DE102020133605A1

DE102020133605A1 - Ex-sichere Datenschnittstelle eines Feldgeräts der Mess-/Automatisierungstechnik und ein solches Feldgerät

Info

Publication number: DE102020133605A1
Application number: DE102020133605.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schweizer; Lukas Tanner; Christoph Werle
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ex-sichere Datenschnittstelle (30) mit galvanischer Trennung,wobei die Datenschnittstelle einen ersten, dem MAC zugewandten Schaltungsbereich (31) und einen zweiten, dem PHY zugewandten Schaltungsbereich (32) aufweist, wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich durch Transformatoren (33) galvanisch voneinander getrennt sind,wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich jeweils umfassen:eine I/O-Schaltung (34) eingerichtet zum Kommunizieren mit dem MAC bzw. PHY;eine Signalwandelschaltung (35);eine Signalrückwandelschaltung (36);wobei die I/O-Schaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, über einen Datenbus (37) empfangene Datensignale in ein PAM-Datensignal zu wandeln und der zugehörigen Signalwandelschaltung zuzuführen,dadurch gekennzeichnet, dassdie Signalwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, ein von einer zugehörigen I/O-Schaltung übermitteltes PAM-Datensignal in zumindest ein binäres Signal zu wandeln und mindestens einem der Transformatoren zuzuführen,wobei die Signalrückwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest ein von mindestens einem zugehörigen Transformator übermitteltes binäres Signal in das PAM-Datensignal rückzuwandeln und der zugehörigen I/O-Schaltung (34) zuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ex-sichere Datenschnittstelle eines Feldgeräts der Mess-/Automatisierungstechnik zwischen einem MAC und einem PHY des Feldgeräts und ein solches Feldgerät, wobei die Datenschnittstelle dazu eingerichtet ist, Datensignale mittels Puls-Amplituden-Modulation (PAM) mit mindestens drei Signalpegeln zu übertragen.
Bei typischen Feldgeräte wie beispielsweise in der DE102018105089A1 gezeigt, werden digitale binäre Datensignale verwendet. PAM-Datensignale weisen andere Anforderungen an eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung auf.
Als Aufgabe der Erfindung kann es gesehen werden, eine EX-sichere Datenschnittstelle für PAM-Datensignale für Feldgeräte der Mess-/Automatisierungstechnik bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Datenschnittstelle gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und durch ein Feldgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 4.
Bei einer erfindungsgemäßen Datenschnittstelle eingerichtet zur bidirektionalen Übertragung von Datensignalen mit mindestens drei Signalpegeln zwischen einer integrierten Schaltung eines MAC und einer integrierten Schaltung eines PHY mittels PAM-Datensignalen mit mindestens drei Signalpegeln,
weist die Datenschnittstelle einen ersten, dem MAC zugewandten Schaltungsbereich und einen zweiten, dem PHY zugewandten Schaltungsbereich auf, wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich durch Transformatoren galvanisch voneinander getrennt sind und dazu eingerichtet sind, über diese Transformatoren miteinander zu kommunizieren,
wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich jeweils umfassen:

eine I/O-Schaltung eingerichtet zum Kommunizieren mit der integrierten Schaltung des MAC bzw. PHY;
eine Signalwandelschaltung;
eine Signalrückwandelschaltung;
einen binären Datenbus zur parallelen Übertragung binärer Datensignale, welcher Datenbus zwischen I/O-Schaltung und MAC bzw. PHY angeordnet ist,
wobei die I/O-Schaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, die über den Datenbus empfangenen binären Datensignale in ein PAM-Datensignal zu wandeln und der zugehörigen Signalwandelschaltung zuzuführen,
wobei die Signalwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, ein von einer zugehörigen I/O-Schaltung übermitteltes PAM-Datensignal in zumindest ein binäres Signal zu wandeln und mindestens einem der Transformatoren zuzuführen,
wobei die Signalrückwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest ein von mindestens einem zugehörigen Transformator übermitteltes binäres Signal in das PAM-Datensignal rückzuwandeln und der zugehörigen I/O-Schaltung zuzuführen.

MAC steht dabei für Media-Access-Control und entspricht dem Data Link Layer gemäss dem OSI-Modell. PHY steht für Physical und entspricht dem Physical Layer des OSI-Modells. Der ISM ist zuständig für MAC. Der ISP ist für die Umsetzung der Daten vom ISM in das Physical Layer zuständig.
Die Ex-Sicherheit wird dabei durch eine galvanische Trennung der Schaltungsbereiche mittels der Transformatoren hergestellt. Erfindungsgemäß werden die PAM-Signale in binäre Signale gewandelt, um eine gute und rekonstruierbare Signalübertragung mittels der Transformatoren zu gewährleisten.
In einer Ausgestaltung ist zwischen einer Signalwandelschaltung und einer Signalrückwandelschaltung verschiedener Schaltungsbereiche pro von der Signalwandelschaltung erzeugtem binären Signal jeweils ein Transformator vorgesehen.
Auf diese Weise kann ein durch das PAM-Datensignal übermittelter Informationsfluss schnell und robust zwischen den Schaltungsbereichen übertragen werden.
In einer Ausgestaltung weist das PAM-Datensignal eine Anzahl A Signalpegel auf, wobei die Signalwandelschaltungen dazu eingerichtet sind, das PAM-Datensignal in mindestens R(A/2) binäre Signale zu wandeln, wobei R eine Aufrundungsfunktion ist.
Auf diese Weise kann ein durch das PAM-Datensignal übermittelter Informationsfluss schnell und robust zwischen den Schaltungsbereichen übertragen werden.
In einer Ausgestaltung weist das PAM-Datensignal drei Signalpegel auf.
Ein erfindungsgemäßes Feldgerät der Mess-/Automatisierungstechnik umfasst:

Einen Messumformer;
Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung die Datenschnittstelle umfasst,

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

1 skizziert ein beispielhaftes Feldgerät der Mess-/Automatisierungstechnik;
2 skizziert den Aufbau einer beispielhaften erfindungsgemäßen Datenschnittstelle.

1 skizziert ein beispielhaftes Feldgerät 1 der Mess-/Automatisierungstechnik umfassend einen Messumformer 10 und eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 20 eingerichtet zum Betreiben des Messumformers sowie zum Erzeugen von Messwerten aus Messsignalen des Messumformers Messwerte und Bereitstellen der Messwerte. Die elektronische Mess-/Betriebsschaltung weist dabei eine erfindungsgemäße Datenschnittstelle 30, siehe 2, auf.
Der Messumformer kann dabei einen oder mehrere Sensoren sowie einen oder mehrere Aktoren umfassen. Ein Sensor kann dabei beispielsweise ein Temperatursensor, ein Ultraschallsensor, ein Schwingungssensor oder entsprechendes sein. Ein Aktor kann dabei beispielsweise ein Heizelement, ein Ultraschallerzeuger, ein Schwingungserreger oder entsprechendes sein. Dies ist rein beispielhaft und nicht beschränkend auszulegen.
Das Feldgerät kann dabei beispielsweise ein Durchfluss- oder ein Füllstands-Messgerät sein. Dies ist rein beispielhaft und nicht beschränkend auszulegen.
2 skizziert den Aufbau einer erfindungsgemäßen Datenschnittstelle 30 eines Feldgeräts 1 der Mess-/Automatisierungstechnik, welche zwischen einem integrierten Schaltkreis ISM des MAC der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 20 und einem integrierten Schaltkreis des PHY der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung angeordnet ist. Die Datenschnittstelle ist dazu eingerichtet, Puls-Amplituden-modulierte Datensignale mit mindestens drei Signalpegeln, kurz PAM-Datensignale Ex-sicher zu übertragen.
Die Datenschnittstelle weist dabei einen ersten, dem MAC zugewandten Schaltungsbereich 31 und einen zweiten, dem PHY zugewandten Schaltungsbereich 32 aufweist, wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich zwecks Einrichtung der Ex-Sicherheit durch Transformatoren 33 galvanisch voneinander getrennt sind und dazu eingerichtet sind, über diese Transformatoren miteinander zu kommunizieren.
Der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich umfassen jeweils:

eine I/O-Schaltung 34 eingerichtet zum Kommunizieren mit dem MAC bzw. PHY;
eine Signalwandelschaltung 35;
eine Signalrückwandelschaltung 36;

Erfindungsgemäß sind die Signalwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet, ein von einer zugehörigen I/O-Schaltung übermitteltes PAM-Datensignal in zumindest ein binäres Signal zu wandeln und mindestens einem der Transformatoren zuzuführen,
wobei die Signalrückwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest ein von mindestens einem zugehörigen Transformator übermitteltes binäres Signal in das PAM-Datensignal rückzuwandeln und der zugehörigen I/O-Schaltung 34 zuzuführen.
Durch die Wandlung des PAM-Datensignals in zumindest ein binäres Datensignal lässt sich das Datensignal sicher und robust über einen zugehörigen Transformator 33 zwischen dem ersten Schaltungsbereich und dem zweiten Schaltungsbereich übertragen.
In einer Ausgestaltung weist das PAM-Datensignal eine Anzahl A Signalpegel auf, wobei die Signalwandelschaltungen 35 dazu eingerichtet sind, das PAM-Datensignal in mindestens R(A/2) binäre Signale zu wandeln, wobei R eine Aufrundungsfunktion ist, wobei zwischen einer Signalwandelschaltung 35 und einer Signalrückwandelschaltung 36 verschiedener Schaltungsbereiche 31, 32 pro von der Signalwandelschaltung erzeugtem binären Signal jeweils ein Transformator 33 vorgesehen ist. Auf diese Weise lässt sich ein maximaler Datendurchsatz zwischen erstem Schaltungsbereich 31 und zweitem Schaltungsbereich 32 erhöhen.
In einer Ausgestaltung weist das PAM-Datensignal drei Signalpegel auf.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
10: Messumformer
20: elektronische Mess-/Betriebsschaltung
30: Datenschnittstelle
31: erster Schaltungsbereich
32: zweiter Schaltungsbereich
33: Transformator
34: I/O-Schaltung
35: Signalwandelschaltung
36: Signalrückwandelschaltung
37: Datenbus
40: Gehäuse
ISM: integrierter Schaltkreis MAC
ISP: integrierter Schaltkreis PHY

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018105089 A1 [0002]

Claims

Datenschnittstelle (30) eingerichtet zur bidirektionalen Übertragung von Datensignalen zwischen einem integrierten Schaltkreis (ISM) eines MAC und einem integrierten Schaltkreis (ISP) eines PHY mittels PAM-Datensignalen mit mindestens drei Signalpegeln, wobei die Datenschnittstelle einen ersten, dem MAC zugewandten Schaltungsbereich (31) und einen zweiten, dem PHY zugewandten Schaltungsbereich (32) aufweist, wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich durch Transformatoren (33) galvanisch voneinander getrennt sind und dazu eingerichtet sind, über diese Transformatoren miteinander zu kommunizieren, wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich jeweils umfassen: eine I/O-Schaltung (34) eingerichtet zum Kommunizieren mit dem integrierten Schaltkreis (ISM) des MAC bzw. dem integrierten Schaltkreis (ISP) des PHY; eine Signalwandelschaltung (35); eine Signalrückwandelschaltung (36); wobei die I/O-Schaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, über einen Datenbus (37) empfangene binäre Datensignale in ein PAM-Datensignal zu wandeln und der zugehörigen Signalwandelschaltung zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, ein von einer zugehörigen I/O-Schaltung übermitteltes PAM-Datensignal in zumindest ein binäres Signal zu wandeln und mindestens einem der Transformatoren zuzuführen, wobei die Signalrückwandelschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest ein von mindestens einem zugehörigen Transformator übermitteltes binäres Signal in das PAM-Datensignal rückzuwandeln und der zugehörigen I/O-Schaltung (34) zuzuführen.
Datenschnittstelle nach Anspruch 1, wobei zwischen einer Signalwandelschaltung (35) und einer Signalrückwandelschaltung (36) verschiedener Schaltungsbereiche (31, 32) pro von der Signalwandelschaltung erzeugtem binären Signal jeweils ein Transformator (33) vorgesehen ist.
Datenschnittstelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das PAM-Datensignal eine Anzahl A Signalpegel aufweist, wobei die Signalwandelschaltungen (35) dazu eingerichtet sind, das PAM-Datensignal in mindestens R(A/2) binäre Signale zu wandeln, wobei R eine Aufrundungsfunktion ist.
Datenschnittstelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das PAM-Datensignal drei Signalpegel aufweist.
Feldgerät (1) der Mess-/Automatisierungstechnik umfassend: Einen Messumformer (10); Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (20), wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung die Datenschnittstelle (30) umfasst, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, den Messumformer zu betreiben und aus Messsignalen des Messumformers Messwerte zu erstellen und bereitzustellen.