DE10309125A1

DE10309125A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Spannungsstabilisierung für einen Zweidrahtfeldbus

Info

Publication number: DE10309125A1
Application number: DE10309125A
Authority: DE
Inventors: Udo Grittke; Martin PFÄNDLER
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-03-01
Also published as: WO2004077183A1; DE10309125B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung 1 für ein Zweidrahtfeldbus, die zwischen Zweidrahtfeldbus 10 und einer Spannungsversorgungseinheit 20 angeordnet ist, weist ein kurzfristig überbrückbares Widerstandselement 100, 120 auf. Dadurch wird ein Absinken der Busspannung unter die Betriebsspannung der an den Zweidrahtfeldbus 10 angeschlossenen Feldgeräte F1, F2.....F15 beim Einschalten der Spannungsversorgung des Feldbusses 10 vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsstabilisierung für einen Zweidrahtfeldbus gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 7.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massendurchflussgeräte, Druckmessgeräte, Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Massedurchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen sogenannte Aktoren, die z. B. als Ventile den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt oder als Pumpen den Füllstand eines Mediums in einem Behälter ändern.
Diese Feldgeräte sind in der Regel über eine Kommunikationsverbindung mit einer Steuer-/Auswerteeinheit verbunden. Eine Möglichkeit hierfür ist eine Punkt-zu-Punkt Verbindung bei der jedes Feldgerät separat über eine Anschlussleitung mit der entsprechenden Steuereinheit verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit ist über einen Feldbus gegeben, bei dem jedes Feldgerät an den Feldbus angeschlossen ist, über den die Verbindung mit der Steuereinheit erfolgt. Ein wesentlicher Vorteil der Feldbusse besteht darin, dass der Verkabelungsaufwand erheblich verringert wird.
Eine häufig industriell eingesetzte Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen Feldgeräten und einer Steuereinheit ist durch den HART^®-Standard gegeben. Zusätzlich zur analogen Signalübertragung (4–20 mA) erlaubt HART^® auch die Übertragung digitaler Signale.
Der Betriebsstrom der Feldgeräte ist in diesem Fall variabel. Er schwankt in Abhängigkeit des zu übertragenden Signals zwischen 4 und 20 mA.
Neben dem Einsatz als Punkt-zu-Punkt Verbindung kann HART^® auch als Feldbus (HART® Multidrop) verwendet werden. Diese Verwendung ist jedoch in der Prozessautomatisierungstechnik nur sehr wenig verbreitet, aber im Bereich Inventory Control bietet sie eine sehr preisgünstige Lösung.
Bei dieser Anwendung ist die analoge Kommunikation über ein 4–20 mA Signal nicht mehr möglich. Die Kommunikation zwischen Feldgerät und Auswerteeinheit erfolgt ausschließlich digital mit Hilfe eines alternierenden Stromsignals nach dem FSK-Verfahren.
Der Betriebsstrom der an den HART^® – Feldbus angeschlossenen Feldgerätes beim Einsatz als HART^® – Multidrop ist typischerweise auf den Wert 4 mA eingestellt.
Diese 4 mA reichen für den Normalbetrieb eines Feldgerätes aus. Beim Einschaltvorgang eines Feldgerätes, wenn die entsprechenden Software-Programme, die im Mikroprozessor des Feldgerätes ausgeführt werden und die im wesentlichen die Funktionalität des jeweiligen Feldgerätes bestimmen, in den RAM-Speicher geladen werden müssen, liegt der Betriebsstrom jedoch kurzfristig über dem Wert von 4 mA, z.B. ca. 11 mA.
Gleichzeitig müssen auch verschiedene Selbsttests durchgeführt, die ebenfalls stromintensiv sind.
Zur Spannungsversorgung der an den HART^®-Feldbus angeschlossenen Feldgeräte, dient in der Regel eine Spannungsvorsorgungseinheit der ein Kommunikationswiderstand nachgeschaltet ist. Dieser Kommunikationswiderstand verhindert einen Kurzschluss der digitalen Kommunikationssignale über die Spannungsversorgungseinheit.
Ein Problem beim Einschalten der Spannungsversorgung eines HART^®- Feldbusses besteht darin, dass durch den erhöhten Strombedarf der einzelnen Feldgeräte bei deren „Bootvorgang" die Spannung am Feldbus unter die zulässige minimale Betriebsspannung der Feldgeräte sinken kann. Ist dies der Fall, so wird in jedem der angeschlossenen Feldgeräte ein Reset des entsprechenden Mikroprozessors ausgelöst und jedes Feldgerät versucht sich erneut aufzustarten.
Dies hat aber zur Folge, dass einzelnen Feldgeräte entweder gar nicht oder nur stark verzögert in Betrieb genommen werden können.
Eine sichere Inbetriebnahme der einzelnen an den Feldbus angeschlossenen Feldgeräte ist bei den bekannten HART^®-Feldbussen nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsstabilisierung für einen Zweidrahtfeldbus anzugeben, bei dem ein Absinken der Busspannung unter die zulässige minimale Betriebsspannung der einzelnen Feldgeräte verhindert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene Vorrichtung bzw. durch das in Anspruch 7 angegebene Verfahren.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, ein kurzfristig überbrückbares Widerstandselement zur Spannungsstabilisierung des Zweidrahtfeldbus einzusetzen, dass beim Einschalten der Spannungsversorgung des Feldbusses ausgelöscht wird. Durch die Überbrückung kann auch bei einem erhöhten Strombedarf der einzelnen an den Feldbus angeschlossenen Feldgeräte während des „Bootvorgangs" ein Absinken der Busspannung unter die minimale Betriebsspannung der angeschlossenen Feldgeräte verhindert werden.
Bei dem überbrückbaren Widerstandselement kann es sich z. B. um einen ansteuerbaren Transistor handeln, der kurzfristig in Durchlassrichtung geschaltet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das überbrückbare Widerstandselement aus einem Kommunikationswiderstand und einem parallel zu diesem geschalteten Relaiskontakt.
Zum Überbrücken des Widerstandselements weist die Vorrichtung zusätzlich einen Taster auf, der auch ein manuelles Auslösen ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Zweidrahtfeldbus eine globale Kommunikationsverbindungseinheit auf. Diese Kommunikationsverbindungseinheit erlaubt eine weltweite Informationsübertragung zwischen den Feldgeräten und einer Steuereinheit (z. B. Fieldgate^®, Endress + Hauser^®).
Die wesentliche Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, beim Einschalten der Spannungsversorgung des Feldbusses einen zusätzlichen Stromweg zu schalten, der einen Spannungsabfall der Busspannung unter die zulässige Betriebsspannung der Feldgeräte verhindert.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 Zweidrahtfeldbus in schematischer Darstellung;
2 Zweidrahtfeldbus mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung.
Bei dem in 1 dargestellten Feldbus handelt es sich um einen HART^®- Feldbus. Eine Spannungsversorgungseinheit 20 (Ausgangsspannung ca. 24 V) dient zur Spannungsversorgung der einzelnen an den Zweidrahtfeldbus 10 angeschlossenen Feldgeräte F1, F2,.... F15. Stilisiert dargestellt sind zwei Radar-Füllstandsmessgeräte und ein Füllstandsmessgerät mit geführter Mikrowelle. Der Zweidrahtfeldbus 10 weist zwei Busleiter L1, L2 auf, über die neben der Spannungs- bzw. Stromversorgung der einzelnen Feldgeräte auch die Übertragung der digitalen Kommunikationssignale erfolgt.
Über ein Interface 30 ist eine Rechnereinheit 50 (z.B. ein Personal Computer PC) an den Zweidrahtfeldbus 10 angeschlossen. Die Rechnereinheit 50 dient als Auswerte- bzw. Steuereinheit. Neben der reinen Messwertübertragung von den einzelnen Feldgeräten F1, F2 ..... F15 zur Rechnereinheit 50 können diese auch von der Rechnereinheit 50 aus konfiguriert und parametriert werden.
Werden Aktoren als Feldgeräte eingesetzt, so können diese von der Steuereinheit 50 angesteuert werden.
Im Busleiter L1 ist noch ein Kommunikationswiderstand 100 angeordnet, der ein Kurzschließen der Kommunikationssignale über die Spannungsversorgungseinheit 20 verhindert.
Sind mehrere Feldgeräte an den Zweidrahtfeldbus 10 angeschlossen, so kann nicht ausgeschlossen werden, dass am Kommunikationswiderstand 100 bei einem erhöhten Strombedarf der einzelnen Feldgeräte F1, F2,.. F15 ein zu großer Spannungsabfall erfolgt und dadurch die Busspannung am Zweidrahtfeldbusses 10 unter die minimal erforderliche Betriebsspannung der einzelnen Feldgeräte fällt.
2 zeigt einen Zweidrahtfeldbus, der im wesentlichen dem von 1 entspricht. Im Unterschied zu 1 weist dieser zusätzlich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung 1 auf die zwischen der Spannungsversorgungseinheit 20 und dem Zweidrahtfeldbus 10 angeordnet ist. Darüber hinaus ist der Zweidrahtfeldbus 10 nicht mit einem PC sondern mit einer globalen Kommunikationsverbindungseinheit 40 verbunden. Diese globale Kommunikationsverbindungseinheit (Fieldgate® der Fa. Endress + Hauser^®) erlaubt z. B. Informationsaustausch zwischen Zweidrahtfeldbus 10 und dem Internet. So kann von einem beliebigen Ort auf die Feldgeräte F1, F2,..,F15 zugegriffen werden. Besonders für die Anwendung im Bereich Inventory Control ist HART^®-Multidrop in Kombination mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignet.
Hier kommt es nicht auf eine schnelle Datenübertragung an. Die Füllhöhen in großen Lagertanks ändern sich nicht im Zeitbereich von Sekunden sondern erheblich langsamer.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung 1 weist ebenfalls einen Kommunikationswiderstand 100 mit einem Widerstandswert von ca. 250 Ω und einem Leistungswert von ca. 2,5 Watt auf. Zu diesem Kommunikationswiderstand 100 ist ein Relaiskontakt 120 parallel geschaltet. Das Relais 120 wird von einer Ansteuerelektronik 110 beim Einschalten der Spannungsversorgung automatisch angesteuert.
Zur manuellen Betätigung des Relais 120 weist die Ansteuerelektronik 110 noch einen Taster 115 auf. Durch den Taster 115 kann die Überbrückung des Kommunikationswiderstands 100 auch manuell ausgelöst werden.
Anstatt des Kommunikationswiderstandes 100 mit parallel geschaltetem Relaiskontakt 120 ist als überbrückbares Widerstandselement auch ein Transistor (z. B. FET-Transistor) denkbar. Dieser Transistor müsste dann von einer entsprechend ausgebildeten Ansteuerelektronik angesteuert werden.
Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert. Beim Einschalten der Spannungsversorgung des Feldbusses 10 mit Hilfe der Spannungsversorgungseinheit 20 werden in den einzelnen Feldgeräten F1, F2 ..... F15 die entsprechenden Startroutinen ausgelöst, die für das Laden der in den Feldgeräten abgespeicherten Software-Programme verantwortlich sind. Der gesamte Startvorgang eines Feldgerätes bis es vollständig betriebsfähig ist, dauert ca. 5–10 Sekunden. Während dieses Bootvorganges benötigen die Feldgeräte nicht den üblichen Betriebsstrom von 4 mA sondern teilweise bis zu ca. 11 mA. Bei maximal möglichen 15 Feldgeräten am Zweidrahffeldbus 10 bedeutet dies einen Gesamtstrom von 165 mA, den die Spannungsversorgungseinheit 20 liefern muss. An einem 250 Ω Widerstand würde dies zu einem Spannungsabfall von 41,25 V führen. Bei einer maximal zulässigen Ausgangsspannung an der Spannungsversorgungseinheit 20 von 45 V würde dieser Strom zu einer Busspannung U von 3,75 V führen. Um einen Spannungsabfall der Busspannung U unter die zulässige minimale Betriebsspannung der einzelnen Feldgeräte, die bei ca. 11 V liegt, am Kommunikationswiderstand 100 zu vermeiden, wird während des Einschaltens der Spannungsversorgung der Relaiskontakt 120 automatisch geschlossen und dadurch ein zusätzlicher Stromweg, der den Kommunikationswiderstand 100 überbrückt, geschaltet. Ein typischer Wert für die Überbrückungszeit ist ca. 10 Sekunden.
Nach 10 Sekunden sind alle an dem Zweidrahffeldbus 10 angeschlossenen Feldgeräte F1, F2 ..... F15 betriebsbereit. Während der Überbrückung des Kommunikationswiderstands 100 ist zwar eine digitale Kommunikation über den Zweidrahffeldbus 10 nicht möglich, da die Kommunikationssignale über die Spannungsversorgungseinheit 20 kurzgeschlossen werden würden. Eine Übertragung von Kommunikationssignale über den Zweidrahffeldbus 10 ist aber während dieses Zeitraums nicht nötig, da die einzelnen an den Zweidrahffeldbus angeschlossenen Feldgeräte ja erst nach ca. 10 Sekunden betriebsbereit sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, dass ein zusätzlicher Stromweg z. B. durch das Relais 120 bei dem Einschalten der Spannungsversorgung des Feldbusses geschaltet wird.
Durch den Taster 115 kann auch ein manuelles kurzfristiges Überbrücken des Kommunikationswiderstands 100 ausgelöst werden.

Claims

Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung für ein Zweidrahffeldbus, die zwischen dem Zweidrahffeldbus (10) und einer Spannungsversorgungseinheit (20) angeordnet ist, wobei der Zweidrahffeldbus (10) zur Spannungsversorgung der an den Feldbus angeschlossenen Feldgeräte F1, F2,.. F15 und zur Übertragung digitaler Kommunikationssignale dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein kurzfristig überbrückbares Widerstandselement (100, 120) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das überbrückbare Widerstandselement (100, 120) aus einem Transistor (z. B. FET-Transistor) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das überbrückbare Widerstandselement (100, 120) aus einem Kommunikationswiderstand (100) und einem parallelgeschalteten Relais (120) besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Taster (115) aufweist, der ein Auslösen des überbrückbaren Widerstandselements (100, 120) ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweidrahffeldbus (10) nach dem HART^®-Standard arbeitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) bei einem Zweidrahffeldbus (10) eingesetzt wird, der eine globale Kommunikationsverbindungseinheit (40, z. B. Fieldgate^®, Endress + Hauser^®) aufweist.
Verfahren zur Spannungsstabilisierung für einen Zweidrahtfeldbus, der zur Spannungsversorgung der an dem Feldbus (10) angeschlossenen Feldgeräte F1, F2,.. F15 und zur Übertragung digitaler Kommunikationssignale dient, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten der Spannungsversorgung des Feldbusses (10) kurzfristig ein zusätzlicher Stromweg geschaltet wird, der einen Spannungsabfall der Busspannung U unter die zulässige minimale Betriebsspannung der angeschlossenen Feldgeräte verhindert.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Stromweg mit einem Relais, das parallel zu einem Kommunikationswiderstand, der im Stromweg des Feldbusses angeordnet ist, geschaltet wird.