DE102017101843A1

DE102017101843A1 - Übertragungssicheres Feldgerät

Info

Publication number: DE102017101843A1
Application number: DE102017101843.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Schäuble; Simon Gerwig; Wolfgang Brutschin; Christian Strittmatter
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein ein Feldgerät (1) mit einer übertragungssicheren Schnittstelle (2) und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb der Schnittstelle (2). Hierfür umfasst die Schnittstelle (2) erfindungsgemäß zumindest: Einen Signaleingang (21), einen Signalwert-Speicher (241, 242, 243), der während eines Normalbetriebs-Zyklus, in dem das Feldgerät ein Einheitssignal (s) an die übergeordnete Einheit (3) überträgt, den Wert des Einheitssignals (s) speichert, und eine Signalwert-Stelleinheit (251, 252, 252'), die während eines Datenempfangszyklus, in dem das Feldgerät das Einheitssignal (s) überträgt und zumindest ein Empfangsdatensignal (s) von der übergeordneten Einheit (3) empfängt, das im Signalwert-Speicher (241, 242, 243) gespeicherte Einheitssignal (s) am Signaleingang (21) einstellt. Hierdurch wird erfindungsgemäß verhindert, dass während der Datenempfangszyklen am Signaleingang (21) ein verfälschtes Einheitssignal (s) anliegt, welches durch das überlagerte Empfangsdatensignal (s) verfälscht werden könnte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einer übertragungssicheren Schnittstelle und ein Verfahren zum Betrieb der Schnittstelle.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden entsprechende Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessgrößen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Allgemein werden auch all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung unter Feldgeräten zusätzlich auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Übertragung von Messwerten durch Feldgeräte an eine übergeordnete Einheit, beispielsweise an eine Prozessleitstelle, sind in der Automatisierungstechnik insbesondere Einheitssignale nach dem 4-20mA Standard weit verbreitet. Durch solch analoge Signale kann eine sichere und einfache Datenübertagung des jeweiligen Messwertes gewährleistet werden. Im Falle des 4-20 mA Standards (wie in der Norm DIN IEC 60381-1 definiert ist) wird der auf jeweils einer Hin- und Rückleitung fließende Gleichstrom so eingestellt, dass er den aktuellen Wert der Prozessgröße repräsentiert. Im Falle eines spannungsbasierten Einheitssignals wird zwischen der Hin- und Rückleitung ein entsprechender Spannungswert abgegriffen. Handelt es sich um ein Zweidraht-Feldgerät, so erfolgen die Energieversorgung des Feldgerätes und die Übertragung des Einheitssignals über die gleiche Zweidrahtleitung. Bei einer Vierdraht-Schnittstelle erfolgt die Energieversorgung separat über die zwei zusätzlichen Leitungen. Beispielsweise wird ein Feldgerät mit einer 4-20 mA Schnittstelle in der Veröffentlichungsschrift DE 10 2013 114 377 A1 gezeigt.
Bei modernen Feldgeräten werden über die Zweidrahtleitung (oder bei Vierdraht-basierten Feldgeräten jeweils über die zwei signalführenden Leitungen) neben dem analogen Einheitssignal auch digitale Datensignale übertragen. Dabei kann es sich beispielsweise um Konfigurations- oder Kalibrationsdaten handeln, die von der übergeordneten Einheit an das Feldgerät übertragen werden. Als Protokoll für solche Datensignale wird beispielsweise das HART® Protokoll verwendet. Je nach verwendetem Protokoll kann es jedoch während der Übertragung von Daten gemäß solch einem Protokoll zu einer Verfälschung des eigentlichen Einheitssignals vorkommen, da der Spanungs- bzw. Stromwert des Datensignals nicht „mittelwertfrei“ ist. Als Folge werden falsche Prozessgrößen, wie Pegelstände, Druckwerte oder Durchflussraten vom Feldgerät an die übergeordnete Einheit übermittelt. Dies kann schlimmstenfalls zu ernsthaften Zwischenfällen in der Prozessanlage führen.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine verfälschungsarme Schnittstelle für Feldgeräte bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Feldgerät mit einer Schnittstelle, die zur Übertragung von einem Einheitssignal dient. Dabei ist das Feldgerät derart ausgelegt, um über die Schnittstelle neben dem Einheitssignal zusätzlich zumindest ein Empfangsdatensignal zu empfangen. Hierzu umfasst die Schnittstelle erfindungsgemäß zumindest folgende Komponenten:

- Einen Signaleingang mit zumindest einem ersten Signalpfad und einem zweiten Signalpad, über die das Einheitssignal des Feldgerätes an eine übergeordnete Einheit übertragbar ist,
- einen Signalwert-Speicher, der während eines Normalbetriebs-Zyklus, in dem das Feldgerät das Einheitssignal an die übergeordnete Einheit überträgt, den Wert des Einheitssignals speichert, und
- eine Signalwert-Stelleinheit, die während eines Datenempfangszyklus, in dem das Feldgerät das Einheitssignal überträgt und zumindest ein Empfangsdatensignal von der übergeordneten Einheit empfängt, das im Signalwert-Speicher gespeicherte Einheitssignal am Signaleingang einstellt.

Die erfindungsgemäße Idee der Schnittstelle besteht darin, das Einheitssignal während derjenigen Zyklen, in denen keine zusätzliche digitale Datenübertragung stattfindet, nicht nur an die übergeordnete Einheit weiterzuleiten, sondern auch zusätzlich in dem Signalwert-Speicher zu speichern bzw. den gespeicherten Wert innerhalb dieser Zyklen stetig zu aktualisieren. Bei dem gespeicherten Einheitssignal-Wert kann davon ausgegangen werden, dass dieser unverfälscht ist, da in diesen Zyklen keine zusätzliche Datenverarbeitung stattfindet. Während der Zyklen, in denen zusätzliche Datenübertragung stattfindet (diese Zyklen beschränken sich in der Regel auf Zeiträume einiger Millisekunden), wird nicht das momentan durch das Feldgerät generiete Einheitssignal an die übergeordnete Einheit gesendet (da dies durch die zusätzliche digitale Datenübertragung abrupt um bis zu 10 % verfälscht werden kann), sondern der gespeicherte, unverfälschte Wert. Hierdurch werden die Übertragung falscher Prozessgrößen und somit potentielle Gefahrenzustände an der Prozessanlage verhindert.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Schnittstelle bietet sich vor allem dann an, wenn es sich bei dem Einheitssignal um ein Stromsignal nach DIN IEC 60381-1, insbesondere ein 4-20 mA Signal, handelt, da strombasierte Einheitssignale die in der Prozessautomation gängigste Signalart für entsprechende Prozessgrößen darstellen.
Die Realisierung des Signalwert-Speichers kann sowohl auf analoger, als auch auf digitaler schaltungstechnischer Basis erfolgen. Im Falle analoger Realisierung besteht eine einfache Umsetzungsmöglichkeit darin, dass der Signalwert-Speicher einen Kondensator mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss umfasst. In diesem Fall ist der erste Anschluss des Kondensators derart mit dem ersten Signalpfad oder dem zweiten Signalpfad verbunden, dass der Wert des Einheitssignals während des Normalbetriebszyklus in Form eines Spannungswertes im Kondensator gespeichert ist (der zweite Anschluss kann beispielsweise mit dem Massepotential verbunden sein). Um zu erreichen, dass der Kondensator das Einheitssignal nur während des Normalbetriebsmodus speichert, kann ein erstes Schaltelement derart zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators und dem ersten Signalpfad oder dem zweiten Signalpfad verschaltet werden, dass es während des Normalbetriebszyklus geschlossen und während des Datenempfangszyklus geöffnet ist.
Wenn es sich bei dem Einheitssignal um ein Spannungssignal (beispielsweise nach dem 2-10 V Standard) handelt, ist gegebenenfalls keine weitere Vorverarbeitung des Einheitssignals zur Speicherung im Kondensator notwendig, sofern von einer etwaigen Spannungswandlung abgesehen werden kann. Handelt es sich jedoch bei dem Einheitssignal um ein Stromsignal, so ist dem ersten Anschluss des Kondensators ein entsprechender Strom-/ Spannungswandler vorzuschalten.
Auch die Realisierung der Signalwert-Stelleinheit richtet sich danach, ob es sich bei dem Einheitssignal um ein Spannungssignal oder ein Stromsignal handelt: Im Fall von Spannungssignalen kann als Signalwert-Stelleinheit beispielsweise eine gesteuerte Spannungsquelle eingesetzt werden. Bei Verwendung eines Kondensators als Signalwert-Speicher kann solch eine Spannungsquelle derart ausgelegt sein, dass sie die Ausgangs-Spannung (die den Wert des Einheitssignals repräsentiert) zur übergeordneten Einheit hin in Abhängigkeit des Spannungswertes, der am Kondensator anliegt, steuert.
Vor allem bei Stromsignalen als Einheitssignalen kann eine Transistorbasierte Analog-Schaltung als Signalwert-Stelleinheit eingesetzt werden. Hierbei bieten sich aufgrund ihrer einstellbaren Stromleiteigenschaften insbesondere Bipolar-Transistoren an. Wenn zudem ein Kondensator als Signalwert-Speicher eingesetzt wird, umfasst die Signalwert-Stelleinheit in diesem Fall vorzugsweise zumindest:

- einen ersten Transistor, der als steuerbare Stromquelle fungiert, und
- eine Vorschaltung, die in Abhängigkeit des Spannungswertes, der während des Normalbetriebszyklus am ersten Anschluss des Kondensators anliegt, den Basis- oder Gate- Anschluss des ersten Transistors derart ansteuert, dass sich zwischen dem Source- oder Emitter- Anschluss und dem Drain- oder Kollektor- Anschluss des ersten Transistors der Wert des Einheitssignals einstellt.

Bei Verwendung einer Transistor-basierten Signalwert-Stelleinheit gibt es zumindest im Falle von strombasierten Einheitssignalen zwei grundsätzliche Varianten, den ersten Transistor zu verschalten:
Entweder erfolgt die Verschaltung des ersten Transistors in Reihe entlang des ersten oder des zweiten Signalpfades. In diesem Fall ist der erste Transistor derart im ersten Signalpfad oder im zweiten Signalpfad angeordnet, dass der Source- oder Emitter- Anschluss des ersten Transistors und der Drain- oder Kollektor- Anschluss des ersten Transistors im ersten Signalpfad oder im zweiten Signalpfad angeordnet sind. Bei dieser Variante der ersten Transistor-Verschaltung ist keine zusätzliche Maßnahme erforderlich, damit das etwaige „verfälschte“ Einheitssignal während des Datenempfangszyklus nicht zur übergeordneten Einheit übermittelt wird, da der erste Transistor im Falle der Reihenverschaltung den Strom entlang des ersten und zweiten Signalpfades fest einprägt und somit im Zweifelsfall begrenzt.
Alternativ zu einer Reihenschaltung ist es außerdem möglich, den ersten Transistor parallel zwischen dem ersten und zweiten Signalpfad zu verschalten (in diesem Fall könnte der erste Transistor zudem alternativ auch als gesteuerte Spannungsquelle für spannungsbasierte Einheitssignale verschaltet werden). Demensprechend ist der erste Transistor bei paralleler Verschaltung vorzugsweise derart zwischen dem ersten Signalpfad und dem zweiten Signalpfad angeordnet, dass der Drain- oder Kollektor- Anschluss des ersten Transistors mit dem ersten Signalpfad kontaktiert ist, und dass der Source- oder Emitter- Anschluss des ersten Transistors mit dem zweiten Signalpfad kontaktiert ist.
Damit der erste Transistor bei paralleler Verschaltung entsprechend der erfindungsgemäßen Idee nur während des Datenübertragungszyklus aktiv ist, kann dem Source- oder Emitter- Anschluss des ersten Transistors, oder dem Drain- oder Kollektor- Anschluss des ersten Transistors ein zweites Schaltelement derart nachgeschaltet werden, so dass das Schaltelement nur während des Datenempfangszyklus kurzgeschlossen ist.
Im Gegensatz zu einer Reihenverschaltung muss bei paralleler Anordnung des ersten Transistors zudem dafür Sorge getragen werden, dass das Feldgerät während des Datenübertragungszyklus das eigentliche („verfälschte“) Einheitssignal nicht an die Übertragungseinheit übertragen kann. Hierzu bietet es sich erfindungsgemäß beispielsweise an, im ersten Signalpfad oder im zweiten Signalpfad ein drittes Schaltelement derart zu verschalten, welches das Feldgerät nur während des Normalbetriebszyklus mit der übergeordneten Einheit kontaktiert.
Vor allem bei einer parallelen Anordnung des ersten Transistors ist es vorteilhaft, wenn die Schnittstelle eine Energieversorgungseinheit umfasst, die das Feldgerät während des Datenempfangszyklus über den ersten Signalpfad und den zweiten Signalpfad mit elektrischer Energie versorgt. Denn zumindest, wenn ein Schaltelement ersten Signalpfad oder im zweiten Signalpfad angeordnet ist, welches das Feldgerät nur während des Normalbetriebszyklus mit der übergeordneten Einheit kontaktiert, ist keine Energieversorgung über die übergeordnete Einheit möglich.
Die Platzierung der Schnittstelle kann direkt im Gehäuse des Feldgerätes erfolgen. Daneben ist es aber auch denkbar, dass die Schnittstelle in einem separaten Gehäuse zum Feldgerät angeordnet ist. Dadurch könnte die Schnittstelle beispielsweise als Adapter für eine Vielzahl an Feldgerätetypen eingesetzt werden.
Je nach Feldgerätetyp erfolgt eine digitale Datenübertragung nicht nur von der übergeordneten Einheit an das Feldgerät, sondern auch vom Feldgerät ausgehend. Auch in diesen Fällen wird ein entsprechendes Datenausgabesignal, diesmal vom Feldgerät, auf das ursprüngliche Einheitssignal aufmoduliert. Der Abgriff eines solchen Signals kann zum Beispiel als Differenzsignal zwischen dem ersten Signalpfad und dem zweiten Signalpfad erfolgen. Dementsprechend sieht eine bevorzugte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Schnittstelle vor, dass sie einen Datenanschluss zum Senden digitaler Datenausgabesignale und/oder zum Empfang der digitalen Empfangsdatensignale umfasst, wobei zumindest die digitalen Datenausgabesignale differentiell vom Feldgerät zwischen dem ersten Signalpfad und dem zweiten Signalpfad ausgegeben werden.
Analog zu der erfindungsgemäßen Schnittstelle wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes Verfahren zum Übertragen eines Einheitssignals eines Feldgerätes über einen Signaleingang einer Schnittstelle des Feldgerätes gelöst. Hierzu umfasst es folgende Verfahrensschritte:

- Speichern des Einheitssignal-Wertes in einem Signalwert-Speicher während eines Normalbetriebszyklus des Feldgerätes, wobei das Feldgerät während des Normalbetriebszyklus das Einheitssignal an eine übergeordnete Einheit überträgt, und
- Einstellen des im Signalwert-Speicher gespeicherten Einheitssignals am Signaleingang durch eine Signalwert-Stelleinheit während eines Datenempfangszyklus des Feldgerätes, wobei das Feldgerät während des Datenempfangszyklus das Einheitssignal überträgt und zumindest ein Empfangsdatensignal über den Signaleingang empfängt.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1: Ein erfindungsgemäßes Feldgerät, das über eine Schnittstelle mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist,
2: eine erste Ausführungsvariante der Schnittstelle, und
3: eine zweite Ausführungsvariante der Schnittstelle.

In 1 ist schematisch ein Feldgerät 1 mit einer erfindungsgemäßen Schnittstelle 2 gezeigt. Hierbei ist eine übergeordnete Einheit 3 über einen Signaleingang 21 der Schnittstelle 2 mit dem Feldgerät 1 verbunden. Die Verbindung dient primär der Übermittlung einer vom Feldgerät 1 gemessenen Prozessgröße (beispielsweise einem Füllstandswert oder einer Durchflussrate) an die übergeordnete Einheit 3, bei der es sich beispielsweise um eine Prozessleitstelle handeln kann. Da hierfür Einheitssignale s_e den gängigen Übertragungsstandard im Bereich der Prozessautomation bilden, besteht die Schnittstelle 2 zur übergeordneten Einheit 3 aus einer Zweidrahtleitung mit einem ersten Signalpfad 22 und einem zweiten Signalpfad 23. Natürlich wäre die Erfindung auch auf ein entsprechendes Vierdraht-basiertes Feldgerät anwendbar.
Neben der Übertragung des analogen Einheitssignals s_e an die übergeordnete Einheit 3 kann das Feldgerät 1 über die Schnittstelle 2 auch digitale Empfangsdatensignale s_in empfangen bzw. Datenausgabesignale s_out senden, beispielsweise auf Basis des HART® Protokolls.
Insbesondere bei „nicht mittelwertfreien“ Protokollen (dies bedeutet, dass der zeitliche Mittelwert der Spannung bzw. des Stroms bei solchen Protokollen ungleich null sein kann) kann es vorkommen, dass durch zusätzlich aufmodulierte Datensignale s_in , s_out das eigentliche Einheitssignal s_e auf dem ersten Signalpfad 22 und dem zweiten Signalpfad 23 verfälscht wird.
Eine mögliche Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Schnittstelle 2, die diese potentiellen Verfälschungen verhindert, ist in 2 dargestellt: Kern der dort gezeigten Schnittstelle 2 ist ein Kondensator 241. Dieser dient als Speicher für den Wert des Einheitssignals s_e , wobei das Einheitssignal s_e in einer Stromschleife über den ersten Signalpfad 22 und den zweiten Signalpfad 23 vom Feldgerät 1 an die übergeordnete Einheit 3 übertragen wird. Erfindungsgemäß speichert und aktualisiert der Kondensator 241 den Wert des Einheitssignals s_e nur während derjenigen Normalbetriebszyklen, in denen neben der Übertragung des Einheitssignals s_e keine zusätzlichen Datensignale s_in , s_out über den ersten Signalpfad 22 oder den zweiten Signalpfad 23 übertragen werden. Hierzu ist einem ersten Anschluss des Kondensators 241 ein erstes Schaltelement 242 vorgeschaltet. Der zweite Anschluss des Kondensators 241 liegt auf Masse. Das erste Schaltelement 242 ist so gesteuert, dass es den ersten Anschluss des Kondensators 241 während der Normalbetriebszyklen mit dem zweiten Signalpfad 23 verbindet. Während der Datenübertragungszyklen trennt es den Kondensator 241 vom zweiten Signalpfad 23, so dass er den zuletzt gespeicherten Wert des Einheitssignals s_e während der Datenübertragungszyklen nicht aktualisiert.
Die in 2 gezeigte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Schnittstelle 2 ist für strombasierte Einheitssignale s_e konzipiert. Da der Kondensator 241 den Wert des Stromsignals jedoch prinzipiell in Form einer Spannung speichert, ist dem ersten Schaltelement 242 (und somit zwischen dem Kondensator 241 und dem zweiten Signalpfad 23) ein Strom-/Spannungswandler 243 vorgeschaltet. Dieser basiert auf einem ersten Verstärker 244, der als nichtinvertierender Verstärker (auch bekannt als Elektrometer-Verstärker) verschaltet ist.
Dem ersten Anschluss des Kondensators 241 ist eine Signalwert-Stelleinheit 251, 252 nachgeschaltet. Mittels ihr wird während der Datenempfangszyklen, in denen über den ersten Signalpfad 22 und/oder den zweiten Signalpfad 23 zusätzlich Datensignale s_in , s_out übertragen werden, der im Kondensator 241 gespeicherte Stromwert s_e am Signaleingang 21 eingestellt. Hierzu umfasst die Signalwert-Stelleinheit einen zweiten Verstärker 254, dessen positiver Eingang am ersten Anschluss des Kondensators 241 anliegt. Der negative Eingang des zweiten Verstärkers 254 ist über einen Widerstand auf Masse geschaltet und über eine Kapazität mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers 254 rückgekoppelt. Der Ausgang des zweiten Verstärkers 254 steuert die Basis eines ersten bipolaren NPN-Transistors 251 an und stellt dadurch den Stromwert s_e zwischen Kollektor und Emitter des ersten Transistors 251 ein. Durch diese Verschaltung bilden der zweite Verstärker 254 und der erste, bipolare NPN-Transistor 251 eine spannungsgesteuerte Stromquelle.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante ist der Transistor 251 parallel zum ersten Signalpfad 22 und dem zweiten Signalpfad 23 angeordnet, so dass der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors 251 mit dem ersten Signalpfad 22 kontaktiert ist, und dass der Emitter-Anschluss des ersten Transistors 251 mit dem zweiten Signalpfad 23 kontaktiert ist. Ein zweites Schaltelement 253, dass zwischen dem Emitter des ersten Transistors 251 und dem zweiten Signalpfad 23 angeordnet ist, wird derart geschaltet, dass es während der Datenempfangszyklen kurzgeschlossen ist. Dadurch wird am Signaleingang 21 während der Datenempfangszyklen der Stromwert des Einheitssignals s_e durch den ersten Transistor 251 (und somit durch den im ersten Kondensator 241 gespeicherten Stromwert s_e ) eingestellt.
Aufgrund der Parallelanordnung des ersten Transistors 251 ist es erforderlich, dass der Signaleingang 21 während der Datenempfangszyklen vom ersten Signalpfad 22 und/oder dem zweiten Signalpfad 23 entkoppelt ist. Daher ist bei der Ausführungsvariante, die in 2 dargestellt ist, im ersten Signalpfad 22 ein entsprechend geschaltetes drittes Schaltelement 26 angeordnet, welches nur während der Normalbetriebszyklen geschlossen ist (alternativ könnte es genauso im zweiten Signalpfad 23 angeordnet sein). Das zweite Schaltelement 253 ist während der Normalbetriebszyklen geöffnet.
Wegen des dritten Schaltelements 26, das während der Datenübertragungszyklen geöffnet ist, wird die Energieversorgung des Feldgerätes 1 durch die übergeordnete Einheit 3 während der Datenübertragungszyklen unterbunden. Daher umfasst die Schnittstelle 2 eine (in Bezug zum Signaleingang 21) hinter dem dritten Schalter 26 angeordnete Energieversorgungseinheit 27. Sie basiert auf einem zweiten Kondensator 271, der zwischen dem ersten Signalpfad 22 und dem zweiten Signalpfad 23 angeordnet ist und als Energiespeicher fungiert. Während der Normalbetriebszyklen wird der zweite Kondensator 271 über einen DC/DC Spannungswandler 272 geladen, wobei der Spannungswandler 272 die erforderliche Ladespannung über eine Diode 274 abgreift, die im zweiten Signalpfad 23 angeordnet ist. Ein viertes Schaltelement 273, das zwischen dem zweiten Kondensator 271 und dem zweiten Signalpfad 23 angeordnet ist, ist während der Normalbetriebszyklen geöffnet und während der Datenempfangszyklen geschlossen. Dadurch versorgt der zweite Kondensator 271 das Feldgerät 1 während der Datenempfangszyklen mit elektrischer Energie.
Eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Schnittstelle 2 auf analoger Schaltungsbasis, deren Einsatz auf strombasierte Einheitssignale s_e beschränkt ist, wird in 3 dargestellt. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist der erste Transistor 251 nicht parallel zum ersten Signalpfad 22 und dem zweiten Signalpfad 23 angeordnet und als NPN-Transistor ausgestaltet. Bei der Ausführungsvariante in 3 handelt es sich um einen PNP-Transistor, der entlang des ersten Signalpfades 22 (Kollektor und Emitter befinden sich im ersten Signalpfad 22) angeordnet ist. Entsprechend unterscheidet sich die Ansteuerung der Basis des ersten Transistors 251 durch die Vorschaltung 252. Die Basis des PNP-Transistors 251 wird nicht, wie in 2, direkt durch den zweiten Verstärker 254, sondern (über einen Vorwiderstand) durch den Kollektor eines zweiten NPN-Transistors 255. Hierbei ist der Emitter des zweiten Transistors 255 über einen weiteren Vorwiderstand auf Masse geschaltet. Die Basis des zweiten Transistors 255 wird während der Datenempfangszyklen durch den Ausgang des zweiten Verstärkers 54 gesteuert.
Dass der erste Transistor 251 bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante den im Kondensator 241 gespeicherten Stromwert s_e nur während der Datenempfangszyklen im ersten Signalpfad 22 (und somit auch im zweiten Signalpfad 23) einprägt, wird durch ein viertes Schaltelement 256 bewirkt. Das vierte Schaltelement 256 schließt die Basis des ersten Transistors 251 während der Normalbetriebszyklen auf Masse, so dass der PNP-basierte erste Transistor 251 im ersten Signalpfad 22 während der Normalbetriebszyklen keinen Widerstand darstellt.
Da bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante auch während der Datenempfangszyklen weder der erste Signalpfad 22 noch der zweite Signalpfad 23 unterbrochen wird und somit jederzeit elektrische Energie von der übergeordneten Einheit 3 zum Feldgerät 1 übertragen wird, ist im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Schnittstelle 2 keine zusätzliche Energieversorgung des Feldgerätes 1 (siehe die Energieversorgungseinheit 27 in 2) erforderlich.
Die in 3 dargestellte Schnittstelle 2 umfasst zusätzlich einen Datenanschluss 28, über den nicht nur die digitalen Empfangsdatensignale s_in eingeprägt werden können (dies kann, wie zuvor beschrieben, alternativ auch durch die übergeordnete Einheit 3 erfolgen), sondern über die auch digitale Datenausgabesignale s_out des Feldgerätes 1 abgegriffen werden können. Sofern das Feldgerät 1 hierzu in der Lage ist, sendet das Feldgerät 1 Datenausgabesignale s_out standardmäßig als Differenzsignal zwischen dem ersten Signalpfad 22 und dem zweiten Signalpfad 23 aus. Dementsprechend ist der Datenanschluss 28 als zweipoliger Abgriff, mit jeweils einem Abgriff am ersten Signalpfad 22 und einem Abgriff am zweiten Signalpfad 23 ausgestaltet. Unabhängig davon, ob der erste Transistor 251 in Reihe oder parallel zum ersten Signalpfad 22 bzw. zweiten Signalpfad 23 angeordnet ist, muss der Datenanschluss 28 in Bezug zum Signaleingang 21 hinter dem ersten Transistor 251 angeordnet sein, damit ein etwaiges Datenausgabesignal s_out des Feldgerätes 1 abgreifbar ist. Unter Einhaltung dieser Vorgaben könnte der Datenanschluss 28 auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante implementiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
2: Schnittstelle
3: Übergeordnete Einheit
21: Signaleingang
22: Erster Signalpfad
23: Zweiter Signalpfad
26: Drittes Schaltelement
27: Energieversorgungseinheit
28: Datenausgang
241: Kondensator
242: Erstes Schaltelement
243: Strom-/Spannungswandler
244: Erster Verstärker
251: Erster Transistor
252: Vorschaltung
253: Zweites Schaltelement
254: Zweiter Verstärker
255: Zweiter Transistor
256: Viertes Schaltelement
271: Zweiter Kondensator
272: DC/DC-Spannungswandler
273: Viertes Schaltelement
274: Diode
s_e: Einheitssignal
s_in: Empfangsdatensignal
s_out: Datenausgabesignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013114377 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN IEC 60381-1 [0003]

Claims

Feldgerät mit einer Schnittstelle (2) zur Übertragung von einem Einheitssignal (s_e), wobei das Feldgerät derart ausgelegt ist, um über die Schnittstelle (2) zumindest ein Empfangsdatensignal (s_in) zu empfangen, und wobei die Schnittstelle (2) zumindest folgende Komponenten umfasst: - Einen Signaleingang (21) mit zumindest einem ersten Signalpfad (22) und einem zweiten Signalpad (23), über die das Einheitssignal (s_e) des Feldgerätes an eine übergeordnete Einheit (3) übertragbar ist, - einen Signalwert-Speicher (241, 242, 243), der während eines Normalbetriebs-Zyklus, in dem das Feldgerät das Einheitssignal (s_e) an die übergeordnete Einheit (3) überträgt, den Wert des Einheitssignals (s_e) speichert, und - eine Signalwert-Stelleinheit (251, 252, 252'), die während eines Datenempfangszyklus, in dem das Feldgerät das Einheitssignal (s_e) überträgt und zumindest ein Empfangsdatensignal (s_in) von der übergeordneten Einheit (3) empfängt, das im Signalwert-Speicher (241, 242, 243) gespeicherte Einheitssignal (s_e) am Signaleingang (21) einstellt.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei der Signalwert-Speicher (241, 242, 243) einen Kondensator (241) mit einem ersten Anschluss umfasst, und wobei zumindest der erste Anschluss des Kondensators (241) derart mit dem ersten Signalpfad (22) oder dem zweiten Signalpfad (23) verbunden ist, dass der Wert des Einheitssignals (s_e) während des Normalbetriebszyklus in Form eines Spannungswertes im Kondensator (241) gespeichert ist.
Feldgerät nach Anspruch 2, wobei zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators (241) und dem ersten Signalpfad (22) oder dem zweiten Signalpfad (23) ein erstes Schaltelement (242) derart verschaltet ist, dass es während des Normalbetriebszyklus geschlossen und während des Datenempfangszyklus geöffnet ist.
Feldgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei es sich bei dem Einheitssignal (s_e) um ein Stromsignal nach DIN IEC 60381-1, insbesondere ein 4-20 mA Signal, handelt.
Feldgerät nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei dem ersten Anschluss des Kondensators (241) für den Fall, dass es sich bei dem Einheitssignal (s_e) um ein Stromsignal handelt, ein Strom-/ Spannungswandler (243) vorgeschaltet ist.
Feldgerät nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Signalwert-Stelleinheit (251, 252, 253) umfasst: - einen ersten Transistor (251), und - eine Vorschaltung (252, 252'), die in Abhängigkeit des Spannungswertes, der während des Normalbetriebszyklus am ersten Anschluss des Kondensators (241) anliegt, den Basis- oder Gate-Anschluss des ersten Transistors (251) derart ansteuert, dass sich zwischen dem Source- oder Emitter- Anschluss und dem Drain- oder Kollektor- Anschluss des Transistors (251) der Wert des Einheitssignals (s_e) einstellt.
Feldgerät nach Anspruch 6, wobei der Transistor (251) derart zwischen dem ersten Signalpfad (22) und dem zweiten Signalpfad (23) angeordnet ist, dass der Drain- oder Kollektor- Anschluss des ersten Transistors (251) mit dem ersten Signalpfad (22) kontaktiert ist, und dass der Source- oder Emitter-Anschluss des ersten Transistors (251) mit dem zweiten Signalpfad (23) kontaktiert ist.
Feldgerät nach Anspruch 7, wobei dem Source- oder Emitter- Anschluss des ersten Transistors (251), oder dem Drain- oder Kollektor- Anschluss des ersten Transistors (251) ein zweites Schaltelement (253) derart nachgeschaltet ist, dass es zumindest während des Datenempfangszyklus kurzgeschlossen ist, und wobei im ersten Signalpfad (22) oder im zweiten Signalpfad (23) ein drittes Schaltelement (26) derart verschaltet ist, um das Feldgerät (1) während des Normalbetriebszyklus mit der übergeordneten Einheit (3) zu kontaktieren.
Feldgerät nach Anspruch 6, wobei der erste Transistor (251) für den Fall, dass es sich bei dem Einheitssignal (s_e) um ein Stromsignal handelt, derart im ersten Signalpfad (22) oder im zweiten Signalpfad (23) angeordnet ist, dass der Source- oder Emitter- Anschluss des ersten Transistors (251) und der Drain- oder Kollektor- Anschluss des ersten Transistors (251) im ersten Signalpfad (22) oder im zweiten Signalpfad (23) angeordnet sind.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schnittstelle (2) eine Energieversorgungseinheit (27) aufweist, und wobei die Energieversorgungseinheit (27) derart ausgestaltet ist, um das Feldgerät während des Datenempfangszyklus über den ersten Signalpfad (22) und den zweiten Signalpfad (23) mit elektrischer Energie zu versorgen.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schnittstelle (2) in einem separaten Gehäuse zum Feldgerät angeordnet ist.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schnittstelle (2) einen Datenanschluss (28) zum Senden digitaler Datenausgabesignale (s_out) und/oder zum Empfang der digitalen Empfangsdatensignale (s_in) umfasst, und wobei zumindest die digitalen Datenausgabesignale (s_out) differentiell vom Feldgerät zwischen dem ersten Signalpfad (22) und dem zweiten Signalpfad (23) ausgegeben werden.
Verfahren zum Übertragen eines Einheitssignals (s_e) eines Feldgerätes über einen Signaleingang (21) einer Schnittstelle (2) des Feldgerätes, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Speichern des Einheitssignal-Wertes (s_e) in einem Signalwert-Speicher (241, 242, 243) während eines Normalbetriebszyklus des Feldgerätes, wobei das Feldgerät während des Normalbetriebszyklus das Einheitssignal (s_e) an eine übergeordnete Einheit (3) überträgt, - Einstellen des im Signalwert-Speicher (241, 242, 243) gespeicherten Einheitssignals (s_e) am Signaleingang (21) durch eine Signalwert-Stelleinheit (251, 252) während eines Datenempfangszyklus des Feldgerätes, wobei das Feldgerät während des Datenempfangszyklus das Einheitssignal (s_e) überträgt und zumindest ein Empfangsdatensignal (s_in) über den Signaleingang (21) empfängt.