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Die Erfindung betrifft ein intelligentes Feldgerät mit einem Wandler, einem Microcontroller, einer Bedieneinrichtung und einer Anzeigeeinrichtung, das aus einer leistungsbegrenzten Stromschleife gespeist wird.
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Derartige Feldgeräte werden in der Prozessautomatisierung mit verschiedenen Wandlern als Sensoren, insbesondere aber nicht abschließend zur Umsetzung einer physikalischen Größe wie Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand und dergleichen in eine elektrische Größe, und Aktoren zur Umsetzung einer elektrischen Größe in eine physikalische Größe, beispielsweise einen Stellweg, eingesetzt.
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Diese Feldgeräte sind über eine Zweidrahtleitung an eine übergeordnete Einrichtung angeschlossen, wobei das Feldgerät über die Zweidrahtleitung gespeist wird und mit der übergeordneten Einrichtung Daten austauscht. Dabei wird jeder Messwert beziehungsweise Stellwert in einen proportionalen Gleichstrom umgeformt, der dem Speisegleichstrom überlagert wird, wobei der den Messwert beziehungsweise Stellwert präsentierende Gleichstrom ein Vielfaches des Speisegleichstroms sein kann. Bei der in der Prozessautomatisierung als Quasi-Industriestandard etablierten 0/4...20 mA-Stromschleife zur analogen Übertragung von Messwerten beziehungsweise Stellwerten steht dem Feldgerät nach Abzug aller Toleranzen vereinbarungsgemäß ein Speisestrom von weniger als 4 mA zur Verfügung während der Dynamikumfang des Messwertes beziehungsweise Stellwertes auf Ströme zwischen 0 und 16 mA abgebildet wird.
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Soweit es in der Vergangenheit gelungen ist, einen höheren Energiebedarf infolge von gefordertem Zuwachs an Funktionalität im Feldgerät durch Bauelemente mit verringerter Leistungsaufnahme, sogenannte Low-Power-Bauelemente, zu kompensieren, so ist nunmehr unter gegebener Bauelementetechnologie die Leistungsgrenze erreicht. Ein weiterer Zuwachs an Funktionalität im Feldgerät übersteigt die zur Verfügung gestellte elektrische Speiseleistung. Damit besteht auch keine Reserve mehr für eventuelle funktionale Erweiterungen.
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Darüber hinaus bringt die erreichte Leistungsgrenze mit sich, dass beim Einschalten des Feldgeräts Stromspitzen auftreten, die die zur Verfügung gestellte elektrische Speiseleistung übersteigen. Dadurch können undefinierte Zustände im Feldgerät, insbesonder im Microcontroller, auftreten. Insbesondere bei Feldgeräten, deren Bedieneinrichtung kapazitiv abgetastete Bedienmittel umfasst, ist der Spitzenstrom besonders hoch.
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Aus der
DE 10 2007 019 050 A1 ist Verfahren zum Betrieb einer funktionsmodularen automatisierungstechnischen Einrichtung mit einem Regelkreis, die an eine leistungsbegrenzte Speiseleitung angeschlossen ist, bekannt, nach dem aus der Regelabweichung das Kriterium zum Aktivieren oder Deaktivieren von Funktionsmodulen des Betriebsmittels abgeleitet wird.
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Aus der
US 5,305,952 ist bekannt, in Abhängigkeit von einem manuellen Eingriff des Benutzers den Funktionsumfang eines elektrischen Betriebsmittels einzuschränken oder zu erweitern. Dies ist jedoch in automatisierungstechnischen Einrichtungen unakzeptabel.
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Aus der
EP 1 704 435 A1 ist bekannt, den Energieverbrauch durch eine intermittierende Arbeitsweise des Verbrauchers zu senken. Darüber hinaus ist in diesem Dokument die periodisch wechselweise Aktivierung eines Verbrauchers aus einer Mehrzahl gleichartiger Verbraucher erwähnt. In nichtperiodischen Prozessen wechselnder Volatilität kann diese Vorgehensweise unüberschaubare Folgen zeitigen.
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Der
US 5,375,247 ist die Lehre entnehmbar, einen inaktiven Verbraucher verzögert abzuschalten.
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In der
EP 1 684 467 A1 ist die Lehre offenbart, einen inaktiven Verbraucher durch eine vordefinierte Anzahl von Aufrufen eines vordefinierten Aufruftyps zu reaktivieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Feldgerät dahingehend zu verbessern, dass dessen Einschalt- und Betriebsverhalten dem begrenzten Leistungsangebot entspricht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem Feldgerät mit einem Wandler, einem Microcontroller, einer Bedieneinrichtung und einer Anzeigeeinrichtung, das aus einer leistungsbegrenzten Stromschleife gespeist wird. Die Versorgungsspannung der elektronischen Bauteile ist durch Stützkondensatoren gepuffert.
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Die Bedieneinrichtung besteht aus einer Gruppe von kapazitiv abgetasteten Bedienelementen, denen jeweils eine indivuelle Abtastschaltung mit jeweils einem Aktivierungseingang zugeordnet ist, die in Abhängigkeit von dem Berührungsstatus des zugeordneten Bedienelements und einem Aktivierungssignal ein binäres Ausgangssignal abgibt.
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Erfindungsgemäß ist das Feldgerät ausgebildet, seine Verbraucher gruppenweise sequentiell in Betrieb zu setzen, zu Puffern und innerhalb der Gruppe periodisch kurzzeitig zu aktivieren.
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Vorteilhafterweise gelingt es dadurch, den initialen Einschaltstrom zu begrenzen und den Strombedarf während des laufenden Betriebes zu begrenzen, so dass die Energie der leistungsbegrenzten Stromschleife genügt.
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Im Einzelnen werden beim Zuschalten zuerst die Stützkondensatoren, der Microcontroller und die Anzeigeeinrichtung versorgt und initialisiert.
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Dem Microcontroller ist ein Reset-Baustein zugeordnet, der zusammen mit dem Microcontroller versorgt und initialisiert wird.
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Darüber hinaus ist das Feldgerät mit einer ersten Gruppe von Schaltmitteln ausgestattet, dessen Eingänge mit dem Microcontroller verbunden sind und dessen Ausgänge an die Betriebsspannungsanschlüsse jeweils einer Abtastschaltung der Bedieneinrichtung angeschlossen sind. Durch den Microcontroller wird eine zeitlich beabstandete, aufeinanderfolgende Aktivierung der Schaltmittel der ersten Gruppe und Initialisierung der Abtastschaltungen der Bedieneinrichtung gesteuert.
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Darüber hinaus ist das Feldgerät mit einer zweiten Gruppe von Schaltmitteln ausgestattet, dessen Eingänge mit dem Microcontroller verbunden sind und dessen Ausgänge an jeweils einen Aktivierungseingang einer Abtastschaltung der Bedieneinrichtung angeschlossen sind. Durch den Microcontroller wird eine zeitlich beabstandete, periodische Aktivierung jedes Schaltmittels der zweiten Gruppe gesteuert. Dadurch werden die Abtastschaltungen der Bedieneinrichtung periodisch und gegeneinander zeitversetzt aktiviert. Während jeder Aktivphase wird der Berührungsstatus des zugeordneten Bedienelements ausgewertet und an den Microcontroller ausgegeben. Die Abtastschaltungen der Bedieneinrichtung sind also jeweils nur kurzzeitig zur Aufnahme ihres Berührungsstatus aktiv und sonst passiv bei verminderter Leitungsaufnahme.
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Vorteilhafterweise wird durch die gruppenweise sequentielle Initialisierung der Einrichtungen des Feldgeräts und periodisch kurzzeitige Aktivierung der Abtastschaltung der Bedieneinrichtung erreicht, dass das Einschalt- und Betriebsverhalten des Feldgeräts dem begrenzten Leistungsangebot entspricht.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Microcontroller zwischen zwei aufeinanderfolgen Aktivphasen der Abtastschaltungen der Bedieneinrichtung in einem Modus geringer Stromaufnahme (sleep-mode) versetzt. Vorteilhafterweise wird dadurch der Gesamtenergieverbrauch weiter reduziert.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Feldgeräts
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2 eine grafische Darstellung des Einschaltverlaufs
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3 eine grafische Darstellung des Aktivierungsverlaufs der Bedienmittel
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In der 1 ist ein Feldgerät in seinen erfindungswesentlichen Bestandteilen prinzipiell dargestellt. Das Feldgerät weist einen Microcontroller 1 auf, an den eine Anzeigeeinrichtung 2 und eine Bedieneinrichtung 15 angeschlossen sind. Darüber hinaus ist dem Microcontroller 1 ein Reset-Baustein 3 zugeordnet.
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Ferner ist der Microcontroller 1 mit einer weiteren Geräteelektronik 4 verbunden, die einen Wandler zur Umsetzung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe oder umgekehrt umfasst.
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Das Feldgerät ist aus einer leistungsbegrenzten Stromschleife gespeist. Die Versorgungsspannung 5 ist mit Stützkondensatoren 6 gepuffert, um temporäre Leitungsbedarfsspitzen abzufangen.
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Die Bedieneinrichtung 15 besteht aus einer Mehrzahl von gleichartigen Bedienmitteln 15' bis 15'''' jeweils aufweisend ein Bedienelement 9' und eine Abtastschaltung 10'. Das Bedienelement 9' ist eine kapazitiv abgetastete Sensorfläche, bei der die Betätigung ohne galvanischen Kontakt zur Elektronik des Feldgeräts erfolgt. Die Abtastschaltung 10' weist einen Signaleingang 14', einen Signalausgang 13', einen Aktivierungseingang 11' und einen Betriebsspannungsanschluß 12' auf. Das Bedienelement 9' ist mit dem Signaleingang 14' der Abtastschaltung 10' verbunden. Der Signalausgang 13' der Abtastschaltung 10' ist mit dem Microcontroller 1 verbunden.
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Der Bedieneinrichtung 15 ist eine erste Gruppe von Schaltmitteln 7 zugeordnet, dessen Eingänge mit dem Microcontroller 1 verbunden sind und dessen Ausgänge an jeweils einen der Betriebsspannungsanschlüsse 12' bis 12'''' der Abtastschaltungen 10' der Bedienmittel 15' bis 15'''' angeschlossen sind. In Abhängigkeit von den vom Microcontroller 1 übermittelten Schaltbefehlen sind die Abtastschaltungen 10' der Bedienmittel 15' bis 15'''' einzeln an- und abschaltbar.
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Darüber hinaus ist der Bedieneinrichtung 15 ist eine zweite Gruppe von Schaltmitteln 8 zugeordnet, dessen Eingänge mit dem Microcontroller 1 verbunden sind und dessen Ausgänge an jeweils einen der Aktivierungseingänge 11' bis 11'''' der Abtastschaltungen 10' der Bedienmittel 15' bis 15'''' angeschlossen sind. In Abhängigkeit von den vom Microcontroller 1 übermittelten Schaltbefehlen sind die Abtastschaltungen 10' der Bedienmittel 15' bis 15'''' einzeln aktivierbar oder deaktivierbar.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und zweite Gruppe von Schaltmitteln 7 und 8 in einem einzigen Baustein zusammengefasst.
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Im Weiteren wird der Vorgang der Inbetriebnahme des Feldgeräts nach Aufschaltung der Versorgungsspannung anhand der 2 erläutert, die eine grafische Darstellung des Einschaltverlaufs zeigt. Zum Zeitpunkt T0 wird die Versorgungsspannung 5 aufgeschaltet. Dabei werden die Stützkondensatoren 6, der Microcontroller 1 und die Anzeigeeinrichtung 2 als erste Gruppe versorgt und initialisiert. Darüber hinaus wird der dem Microcontroller 1 zugeordnete Reset-Baustein 3 zusammen mit dem Microcontroller 1 versorgt und initialisiert. Der Zeitverlauf der Stromaufnahme I zeigt die zunehmende Belastung der speisenden Quelle.
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Anschließend wird beginnend mit dem Zeitpunkt T1 eine zweite Gruppe von Verbrauchern in Betrieb genommen. Dazu gehören die Bedieneinrichtung 15 sowie die ihr zugeordnete erste und zweite Gruppe von Schaltmitteln 7 und 8. Durch den Microcontroller 1 wird eine zeitlich beabstandete, aufeinanderfolgende Aktivierung der Schaltmittel der ersten Gruppe 7 und Initialisierung der Abtastschaltungen 10' der Bedienmittel 15' bis 15'''' gesteuert.
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Im Einzelnen wird zum Zeitpunkt T1 durch Zuschaltung der Versorgungsspannung 5 an den Betriebsspannungsanschluß 12' die Abtastschaltung 10' des Bedienmittel 15' in Betrieb gesetzt. Mit jeweils konstanter Verzögerung werden zu den Zeitpunkten T2, T3 und T4 die Betriebsspannungsanschlüsse 12'' bis 12'''' der Abtastschaltungen 10' der Bedienmittel 15'' bis 15'''' mit der Versorgungsspannung 5 verbunden.
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Schließlich ist in 3 eine grafische Darstellung des Aktivierungsverlaufs der Bedienmittel gezeigt, die die kurzzeitige periodische Aktivierung einer Gruppe von Verbrauchern veranschaulicht. In gleichen Zeitabständen werden periodisch umlaufend die Aktivierungseingänge 11' bis 11'''' der Abtastschaltungen 10' der Bedienmittel 15' bis 15'''' kurzzeitig durch die zweite Gruppe von Schaltmitteln 8 aktiviert. Bei jeder Aktivierung eines der Aktivierungseingänge 11' bis 11'''' ist auch der Microcontroller 1 aktiv. In den Zwischenzeiten der Inaktivität der Aktivierungseingänge 11' bis 11'''' ist der Microcontroller 1 in einen stromsparenden Schlafmodus versetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Microcontroller
- 2
- Anzeigeeinrichtung
- 3
- Reset-Baustein
- 4
- Geräteelektronik
- 5
- Versorgungsspannung
- 6
- Stützkondensator
- 7
- erste Gruppe von Schaltmitteln
- 8
- zweite Gruppe von Schaltmitteln
- 9
- Bedienelement
- 10'
- Abtastschaltung
- 11' bis 11''''
- Aktivierungseingang
- 12' bis 12''''
- Betriebsspannungsanschluß
- 13'
- Signalausgang
- 14'
- Signaleingang
- 15
- Bedieneinrichtung
- 15' bis 15''''
- Bedienmittel Stromaufnahme
- T0 bis T4
- Zeitpunkte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007019050 A1 [0006]
- US 5305952 [0007]
- EP 1704435 A1 [0008]
- US 5375247 [0009]
- EP 1684467 A1 [0010]
