DE102017121923A1 - Messanordnung mit einem Bediengerät und Verfahren zum Betreiben einer solchen Messanordnung - Google Patents

Abstract

Messanordnung (1) mit einem Bediengerät (3), einer Energieversorgung (5) für eine Mehrzahl von Zweileiterfeldgeräten (7), die einer Messschleife (9), in der die Zweileiterfeldgeräte (7) jeweils angeordnet sind einen vorgegebenen Strom (I) einprägen, wobei die Zweileiterfeldgeräte (7) elektrisch parallel mit der Energieversorgung (5) verbunden sind und digital mit dem Bediengerät (3) kommunizieren, wobei die Energieversorgung (5) einen Spannungsregler (6) aufweist, der eine Ausgangsspannung (U) abhängig von der Anzahl (n) die Messanordnung Mittel zur Bestimmung einer Anzahl (n) von in der Messanordnung ((1) betriebener Zweileiterfeldgeräte (7) regelt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung mit einem Bediengerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
• In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung.
• Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen Feldgerät und übergeordneten Einheiten erfolgt häufig nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife beziehungsweise eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Eine analoge Messwertübermittlung erfolgt hierbei durch Einstellung eines Schleifenstroms durch das Feldgerät. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß dem HART-Protokoll digitale Signale austauschen und damit weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Gemäß dem HART-Protokoll werden dem analogen Stromsignal digitale Informationen mit einer Frequenzumtastungs-Modulation (Frequency Shift Keying, FSK) überlagert. Dadurch, dass die FSK-Modulation mittelwertfrei ist, beeinflusst das zusätzliche Signal die analoge Datenübertragung nicht.
• Die Energieversorgung der Feldgeräte erfolgt bei einer direkten Verbindung der übergeordneten Einheit und des Feldgerätes ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass sowohl ein analoger als auch ein digitaler Signalpfad möglich ist.
• Zusätzlich zu einer direkten Verbindung ermöglicht der sog. Multidrop-Betrieb unter dem HART-Protokoll den parallelen Anschluss von bis zu 15 Feldgeräten an eine Stromschleife. Im Multidrop-Betrieb erfolgt die Kommunikation ausschließlich digital und die Stromstärke wird auf 4 mA pro Feldgerät festgelegt. Es erfolgt damit keine analoge Signalübertragung.
• Abhängig von der Anzahl der im Multidrop-Betrieb angeschlossenen Feldgeräte muss eine Energieversorgung der Messanordnung eine an die Anzahl der Feldgeräte angepasste Stromstärke zur Verfügung stellen, die 4 mA mal der Anzahl der Feldgeräte entspricht.
• Eine Energieversorgung der Messanordnung erfolgt typischerweise entweder über die übergeordnete Einheit oder durch eine separat ausgebildete Energieversorgung.
• Zum Senden und Empfangen der digitalen Signale ist ein sog. Kommunikationswiderstand vorgesehen, mit dem die übergeordnete Einheit ein- und ausgangsseitig verbunden ist. Der Kommunikationswiderstand liegt in Serie zu der Energieversorgung und wandelt die aufmodulierten Stromsignale in eine Spannungssignal und umgekehrt.
• Abhängig von der Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte fließt durch den Kommunikationswiderstand damit ein Strom, der abhängig von der Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte zwischen 4 mA (ein Feldgerät) und 60 mA (15 Feldgeräte) liegen kann. Bei einer typischen Größe des Kommunikationswiderstandes von 250 Ω fällt über dem Kommunikationswiderstand damit eine Spannung zwischen 1 V (ein Feldgerät) und 15 V (15 Feldgeräte) ab.
• Da für die übergeordnete Einheit nicht bekannt ist, wie viele Feldgeräte mit welchen Spannungserfordernissen in der Messanordnung angeordnet sind, muss eine ausreichende Spannung für die zulässige Maximalspannung der Feldgeräte sowie die maximale Anzahl an Feldgeräten und damit die maximal an dem Kommunikationswiderstand abfallende Spannung zur Verfügung gestellt werden. Sind weniger Feldgeräte angeschlossen, liegt dennoch diese Spannung an und es wird Energie verschwendet.
• Dieser Zustand wird als Nachteilig empfunden und ist insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten von Nachteil.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Messanordnung mit einem Bediengerät, einer Energieversorgung für eine Mehrzahl von Zweileiter-Feldgeräten, die einer Messschleife, in der die Feldgeräte jeweils angeordnet sind einen vorgegebenen Strom einprägen, wobei die Zweileiterfeldgeräte elektrisch parallel mit der Energieversorgung verbunden sind und digital mit dem Bediengerät kommunizieren derart weiter zu bilden, dass sie energiesparend betrieben werden kann.
• Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messanordnung anzugeben.
• Diese Aufgaben werden durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Eine erfindungsgemäße Messanordnung mit wenigstens einem Bediengerät, einer Energieversorgung für eine Mehrzahl von Zweileiterfeldgeräten, die einer Messschleife, in der die Feldgeräte jeweils angeordnet sind einen vorgegebenen Strom einprägen, wobei die Zweileiterfeldgeräte elektrisch parallel mit der Energieversorgung verbunden sind und digital mit dem Bediengerät kommunizieren, zeichnet sich dadurch aus, dass die Messanordnung Mittel zur Bestimmung einer Anzahl von in der Messanordnung betriebener Feldgeräte, insbesondere mit der Energieversorgung verbundener Feldgeräte, aufweist, wobei die Energieversorgung einen Spannungsregler aufweist, der eine Ausgangsspannung abhängig von der Anzahl regelt.
• Durch eine derartige Messordnung wird es möglich, abhängig von der Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte und damit abhängig von dem durch diese Feldgeräte benötigten Strom eine Ausgangsspannung der Energieversorgung zu regeln. In einer besonders einfachen Ausgestaltung wird der durch den Kommunikationswiderstand fließende Strom bzw. eine über den Widerstand abfallende Spannung gemessen. Bei Kenntnis der Größe des Kommunikationswiderstands ist ein Rückschluss auf den Strom und damit die Anzahl der vorhandenen Feldgeräte möglich. Es kann auch lediglich die an den Kommunikationswiderstand abfallende Spannung zur Regelung der Ausgangsspannung verwendet werden.
• Besonders günstig ist der Einsatz der vorliegenden Messanordnung bei Feldgeräten, die mit dem Bediengerät im sogenannten HART-Multidrop-Modus verbunden sind. Bei dieser Art der Kommunikation prägt jedes der Feldgeräte einen Gerätestrom von 4 mA in die von ihm genutzte Messschleife ein, sodass, Abhängig von der Anzahl der verbundenen Feldgeräte weitere Widerstände, insbesondere ein Kommunikationswiderstand der Messanordnung, insbesondere außerhalb der Parallelschaltung der Feldgeräte, von einem Vielfachen des Gerätestroms durchflossen werden. Entsprechend fällt an diesen Widerständen mehr oder weniger Spannung ab.
• Wird die Ausgangsspannung der Energieversorgung abhängig von der Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte geregelt, so kann für den Fall, dass an den zusätzlichen Widerständen aufgrund eines geringeren eingeprägten Stromes weniger Spannung abfällt, Energie eingespart werden.
• Die Energieversorgung kann dabei vorteilhafterweise in dem Bediengerät oder einem damit in Verbindung stehenden Modem integriert, oder als separates Speisegerät ausgebildet sein.
• Bei einer Integration in das Bediengerät oder das Modem wird ein besonders einfacher Aufbau erreicht, da weniger separate Geräte installiert werden müssen.
• Wird die Energieversorgung als separates Speisegerät ausgebildet, so kann der Aufbau des Bediengeräts bzw. des Modems entsprechend vereinfacht werden. Die Geräte werden dadurch günstiger.
• Um eine Kommunikation zwischen den Feldgeräten und dem Bediengerät zu ermöglichen ist es notwendig ein der Zweidrahtleitung aufmoduliertes Stromsignal in eine Spannung zu wandeln. Hierfür ist zwischen der Energieversorgung und den Feldgeräten ein Kommunikationswiderstand angeordnet. Dieser wandelt das auf die Messschleife moduliertes Signal in eine von dem Modem erfassbare Spannung und eine von dem Modem angelegte Spannung in einen korrespondierenden Strom. Die Größe des Kommunikationswiderstandes und die diesen durchfließende Stromstärke sind bei der Regelung der Ausgangsspannung zu berücksichtigen.
• Um einen fehlerfreien Betrieb der Feldgeräte zu gewährleisten muss diesen eine notwendige Mindestspannung zur Verfügung gestellt werden, die aber vom jeweiligen Feldgerät abhängig ist. In vielen Messanordnungen beträgt die Mindestspannung 14 V, kann aber abhängig von den verwendeten Feldgeräten auch bei 9,6 V oder einer anderen Spannung liegen. Es wird hierbei kontinuierlich versucht Geräte zu entwicklen die möglichts wenig Spannung benötigen. Basierend auf den Informationen über die jeweils vorliegende Messanordnung kann die Ausgangsspannung derart geregelt werde, dass an jedem Sensor eine für einen fehlerfreien Betrieb ausreichende Spannung anliegt.
• Wie bereits erwähnt werden die Feldgeräte bei der vorgeschlagenen Messanordnung typischerweise mit einem Strom von 4 mA betrieben. Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann dieser aber auch variieren. Vorteilhafterweise wird die Ausgangsspannung daher abhängig von dem durch die Feldgeräte benötigten Strom geregelt.
• In einer alternativen Ausgestaltung kann die Ausgangsspannung abhängig von einer einstellbaren Anzahl von verbundenen Feldgeräten geregelt werden. Auf diese Weise ist eine Strommessung entbehrlich und das Feldgerät kann entsprechend einfacher ausgestaltet werden.
• Besonders geeignet ist die vorliegende Erfindung für batteriebetriebene Messanordnungen, da bei diesen eine Energieeinsparung durch einen Spannungsregelung besonders große Vorteile mit sich bringt. Feldgeräte wie z.B. Pegelmessgeräte für Flüsse oder Überlaufbecken, oder Schneehöhenmessgeräte für den alpinen Raum weisen häufig keine leitungsgebundene Energieversorgung auf und sind daher batteriebetrieben. Wenn für solche Geräte eine Energieersparnis erzielt werden kann, verlängert sich deren Laufzeit, was seltenere Batteriewechsel und ggf. größere Wartungsintervalle ermöglicht. Der Betrieb der Geräte wird damit deutlich kostengünstiger möglich.
• Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für Messanordnungen, bei denen das Bediengerät und die Feldgeräte nach dem HART-Multidrop-Protokoll mit einer Frequenzumtastungs-Modulation (Frequency Shift Keying, FSK) kommunizieren. Das HART-Multidrop-Protokoll sieht vor, dass die Feldgeräte jeweils in einer 4 mA Stromschleife angeordnet und parallel mit dem Bediengerät verbunden sind. Eine Energieversorgung kann in dem Bediengerät selbst, einem mit dem Bediengerät gekoppelten HART-Modem oder in einem Speisegerät angeordnet sein.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung mit einem Bediengerät, einer Energieversorgung für eine Mehrzahl von Zweileiterfeldgeräten, die einer Messschleife, in der die Feldgeräte jeweils angeordnet sind einen vorgegebenen Strom einprägen, wobei die Zweileiterfeldgeräte elektrisch parallel mit der Energieversorgung verbunden sind und digital mit dem Bediengerät kommunizieren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Ausgangsspannung der Energieversorgung abhängig von einer Anzahl von mit der Energieversorgung verbundenen Feldgeräte geregelt wird.
• Das Verfahren zum Betreiben der Messanordnung kann dabei im Wesentlichen in dem Bediengerät oder der Spannungsversorgung implementiert werden, sodass in einer ersten Ausführungsform keinerlei Veränderungen an den Feldgeräten notwendig sind.
• Das Verfahren kann vorsehen, dass die Energieversorgung zunächst eine maximale Spannung einstellt, eine Anzahl der in der Messanordnung befindlichen Feldgeräte durch eine Strommessung ermittelt und anschließend die Ausgangsspannung auf einen angepassten Wert geregelt wird.
• Bei diesem Vorgehen wird zunächst sichergestellt, dass für sämtliche angeschlossenen Feldgeräte eine ausreichende Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Da jedes der Feldgeräte in dem vorgeschlagenen Betriebsmodus einen vorbestimmten Strom, von insbesondere 4 mA in seine jeweilige Messschleife einprägt, ist die von der Energieversorgung abfließende Gesamtstromstärke 4 mA multipliziert mit der Anzahl an angeschlossenen Feldgeräten. Mit der Größe des Kommunikationswiderstandes sowie eventuell vorhandener weitere Widerstände kann mit der Gesamtstromstärke auch die an dem Kommunikationswiderstand abfallende Spannung berechnet oder alternativ gemessen werden, sodass die an den Feldgeräten anliegende Spannung berechnet werden kann. $${\text{U}}_{\text{FG}}={\text{U}}_{\text{out}}-{\text{U}}_{\text{Rk}}={\text{U}}_{\text{out}}-{\text{I}}_{\text{ges}}\times {\text{R}}_{\text{K}}$$

  

In

der vorstehenden Formel bedeuten

U_FG

die an den Feldgeräten anliegende Spannung

U_out

die Ausgangsspannung der Energieversorgung

I_ges

den durch die Feldgeräte insgesamt eingeprägten Gesamtstrom

R_K

der Kommunikationswiderstand

• Wenn durch die Strommessung der Gesamtstrom und aus dem Wissen über die Messanordnung die für den Betrieb der Feldgeräte notwendige Mindestspannung sowie die Größe des Kommunikationswiderstandes bekannt ist, kann die notwendige Ausgangsspannung wie folgt berechnet werden: $${\text{U}}_{\text{out}}={\text{U}}_{\text{min}}+{\text{U}}_{\text{RK}}={\text{U}}_{\text{min}}+{\text{I}}_{\text{ges}}\times {\text{R}}_{\text{K}}$$

  
• In der vorstehenden Formel bedeuten

U_out

die Ausgangsspannung der Energieversorgung

I_ges

den durch die Feldgeräte insgesamt eingeprägten Gesamtstrom

R_K

der Kommunikationswiderstand

Umin

die größte der mindestens für den fehlerfreien Betrieb der Feldgeräte notwendigen Spannung.

• In einer Weiterbildung des Verfahrens kann eine erforderliche Ausgangsspannung durch eine Abfrage der erforderlichen Mindestspannung der angeschlossenen Feldgeräte ermittelt und anschließend die Ausgangsspannung so geregelt werden, dass an den Feldgeräten die größte ermittelte Mindestspannung anliegt.
• Das HART-Protokoll ermöglicht es den Herstellern mit herstellerspezifischen Kommandos herstellerspezifische Abfragen zu machen. Es kann damit vorgesehen sein, dass in dem Verfahren die für den sicheren Betrieb eines Feldgerätes notwendige Mindestspannung abgefragt und dann auf die Ausgangsspannung so geregelt wird, dass an den Feldgeräten die größte ermittelte Mindestspannung anliegt.
• Ferner kann die Anzahl der verbundenen Feldgeräte und/oder die Mindestspannung der Feldgeräte zyklisch überprüft und die Ausgangsspannung an die ermittelte Anzahl von verbundenen Feldgeräten angepasst werden. Auf diese Weise wird auch erkannt, wenn zwischenzeitlich Feldgeräte angeschlossen werden, ohne, dass dies der übergeordneten Einheit bzw. der Energieversorgung mitgeteilt wurde.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert.
• Soweit nicht anders angegeben bezeichnen identische Bezugszeichen identische Elemente.
• Es zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild mit einer Messanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung,
• 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Messanordnung mit 15 angeschlossenen Feldgeräten,
• 3 das Blockschaltbild gemäß 2 mit einem angeschlossenen Feldgerät gemäß dem Stand der Technik,
• 4 das Blockschaltbild gemäß 2 mit einem angeschlossenen Feldgerät gemäß der vorliegenden Anmeldung,
• 5a, 5b zwei Varianten des Verfahrens der vorliegenden Anmeldung mit einer Strommessung und
• 6 eine dritte Variante des Verfahrens der vorliegenden Anmeldung.
• 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Messanordnung 1 bei der eine Reihe von Zweileiterfeldgeräten 7, nachfolgend der Einfachheit halber als Feldgeräte bezeichnet, über eine Zweidrahtleitung elektrisch parallel mit einer übergeordneten Einheit 2 verbunden sind. Die übergeordnete Einheit 2 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Bediengerät 3, ein mit dem Bediengerät 3 in Verbindung stehendes Modem 11, das mit der Zweidrahtleitung verbunden ist und eine Energieversorgung 5 mit einem Spannungsregler 6 auf.
• Das Modem 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel geeignet für eine Frequenzumtastungs-Modulation (Frequency Shift Keying FSK) ausgebildet und über einen Kommunikationswiderstand R_K mit der Zweidrahtleitung verbunden. Der Kommunikationswiderstand R_K wandelt ein durch die Feldgeräte 7 auf die Zweidrahtleitung aufmoduliertes digitales Signal in eine Spannung, die von dem Modem 11 abgegriffen werden kann. Umgekehrt wird eine von dem Modem 11 an den Kommunikationswiderstand R_K angelegte Spannung in ein korrespondierendes Stromsignal gewandelt und auf der Zweidrahtleitung zur Verfügung gestellt.
• Die vorliegende Messanordnung ist eine Messanordnung für den HART-Multitrop-Betrieb, bei dem die Feldgeräte 7 mit der übergeordneten Einheit 2 gemäß dem HART-Protokoll ihre Daten und Messwerte austauschen und von jedem Feldgerät 7 ein konstanter Strom I, von 4 mA in seine jeweilige eingeprägt wird. Da gemäß der HART-Multitrop-Betrieb bis zum 15 Feldgeräte 7 parallel an die Zweidrahtleitung angeschlossen werden können, kann der von der Energieversorgung zur Verfügung zu stellende Gesamtstrom I_ges zwischen 4 mA und 60 mA, abhängig von der Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte 7 variieren.
• Die Spannungsversorgung 5 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Spannungsregler 6 auf, der geeignet ausgebildet ist, eine von der Spannungsversorgung 5 zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung U_out an eine Anzahl n von an die Zweidrahtleitung angeschlossenen Feldgeräten 7 anzupassen.
• Die Feldgeräte 7 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils aus einem Messgerät 71 sowie einer HART-Schnittstelle 72 aufgebaut und prägen in die jeweilige Messschleife 9, in der sie angeschlossen sind, einen konstanten Strom I von 4mA ein. Abhängig von dem jeweiligen Messgerät 71 benötigt dieses eine Minimalspannung Umin um einen korrekten Betrieb des Feldgeräts 7 sicherzustellen. Durch den Spannungsregler 6 kann die Ausgangsspannung U_out der Energieversorgung 5 derart geregelt werden, dass eine an den Feldgeräten 7 anliegende Feldgerätespannung U_FG der notwendigen Minimalspannung Umin für die Feldgeräte 7 entspricht und der Spannungsabfall an dem Kommunikationswiderstand R_K auf Grund der Summe der von den Feldgeräten 7 eingeprägten Ströme I, also auf Grund des Gesamtstroms I_ges , minimiert werden.
• Um einen zuverlässigen Betrieb sämtlicher Feldgeräte 7 sicherzustellen, ist die jeweils größte der Minimalspannungen Umin für die Bestimmung der Ausgangsspannung U_out zu verwenden.
• Dies wird in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.
• 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Anordnung aus 1, wobei an die übergeordnete Einheit 2 insgesamt 15 Feldgeräte 7, die vorliegend nur in einem einzigen Block dargestellt sind, parallel angeschlossen sind. Zur Verdeutlichung der vorliegenden Problematik ist der Kommunikationswiderstand R_K im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht innerhalb der übergeordneten Einheit 2, sondern separat zwischen den Feldgeräten 7 und den übergeordneten Einheit 2 dargestellt.
• Eine Minimalspannung U_min für einen korrekten Betrieb der Feldgeräte 7 liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 14 Volt, sodass eine an den Feldgeräten 7 anliegende Spannung U_FG mit 14 Volt angegeben ist. Da die 15 Feldgeräte gemäß der obigen Beschreibung jeweils 4 mA Strom in ihre jeweilige Messschleife 9 einprägen beträgt der Gesamtstrom I_ges , der im vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Energieversorgung 5 zur Verfügung gestellt werden muss 15 x 4 mA, also 60 mA. Auf Grund des Gesamtstromes I_ges von 60 mA, der, wie vorliegend dargestellt, auch durch den Kommunikationswiderstand R_K , der vorliegend eine Größe von 250 Ω aufweist fließt, fällt an dem Kommunikationswiderstand R_K eine Spannung U_RK von $${\text{U}}_{\text{RK}}={\text{I}}_{\text{ges}}\times {\text{R}}_{\text{K}}60\text{ mA}\times 250\mathrm{\Omega =}\text{15 V}$$

  

  ab, sodass von der Energieversorgung 5 eine Ausgangsspannung U_out von $${\text{U}}_{\text{out}}={\text{U}}_{\text{FG}}+{\text{U}}_{\text{RK}}=14\text{ V}+15\text{ V}\mathrm{=}\text{29 V}$$

  

  bereitgestellt werden muss. Dies bedeutet, dass für den Betrieb von 15 Feldgeräten die Energieversorgung 5 eine Ausgangsspannung U_out von 29 V zur Verfügung stellen muss.
• Die 3 ist gemäß Anordnung 1 gemäß 2 mit nur einem angeschlossenen Feldgerät 7 dargestellt. Da die übergeordnete Einheit 2 bzw. die Energieversorgung 5 keine Informationen darüber hat, wie viele Feldgeräte 7 in der Messanordnung 1 betrieben werden, stellt diese weiterhin die Ausgangsspannung U_out von 29 V zur Verfügung. Das eine Feldgerät 7 prägt wie oben dargestellt in die Messschleife 9 einen Strom I von 4 mA ein, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel, welches lediglich ein Feldgerät 7 umfasst, dem Gesamtstrom I_ges entspricht. Entsprechend dem eingeprägten Gesamtstrom I_ges von 4 mA fällt an dem Kommunikationswiderstand R_K von 250 Ω eine Spannung von U_RK von 1 V ab. Dementsprechend beträgt die an dem einen Feldgerät 7 anliegende Spannung $${\text{U}}_{\text{FG}}={\text{U}}_{\text{out}}-{\text{U}}_{\text{RK}}=29\text{ V}-1\text{ V}\mathrm{=}\text{28 V}\text{.}$$

  
• Die an dem Feldgerät 7 anliegende Spannung U_FG ist mit 28 V damit doppelt so hoch, wie sie sein müsste.
• In 4 ist die Messanordnung 1 aus 3 in einer Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Anmeldung dargestellt. Gemäß der vorliegenden Anmeldung ist die Energieversorgung 5 mit einem Spannungsregler 6 ausgestattet, und weist Mittel auf, die dazu geeignet sind, eine Anzahl n der angeschlossenen Feldgeräte 7 zu detektieren und die Ausgangsspannung U_out der Energieversorgung 5 an die Anzahl n der angeschlossenen Feldgeräte 7 anzupassen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird durch eine Messung des Gesamtstroms I_ges erkannt, dass lediglich ein Feldgerät 7 in der Messanordnung 1 betrieben wird und auf Grund des Gesamtstroms I_ges von 4 mA an dem Kommunikationswiderstand R_K lediglich eine Spannung U_RK von 1 V abfällt. Mit dem Wissen über die für einen fehlerfreien Betrieb des Feldgerätes 7 notwendige Minimalspannung Umin von 14 V kann die Ausgangsspannung U_out auf einen Wert von $${\text{U}}_{\text{out}}={\text{U}}_{\text{FG}}+{\text{U}}_{\text{RK}}={\text{U}}_{\text{min}}+{\text{U}}_{\text{RK}}=14\text{ V}+1\text{ V}\mathrm{=}\text{15 V}$$

  

  geregelt werden. Auf diese Weise kann eine deutliche Energieersparnis erreicht und die von der Energieversorgung 5 zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung U_out deutlich reduziert werden.
• Alternativ kann die an dem Kommunikationswiderstand R_K abfallende Spannung gemessen und für obige Berechnung verwendet werden.
• In 5 ist der Ablauf eines möglichen Verfahrens zum Betreiben einer Messanordnung 1 gemäß 4 dargestellt. In einem ersten Schritt wird die Messanordnung 1 in Betrieb genommen und anschließend die Ausgangsspannung U_out der Energieversorgung 5 auf eine Maximalspannung U_max , die maximal in der Messanordnung 1 benötigt wird, gesetzt. Um einen störungsfreien Betrieb sämtlicher Feldgeräte, auch bei einer maximalen Anzahl von Feldgeräten 7, sicherzustellen.
• Ist die von den Feldgeräten 7 für einen fehlerfreien Betrieb notwendige Minimalspannung Umin beispielsweise 14 V und der Kommunikationswiderstand R_K mit einer Größe von 250 Ω vorgesehen, so ist die maximal notwendige Spannung U_max diejenige Spannung, die bei dem maximal möglichen Schleifenstrom, d. h. bei dem Gesamtstrom I_ges bei 15 angeschlossenen Feldgeräten 7 notwendig ist. In den zuvor dargestellten Beispielen wäre damit $${\text{U}}_{\text{max}}={\text{U}}_{\text{min}}+{\text{R}}_{\text{K}}\times {\text{I}}_{\text{ges}}=14\text{ V}+\text{250 }\mathrm{\Omega }\times \text{V}=29\text{ V}\text{.}$$

  
• Bei anderen Werten der Minimalspannung U_min oder der Größe des Kommunikationswiderstands R_K ändert sich die Maximalspannung U_max entsprechend.
• Wenn sämtliche Feldgeräte 7 in Betrieb sind und den vorgegebenen Strom von 4 mA pro Feldgerät in die jeweilige Messschleife 9 einprägen, wird der Gesamtstrom I_ges ermittelt, sodass die an dem Kommunikationswiderstand R_K abfallende Spannung U_RK berechnet werden kann. Die Ausgansspannung U_out wird dann auf die Summe aus der größten minimal notwendigen Spannung zum fehlerfreien Betrieb der Feldgeräte Umin und der an dem Kommunikationswiderstand R_K abfallenden Spannung U_RK gesetzt.
• In der in 5b dargestellten Variante des Verfahrens der 5a wird zusätzlich zum Gesamtstrom I_ges auch die Minimalspannung Umin zum fehlerfreien Betrieb der Feldgeräte 7 durch eine Abfrage der Feldgeräte 7 ermittelt. Das HART-Protokoll lässt nämlich herstellerspezifische Abfragen zu, über die beispielsweise eine Minimalspannung Umin zum Betrieb des jeweiligen Feldgeräts 7 abgefragt werden kann. Sind die Minimalspannungen Umin sämtlicher Feldgeräte 7 abgefragt, so wird die Ausgangsspannung U_out der Energieversorgung 5 auf die Summe aus der größten Minimalspannung Umin und der an dem Kommunikationswiderstand R_K abfallenden Spannung U_RK gesetzt. Ferner ist ein weiterer Schritt implementiert, dass die Anzahl n der in der Messanordnung 1 betriebenen Feldgeräte 7 zyklisch überprüft wird, wobei dies im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das Abwarten einer vorgebbaren Anzahl von beispielsweise 10 Sekunden und das anschließende erneute Durchlaufen der Ermittlung des Gesamtstroms I_ges , der Ermittlung der Minimalspannung U_min sowie des Setzens der Ausgangsspannung U_out implementiert ist. Die Zeitdauer bis zum Durchlaufen eines weiteren Zyklus kann wenige Sekunden bis hin zu einigen Tagen betragen.
• Eine solche zyklische Nachregelung kann im Übrigen bei sämtlichen hier vorgestellten Ausführungsbeispielen erfolgen.
• In 6 ist eine dritte Variante des Verfahrens zum Betreiben einer Messanordnung 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung gezeigt.
• Nach der Inbetriebnahme wird auch in diesem Fall die Ausgangsspannung U_out auf die maximale Ausgangsspannung U_max gesetzt. Anschließend wird die Anzahl n der in der Messanordnung 1 betriebenen Feldgeräte 7, beispielsweise durch eine Abfrage der vergebenen Geräte-Adressen in der Messanordnung 1 ermittelt. Ferner wird durch eine, wie in Bezug auf 5b erläutert, herstellerspezifische Abfrage die Minimalspannung Umin zum fehlerfreien Betrieb der Feldgeräte 7 abgefragt und anschließend der Wert der Ausgangsspannung U_out auf den Wert der größten Minimalspannung Umin zuzüglich der Spannung U_RK an dem Kommunikationswiderstand R_K gesetzt. Die an dem Kommunikationswiderstand R_K abfallende Spannung U_RK wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus der Anzahl n der in der Messanordnung 1 betriebenen Feldgeräte 7 multipliziert mit dem von den Feldgeräten 7 eingeprägten Strom von 4 mA wiederum multipliziert mit der Größe des Kommunikationswiderstands R_K berechnet. $${\text{U}}_{\text{RK}}={\text{R}}_{\text{K}}\times {\text{I}}_{\text{ges}}={\text{R}}_{\text{K}}\times \text{n}\times 4\text{mA}$$

  
• Es existiert eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Messanordnung 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung sowie für das vorliegende Verfahren, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, nämlich der Reduzierung der Ausgangsspannung U_out der Energieversorgung 3 der Messanordnung labhängig von der Anzahl n der in der Messanordnung 1 betriebenen Feldgeräte 7 abzuweichen.
• Bei der Regelung der Spannung ist stets die an dem Kommunikationswiderstand abfallende Spannung mit zu Berücksichtigen.
• Die Ausgangsspannung ist dabei so zu regeln, dass sie der für die Feldgeräte notwendige Mindestspannung zuzüglich der an dem Kommunikationswiderstand abfallenden Spannung entspricht. $${\text{U}}_{\text{out}}={\text{U}}_{\text{min}}+{\text{U}}_{\text{Rk}}={\text{U}}_{\text{min}}+\text{I}\times {\text{R}}_{\text{K}}$$

  
• Leitungswiderstände sind in der obigen Beschreibung der Einfachheit halber nicht berücksichtigt, können aber abhängig von der Leitungsläng ebenfalls relevant sein. Die Leitungswiderstände sind proportional zur Länge der Versorgungsleitung, sodass die hieran abfallende Spannung wie folgt zu berücksichtigen wäre: $${\text{U}}_{\text{L}}=\text{I}\times {\text{R}}_{\text{L}}=\text{I}\times {\text{R}}_{\text{L}}\times \text{l}.$$

  
• Bezugszeichenliste

1

Messanordnung

2

Übergeordnete Einheit

3

Bediengerät

5

Energieversorgung

6

Spannungsregler

7

Zweileiter-Feldgeräte / Feldgeräte

9

Messschleife

11

Modem

71

Messgerät

72

HART-Schnittstelle

I

Strom

I_ges

Gesamtstrom

U_FG

Spannung am Feldgerät

U_out

Ausgangsspannung

U_min

Minimalspannung

U_max

Maximale Ausgangssspannung

R

Kommunikationswiderstand

N

Anzahl

Claims (13)

1. Messanordnung (1) mit einem Bediengerät (3), einer Energieversorgung (5) für eine Mehrzahl von Zweileiterfeldgeräten (7), die einer Messschleife (9), in der die Zweileiterfeldgeräte (7) jeweils angeordnet sind einen vorgegebenen Strom (I) einprägen, wobei die Zweileiterfeldgeräte (7) elektrisch parallel mit der Energieversorgung (5) verbunden sind und digital mit dem Bediengerät (3) kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (5) einen Spannungsregler (6) und die Messanordnung Mittel zur Bestimmung einer Anzahl (n) von in der Messanordnung ((1) betriebener Zweileiterfeldgeräte (7) aufweist, und eine Ausgangsspannung (U_out) abhängig von der Anzahl (n) regelt.
2. Messanordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (5) in dem Bediengerät (3) oder einem damit in Verbindung stehenden Modem (11) integriert ist.
3. Messanordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (5) als separates Speisegerät ausgebildet ist.
4. Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Energieversorgung (5) und den Zweileiterfeldgeräten (7) ein Kommunikationswiderstand (R_K) angeordnet ist, über den ein auf die Messschleife (9) moduliertes Signal in eine von dem Modem (11) erfassbare Spannung gewandelt wird und eine von dem Modem (11) angelegte Spannung in einen korrespondierenden Strom gewandelt wird.
5. Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_out) derart geregelt wird, dass an jedem Messgerät (71) eine für einen fehlerfreien Betrieb ausreichende Minimalspannung (Umin) anliegt.
6. Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_out) abhängig von einem durch die Feldgeräte (7) insgesamt benötigten Gesamtstrom (I_ges) geregelt wird.
7. Messanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) von verbundenen Feldgeräten (7) einstellbar ist.
8. Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bediengerät (3) batteriebetrieben ist.
9. Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bediengerät (3) und die Feldgeräte (7) nach dem HART-Multidrop-Protokoll mit einer Frequenzumtastungs-Modulation (Frequency Shift Keying, FSK) kommunizieren.
10. Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung (1) mit einem Bediengerät (3), einer Energieversorgung (5) für eine Mehrzahl von Zweileiterfeldgeräten (7), die einer Messschleife (9), in der die Zweileiterfeldgeräte (7) jeweils angeordnet sind einen vorgegebenen Strom (I) einprägen, wobei die Zweileiterfeldgeräte (7) elektrisch parallel mit der Energieversorgung (5) verbunden sind und digital mit dem Bediengerät kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsspannung (U_out) der Energieversorgung (5) abhängig von einer Anzahl (n) von mit der Energieversorgung (5) verbundener Feldgeräte (7) geregelt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) zunächst eine maximale Ausgangsspannung (U_out) einstellt, eine Anzahl (n) der in der Messanordnung (1) befindlichen Feldgeräte (7) durch eine Strommessung ermittelt und anschließend die Ausgangsspannung (U_out) auf einen angepassten Wert geregelt wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erforderliche Ausgangsspannung (U_out) durch eine Abfrage der erforderlichen Mindestspannung (Umin) der angeschlossenen Feldgeräte (7) ermittelt und anschließend die Ausgangsspannung (U_out) so geregelt wird, dass an den Feldgeräten (7) die größte ermittelte Mindestspannung (U_min) anliegt.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der verbundenen Feldgeräte (7) und/oder die Mindestspannung (Umin) zyklisch überprüft und die Ausgangsspannung (U_out) angepasst wird.

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