zu senken, unterschiedlich ausgelegte Schnittstellen vorrätig halten zu müssen.
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Die vorstehend umrissene Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Danach ist die Schnittstelle dafür ausgelegt, zu erkennen, ob eine aktuell anzuschließende Folgeschaltung bei ihrem Anschluss einen vergleichsweise niedrigen oder einen dagegen hohen Eingangswiderstand als Bürde für die Schnittstelle bietet. Dementsprechend aktiviert ein elektronischer Umschalter den stromsteuernden oder den spannungssteuernden Modus der Schnittstelle. Damit erübrigt sich jegliches Erfordernis zeitaufwändiger und fehleranfälliger menschlicher Auswahl- beziehungsweise Eingriffsmaßnahmen: Mit dem Anschließen der gerade verfügbaren, vom Feldgerät anzusteuernden Folgeschaltung an die zwischen beiden gelegene Schnittstelle wird diese Schnittstelle vollautomatisch auf den gerade an sie angeschlossenen Folgeschaltungs-Typ umgeschaltet, also hinsichtlich des strom- oder des spannungsgesteuerten Analogeinganges der vorliegenden Folgeschaltung darauf eingestellt.
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Der Umschalter muss für diese widerstandsabhängige Umsteuerung nicht mit einer diskreten Widerstandsmessschaltung für die Bürde der Schnittstelle, also für den Eingangswiderstand (Impedanz) ihrer Folgeschaltung ausgelegt sein. Es genügt eine momentane Bewertung des beim Anschließen des Folgegerätes einsetzenden Stromflusses über den Ausgang der Schnittstelle und damit über den Eingang der Folgeschaltung, also des stromabhängigen Spannungsabfalles über der Schnittstellen-Bürde und damit über der Folgeschaltungs-Impedanz. Bei signifikant niedrig bleibendem Stromfluss mit gleichzeitig erkennbarem Spannungsabfall über die Bürde stellt sich die Schnittstelle auf Spannungssteuerung ein. Dagegen wird in der Schnittstelle selbsttätig auf den Konstantstrom-Steuermodus umgeschaltet, wenn der Ausgangsstrom beim Anschließen der Folgeschaltung sogleich auf einen signifikant großen Wert ansteigt, was sich in der Schnittstelle ebenfalls als erkennbarer Spannungsabfall über die Bürde an ihrem Ausgang darstellt.
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Für das Umschalten der Betriebsweise der Schnittstelle können die Konstantspannungssteuerung und die Konstantstromsteuerung mit ihren Strom- und Spannungskonstantern beide schaltungstechnisch parallel realisiert und auf eine gemeinsame, dann die Bürde speisende Endstufe geschaltet sein. Der Umschalter bewirkt, dass nur einer der beiden verfügbaren Steuerungsmodi wirksam wird, je nachdem, wie stark der Bürdenstrom bei Anschließen der Folgeschaltung an die Schnittstelle einsetzt.
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Andererseits kann die Schnittstelle auch dafür ausgelegt sein, messwertabhängig sowohl eine Konstantspannung als auch einen Konstantstrom unabhängig voneinander vorzugeben. Im Konstantstrom-Modus arbeitet die Schnittstelle dann mit einer vorgegebenen Maximalspannung von 15 Volt, nämlich für das Bedienen einer Bürde von 750 Ohm mit maximal 20 mA; wobei der tatsächliche Ausgangsstrom natürlich sensorabhängig vom Stromkonstanter bestimmt wird. Im Konstantspannungs-Modus dagegen arbeitet die Schnittstelle mit einer Maximalstrom-Begrenzung bei typisch 1 mA durch eine Bürde von 10 kOhm.
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Schließlich ist es im Rahmen vorliegender Erfindung auch möglich, eine universelle Konstanterschaltung in der Schnittstelle derart mit Zugriffsmöglichkeiten zu diskreten Schaltungselementen auszulegen, dass, über den Betriebsarten-Umschalter etwa in Form einer in ASIC realisierten logischen Schaltung, Eingriffe in deren Konstanter-Topologie möglich sind, die zu entweder Konstantstrom- oder aber Konstantspannungs-Verhalten am Ausgang der Schnittstelle führen.
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Jedenfalls braucht der Monteur sich nun überhaupt nicht mehr darum zu kümmern, ob zutreffende Paarungen hinsichtlich einerseits der Arbeitsweise der Schnittstelle und andererseits der Auslegung des Analogeinganges der Folgeschaltung angeliefert wurden - mit dem Anschließen der Folgeschaltung an die Schnittstelle wird die Eingangs-Impedanz der Folgeschaltung zur Bürde der Schnittstellen-Ausgangsstufe, und die Schnittstelle passt sich hinsichtlich ihres Steuerungsverhaltens ohne manuelle Eingriffs- oder Austauscherfordernisse der Eingangs-Impedanz der Folgeschaltung an.
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Erfindungsgemäße Weiterbildungen und deren Abwandlungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt, skizziert nach Art abstrahierter Blockschaltpläne unter Beschränkung auf das Funktionswesentliche, die Einbeziehung einer erfindungsgemäß ausgelegten Schnittstelle samt ihrer Folgeschaltung in einen Regelkreis.
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Mittels eines Messumformers in Form des Sensors 23 eines Feldgerätes 21 wird die Situation oder Veränderung einer physikalischen Größe in einer Strecke 22, etwa in einer Fluidströmung, erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das kann als analoger elektrischer Messwert 24 vielfältig einer Vorverarbeitung 25 unterworfen werden, etwa einer Konditionierung hinsichtlich Störüberlagerungen, einer Linearisierung oder einer Skalierung hinsichtlich der Dynamik des Messwertes 24. Dazu kann die Vorverarbeitung 25 entgegen der Zeichnung auch außerhalb des Feldgerätes 21 installiert sein. Der gewöhnlich derart vorverarbeitete Messwert 24' soll als Istwert eine Folgeschaltung 26 ansteuern, die etwa mit einem, zusätzlich mit einer Führungsgröße 27 beaufschlagten, Regler 38 ausgestattet ist. Die Folgeschaltung 26 liefert dann ein Steuersignal 28 an ein Stellglied 29, etwa eine Heizung oder eine Pumpe, zu Beeinflussung des Mediums in der Strecke 22.
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Handelsübliche Folgeschaltungen 26 werden über einen Analog-Eingang 30 auf eine Eingangs-Impedanz 31 bestromt, nämlich entweder mit einem variabel eingeprägten Stromwert oder aber über einen variablen Spannungswert als dem in der Schnittstelle 32 umgesetzten Messwert 24". Der repräsentiert für die Folgeschaltung 26 den physikalischen Messwert 24 in vorgegeben Messbereichsgrenzen als ein elektrisches Signal, das von der nachfolgenden Schaltung an der Impedanz 31 abgegriffen wird.
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Dem Umsetzen (24' => 24") des Messwertes 24 (beziehungsweise 24') zur Anpassung an die Impedanz 31 der gerade gegebenen Folgeschaltung 26 dient eine zwischen Stromsteuerung und Spannungssteuerung mittels eines Umschalters 33 erfindungsgemäß selbsttätig umsteuernde Schnittstelle 32, gelegen zwischen dem Feldgerät 21 und seiner Folgeschaltung 26. Mittels dieses Umschalters 33 erfolgt die Anpassung der Schnittstelle 32 an die Folgeschaltung 26 vollautomatisch, abgeleitet aus dem an ihrem Eingang 30 feststellbaren Verhalten der Folgeschaltung 26 bei ihrem Anschließen an die Schnittstelle 32. Wenn nämlich ein großer Eingangsstrom 34 einsetzt, weil die Impedanz 31 eine niedrige Bürde im Vergleich zum Innenwiderstand der Schnittstelle 32 darstellt, wird die Schnittstelle 32 vom Umschalter 33 auf Konstantstrom-Steuerung eingerichtet; der umgesetzte Sensor-Messwert 24" ist nun ein Gleichstrom, dessen Ausgabe an die Folgeschaltung 26 unterhalb eines schaltungstechnisch vorgegebenen Grenzwertes von typisch 20 mA dem Messwert 24" folgt.
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Wenn dagegen bei Inbetriebnahme der Folgeschaltung 26 ein nur minimaler Eingangsstrom 34 fließt, ist die Impedanz 31 eine große Bürde im Vergleich zum Innenwiderstand der Schnittstelle 32, die dadurch praktisch im Leerlauf betrieben wird; der Umschalter 33 stellt die Arbeitsweise der Schnittstelle 32 auf Konstantspannungs-Steuerung um, bei welcher der umgesetzte Sensor-Messwert 24" eine Gleichspannung ist, nämlich das Produkt aus Bürdenimpedanz 31 und variablem Eingangsstrom 34, das unterhalb eines maximalen Spannungswertes schwankt, der üblicherweise 10 Volt beträgt.
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Wie oben schon erwähnt, kann die Schnittstelle 32 schaltungsmäßig oder funktional doppelt erstellt sein, etwa durch Abbildungen im Programm eines Mikrocomputers 35 für die Realisierung der sensorgeführten Strom- und Spannungskonstanter. Davon kann dann entweder der stromeinprägende oder der spannungsgebende Modus vom Umschalter 33 auf eine gemeinsame Ausgangsstufe 35 durchgeschaltet werden, also entweder für Strom- oder für Spannungssteuerung der Folgeschaltung 26.
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Stromsteuerung ist erforderlich, wenn die Eingangs-Impedanz 31 der Folgeschaltung 26 niedrig ist, typischerweise bei 750 Ohm oder darunter (aber jedenfalls über 400 Ohm) liegt. Die Ausgangsspannung der Schnittstelle 32 wird dazu mittels eines Spannungskonstanters 37 auf einen Wert (im Rechenbeispiel auf 15 Volt) fixiert, bei dem diese Bürde einen maximalen Eingangsstrom 34 von 20 mA fließen lässt, den größtmöglichen auf Konstantstromsteuerung umsetzbaren Messwert 24".
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Bei hoher Eingangs-Impedanz 31 der Folgeschaltung 26, in der Größenordnung von typisch wenigstens 10 kOhm, ist Konstantspannungssteuerung aus der Schnittstelle 32 erforderlich. Dafür wird der maximal auftretende Ausgangsstrom 34 auf 1 mA begrenzt, weil das an dieser Ausgangs-Bürde der Schnittstelle 32, also über die Eingangs-Impedanz 31 der Folgeschaltung 26 als deren Eingangsspannung einen Spannungsabfall von 10 Volt als dem größtmöglichen umgesetzten Messwert 24" abgreifen lässt.
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Die schaltungsmäßige Auslegung der sensorgeführt strom- oder spannungsstabilisierenden Arbeitsweisen des Mikrocomputers 35 in den Schnittstellen 32 ist im Übrigen nicht Gegenstand vorliegender Erfindung, dafür kann auf die Schaltungen handelsüblicher Schnittstellen etwa gemäß dem eingangs referierten Stand der Technik zurückgegriffen werden; was entsprechend für die Folgeschaltung 26 gilt.
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Somit sind die zeitraubenden Zwänge zu paarweise einander angepasstem Bereitstellen von je einer Schnittstelle 32 und Folgeschaltung 26 an den Montageort, oder gar zu manuellen Eingriffen in die Schnittstelle 32 zwecks dieser Anpassung am Montageort, erfindungsgemäß dadurch überwunden, dass bei der vom Feldgerät 21 angesteuerten Schnittstelle 32 ein selbsttätiger Umschalter 33 für Aktivieren entweder einer Stromsteuerung oder einer Spannungssteuerung zum Betrieb der Folgeschaltung 26 vorgesehen ist. Das Umschaltkriterium ist bevorzugt, ob die gerade anzuschließende Folgeschaltung 26 eine niedrige oder eine hohe Eingangs-Impedanz 31 aufweist und demzufolge die Höhe des Eingangsstromes 34 in die Folgeschaltung 26, der vorübergehend auftritt, wenn diese an die Schnittstelle 32 angeschlossen wird. Weil erst danach ein Umschalten auf Betrieb der Schnittstelle 32 mit Strom- oder Spannungskonstanter im Mikrocomputer 35 eintritt, kann eine vorsorgliche Zeitbegrenzung für das Auftreten des hohen Einschaltstromes 34 vorteilhaft sein. Andererseits kann es zweckmäßig sein, etwa in der Schnittstelle 32 oder in der Folgeschaltung 26 für Testzwecke einen Taster 39 vorzusehen, mittels dessen die Ansteuerung der Folgeschaltung 26 über die Schnittstelle 32 vorübergehend unterbrochen werden kann, um mittels des anschließend auftretenden Einschaltstromes 34 die Auswahl zwischen strom- oder spannungssteuernder Arbeitsweise der Schnittstelle 32 zu aktualisieren.
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Da die Stromsteuerung einen messwertabhängig gesteuerten Strom von typisch maximal 20 mA bedingt, sind gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung mit der Konstantstromregelung in der Schnittstelle 32 zugleich Überwachungs- und Schutzfunktionen realisierbar, etwa zur Sicherheit gegen Leitungsbruch und gegen Überlast oder gar Kurzschluss am Ausgang der Schnittstelle 32.
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Jedenfalls stellt der Steuerungsmodus der Schnittstelle 32 sich automatisch auf die gerade angeschlossene Folgeschaltung 26 hinsichtlich ihres Erfordernisses einer Strom- oder Spannungssteuerung ein und erübrigt damit jegliche manuelle oder logistische Anpassungsmaßnahme zwischen der Schnittstelle 32 und ihrer Folgeschaltung 26.
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Bezugszeichenliste
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- 21
- Feldgerät (mit 23)
- 22
- Strecke
- 23
- Sensor (in 22, für 24)
- 24
- Messwert, 24' vorverarbeiteter Messwert, 24" umgesetzter Messwert
- 25
- Vorverarbeitung (von 24)
- 26
- Folgeschaltung (nach 32)
- 27
- Führungsgröße (für 38)
- 28
- Steuersignal (aus 26, auf 29)
- 29
- Stellglied (nach 26)
- 30
- Eingang (von 26)
- 31
- Impedanz (bei 30)
- 32
- Schnittstelle (für 26)
- 33
- Umschalter (bei 32)
- 34
- Eingangsstrom (aus 32 nach 26)
- 35
- Mikrocomputer (in 32)
- 36
- Ausgangsstufe (von 32)
- 37
- Spannungskonstanter (in 32)
- 38
- Regler (in 26)
- 39
- Taster (vor 30)
