JP2009522990A - 自動化技術のフィールド・デバイスを提供するための回路装置 - Google Patents

Abstract

自動化フィールド・デバイスＦ１を提供するための回路装置Ｓは、消費回路ＶＳ、直流電圧コンバータＧ、および２導体接続Ａを有する入力回路ＥＳを含む。入力回路ＥＳは、電流調整回路ＲＳおよび直流電圧コンバータＧに接続されたモジュレータ・ユニットＭを含む。モジュレータ・ユニットＭは、調節可能な全電流Ｉ_Ｓが２導体接続Ａにより保持されるように直流電圧コンバータＧを制御する。制御式の直流電圧コンバータＧの使用は、消費回路ＶＳへの最適な電力移動を可能にする。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、自動化技術のフィールド・デバイスを提供するための回路装置に関する。

自動化技術では、フィールド・デバイスがしばしば使用されて、プロセス変量を測定しかつ／またはプロセス変量に影響を与える働きをする。そのようなフィールド・デバイスの例には、充填レベル測定デバイス、マスフロー測定デバイス、圧および温度測定デバイスなどがあり、センサとしてそれらは、該当するプロセス変量、充填レベル、フロー（例えば、フロー率）、圧および温度を登録する。

アクチュエータとして、プロセス変量に影響を与える働きをするフィールド・デバイスには、例えばパイプラインのセクションの液体の流れを制御するためのバルブ、またはコンテナ内の充填レベルを制御するためのポンプが含まれる。

多数のそのようなフィールド・デバイスが、エンドレスハウザー社により製造および販売されている。

一般に、現代の製造プラントにおけるフィールド・デバイスは、フィールドバス・システム（ＨＡＲＴ、Profibus、Foundation Fieldbusなど）を介して上位ユニット（例えば、制御システムまたは制御ユニット）に接続される。これらの上位ユニットは、とりわけ、プロセス制御、プロセスの可視化、プロセスのモニタリング、さらにはフィールド・デバイスの稼動などのタスクといった役目を果たす。さらに、「フィールド・デバイス」と称されるものとしては一般に、フィールドバスに直接接続され、上位ユニットとの伝達に役立つようなユニット（例えば、リモートＩ／Ｏ、ゲートウェイ、リンク装置）などがある。

多くのフィールド・デバイスは、２導体バージョンとして入手できる。そのような場合、通信に使用されるのと同一の線対を使用して、フィールド・デバイスのエネルギー（電力）の供給を果たす。２導体デバイスと対照的に、４導体デバイスは、電力供給のための更なる線対を必要とする。当然このことは、ケーブル敷設に関する負担を増加させる。

２導体デバイスの場合、利用可能な電力は、一定の制約を受けることが多い。入力電圧は、普通は１０Ｖと３６Ｖとの間で変化する。４−２０ｍＡ電流ループの場合、通常は約１２Ｖの入力電圧で、最低限４ｍＡが利用可能である。フィールド・デバイス内の電力を要求に対して適当に合わせるにはまず、入力側の利用できる電力を確認しなければならない。これは、端子電圧の測定および設定されているループ電流の値を介して確認される。

余剰のループ電流は、並列電圧レギュレータを介して排流しなければならない。さらに、未調整直流電圧コンバータ（ＤＣ―ＤＣコンバータ）への入力電圧を一定に保つために、ＤＣ−ＤＣスイッチング・レギュレータが必要である。直流電圧コンバータは、消費ユニットに供給する働きをし、この消費ユニットは通常、ＣＰＵ、測定増幅器およびセンサから成る。同時に、直流電圧コンバータは、２導体供給電圧から消費ユニットをガルバニック絶縁（galvanischen Trennung）する上でも役立つ。クロックド・コンバータは、比較的高効率である直流電圧変換を可能にする。したがって、クロックド・コンバータは、フィールド・デバイスにしばしば使用される。

フィールド・デバイスに用いる、電力を調整することも可能であるような公知の回路装
置は、複数のレギュレータを有するため、それぞれのレギュレータで望まれないロスが生じてしまう。さらに、個別の制御回路は、比較的高価についてしまう。電力の調整に際しては、まず、入力側における利用可能な電力を複雑なやりかたで確認しなければならない。そうしてから、利用可能な電力についてのこの情報を、消費側に伝えなくてはならない。このようにしてやっと、電力消費を変化させられるのである。

本発明の目的は、特に単純な構造を有し、上述した欠点を持たないフィールド・デバイス回路装置を提供して、やさしい電力調整を可能にし、生じる損失電力をほんのわずかなもののみにすることである。

この目的は、以下の通り、請求項１に挙げる特徴により達成される。

自動化フィールド・デバイスを提供するための回路装置であって、２導体接続を有する入力回路と、直流電圧コンバータと、消費回路とを有し、前記入力回路ＥＳは、モジュレータ・ユニットＭを含み、前記モジュレータ・ユニットＭは、電流調整回路ＲＳおよび前記直流電圧コンバータＧに接続され、調節可能な全電流Ｉ_Ｓが前記２導体接続Ａに保持されるように前記直流電圧コンバータＧを制御する、回路装置。

本発明の有益な更なる発展は、従属請求項に示す。

本発明の本質的なアイデアは、制御式の直流電圧コンバータを、ガルバニック絶縁に用いて、２導体接続により保持される電流を、この直流電圧コンバータで調節する、ということである。消費側では、過電流が測定される。これは、消費側で利用可能な電力に関する直接の測定である。過電流を単純に最小化することにより、消費側での消費を最適調整することができる。

本回路装置の使用を通して、入力側の利用可能電力を最適に利用することができる。

信号伝送（例えば、４−２０ｍＡ信号）に関しては、測定値のみ、消費ユニットから直流電圧コンバータの一次側に伝送されなければならない。入力側の利用可能電力の測定は必要でない。一次側から消費側への、情報といったものの送信も必要でない。

本回路装置は、原則としてレギュレータを１つだけ有し、既知の回路装置と比較して、著しくロスが少ない。

図を添付のように示しながら、図面にある実施形態の例に基づき、本発明についてここに説明する。

図１は、自動化フィールド・デバイスＦ１および受信ユニットＥＥの、ブロック図である。この場合、フィールド・デバイスＦ１と受信ユニットＥＥとの接続は、２導体電流ループＬＳを通して行われる。そのため、フィールド・デバイスＦ１が受け取った測定値は、４−２０ｍＡ電流信号Ｉ_Ｓとして、受信ユニットＥＥへ送信できる。

基本的にフィールド・デバイスＦ１は、入力回路ＥＳ、直流電圧コンバータＧおよび消費回路ＶＳから成る。

直流電圧コンバータＧは、一次側の電流回路と二次側の消費電流回路との間のガルバニック絶縁を行う。

図２ａは、フィールド・デバイスＦ１のための本発明の回路装置Ｓをより詳細に示す。２導体電流ループＬＳとの接続のために２導体接続Ａが含まれる。接続Ａは、２つの入力端子ＥＫ１およびＥＫ２から成る。リード線ＺＬ１は、入力端子ＥＫ１から直流電圧コンバータＧに通じる。リード線ＺＬ１はまた、コンデンサＣ１に接続される。測定抵抗Ｒ_Ｍｅｓｓを介して直流電圧コンバータＧへと同じく続くリード線ＺＬ２は、入力端子ＥＫ２から通じる。測定抵抗Ｒ_Ｍｅｓｓは、電流調整回路ＲＳの一部であり、この電流調整回路ＲＳは、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ１にならって接続される演算増幅器ＯＰをさらに含む。

さらに、コンピュータ・ユニットＲＥがＺＬ１に接続される。このコンピュータ・ユニットＲＥは例えば、ＡＳＩＣであることがあり、またはメモリ構成部品および適切な周辺機器を有するマイクロプロセッサであることもある。

回路装置Ｓの不可欠な構成要素は、コンパレータＫ、オシレータＯならびに２つのＡＮＤゲートＵＧ１およびＵＧ２から成るモジュレータ・ユニットＭである。コンパレータＫの出力ならびにオシレータＯの２つのパルス出力ＰＡ１およびＰＡ１は、各ケースにおいて、ＡＮＤゲートＵＧ１およびＵＧ２の入力にそれぞれ接続される。ＡＮＤゲートＵＧ１およびＵＧ２はそれぞれ、パワー・トランジスタＴ１およびＴ２を制御する。２つのパワー・トランジスタＴ１、Ｔ２は、リード線ＺＬ２上にある。

直流電圧コンバータＧは、プッシュプル・コンバータであり、通常、３つのコイルＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３、２つの整流ダイオードＤ１、Ｄ２、チョーク・コイルＬおよび蓄積コンデンサＣ２から成る。直流電圧コンバータＧの出力は、消費回路ＶＳに接続される。消費回路ＶＳは主に、実質消費ユニットＶＥ（センサ、測定増幅器およびマイクロプロセッサ）から成る。ツェナ・ダイオードＺおよび分路抵抗器Ｒ_{Ｓｈｕｎｔ}が、消費ユニットＶＥに並列に接続される。

図２ｂは、フィールド・デバイスＦ１のための従来の回路装置Ｓを示す。これにもまた、２導体電流ループＬＳとの接続のための２導体接続Ａ´が含まれる。接続Ａ´は、２つの入力端子ＥＫ１´およびＥＫ２´から成る。リード線ＺＬ１´は、入力端子ＥＫ１´からＤＣ―ＤＣスイッチング・レギュレータＲＧ３を介して直流電圧コンバータＧ´に通じる。また、コンデンサＣ１´がリード線ＺＬ１´に接続される。コンデンサＣ１´の先には、パワー・トランジスタＴ３が配置されている。このパワー・トランジスタＴ３は、カレント・レギュレータＲＧ１として用いられ、電流調整回路ＲＳ´により制御される。測定抵抗Ｒ´_Ｍｅｓｓを介して直流電圧コンバータＧ´へと同じく続くリード線ＺＬ２´は、入力端子ＥＫ２´から通じる。測定抵抗Ｒ´_Ｍｅｓｓは、電流調整回路ＲＳ´の一部であり、この電流調整回路ＲＳ´は、抵抗Ｒ１´およびそれに接続される演算増幅器ＯＰ´をさらに含む。

同様にリード線ＺＬ１´に接続されるのは、コンピュータ・ユニットＲＥ´である。２導体接続Ａに印加される端子電圧Ｕ_ｉｎは、分圧器ＵＴを経てコンピュータ・ユニットＲＥ´へ流れる。

決まった所定振動周波数を有するオシレータＯ´により制御されるスイッチ・ペアＳＰは、リード線ＺＬ２に設けられる。直流電圧コンバータＧ´は、スイッチ・ペアＳＰにならって接続され、この直流電圧コンバータＧ´は、一次側回路部分と二次側の消費ユニットＶＥ´との間のガルバニック絶縁を行う。

さらに別の電圧レギュレータＲＧ２は、リード線ＺＬ１´に接続される。電圧レギュレータＲＧ２は並列レギュレータであり、この並列レギュレータは過電流を排流する。ＤＣ−ＤＣスイッチング・レギュレータＲＧ３は、電圧レギュレータＲＧ２の下流に接続される。レギュレータＲＧ３は、その出力において一定の出力電圧を与える。この出力電圧は、未調整直流電流コンバータＧ´の補助で、コンバータの二次側で利用可能な５．５Ｖの供給電圧に変換される。

クロックド直流電圧コンバータＧ´は、通常３つのコイルＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３から成り、これらのコイルにならって整流ダイオードＤ１および蓄積コンデンサＣ２が配置される。

図２ｂから明白なように、さらなる２つのレギュレータＲＧ２およびＲＧ３は、消費回路ＶＳ´に電力を供給するのに必要とされる。回路装置Ｓ´は、本発明の回路装置ＳＥよりも著しくより複雑な構造を有する。回路装置Ｓ´は、著しくより広汎な「電力管理」を必要とする。さらに、入力側の利用可能な電力は、端子電圧の測定を通して確認しなければならない。消費ユニットＶＥにおいて電力調整を可能にするために、入力側の利用可能な電力についてのこの情報はこのときやはり、消費ユニットＶＥに送信しなければならない。このレギュレータの追加のために、電力損失が生じる。この電力損失は、２導体デバイスの場合、決して望まれないものである。

これらの不都合は、本発明により克服される。

次に、本発明のオペレーションをより詳細に説明する。リード線ＺＬ１およびＺＬ２を流れる全電流Ｉ_Ｓは、モジュレータ・ユニットＭによって設定される。電流調整回路ＲＳは、モジュレータ・ユニットＭを制御する働きをする。この電流調整回路ＲＳは、測定抵抗Ｒ_Ｍｅｓｓの両端の電圧降下ΔＵ_１を通して、全電流Ｉ_Ｓを実測値として求める。コンピュータ・ユニットの出力信号Ｓ１は、全電流Ｉ_Ｓの所望値を与える。演算増幅器ＯＰによって、所望値と実測値との差は、増幅されコンパレータＫの入力Ｅ１に与えられる。基準電圧が、コンパレータＫの第２の入力に印加される。異なる二種の全電流値Ｉ_ＳについてのコンパレータＫの出力信号を、図３に示す。コンパレータＫの出力信号Ｓ２のパルス幅は、全電流Ｉ_Ｓの小さな値に対して相対的に狭くなり、より大きな値に対しては相対的に広くなる。コンパレータＫの出力信号Ｓ２のパルス幅に応じて、オシレータＯの出力におけるパルスは、それぞれトランジスタＴ１およびＴ２に受け渡される。

２導体接続Ａを通じてフィールド・デバイスＦ１に保持される全電流Ｉ_Ｓは、電流調整回路ＲＳおよびモジュレータ・ユニットＭによって容易に調節できる。他のいかなる新たな回路素子も必要でない。測定抵抗Ｒ_Ｍｅｓｓにおけるロスを除き、ほとんどロスすることなしに、２導体接続Ａにおける利用可能電力は、消費回路ＶＳに移動する。

消費されるエネルギーよりも多くのエネルギーが消費回路ＶＳで利用可能である場合、過電流Ｉ_{Ｓｈｕｎｔ}を、分路抵抗器Ｒ_{Ｓｈｕｎｔ}を通して取り除かなければならない。このような場合、分路抵抗器Ｒ_{Ｓｈｕｎｔ}の両端の電圧降下ΔＵ_２は、消費回路ＶＳ内の利用可能電力に正比例する。他のユニットへの、または消費ユニットＶＥの他の機能への切替え、電力消費の増す他のユニットへの切替えを折にふれ行うために、この電圧降下を利用することができる。このようにして、利用可能電力を最適利用することができる。過電流は、消費側において取り除かれ、必要に応じて最小化される。

センサにより確認された測定値は、電気的に分離されてコンピュータ・ユニットＲＥに送信され、このコンピュータ・ユニットＲＥは、その測定値から全電流Ｉ_Ｓに対する所望値Ｓ１を確認する。

本発明は、２導体電流ループを通して提供される、フィールド・デバイスの電流制御お
よび電力調整を、単純な方式で可能にする。

２導体ループＬＳにより保持される全電流Ｉ_Ｓは、唯一の調整されたユニットである直流電圧コンバータＧで調節される。

追加の電圧レギュレータは、省略してもよい。複雑な電力管理は必要ではない。利用可能電力は、消費回路ＶＳ内で直接確認でき、必要に応じて消費回路ＶＳ内で調整することができる。

本発明はまた、フィールドバス・システム（例えば、Profibus、Foundation Fieldbus）に接続される、またはＨＡＲＴインターフェースを有する、フィールド・デバイスに適している。このような状況においても、全電流Ｉ_Ｓは、モジュレータ・ユニットＭにより調節することができる。追加構成部品が、デジタル通信用の回路装置Ｓにはこのように必要であり、これらの追加構成部品は、当業者によく知られ容易に組み込むことができる。

フィールドバス・システムのフィールド・デバイスの場合、全電流Ｉ_Ｓは通常一定であるが、それでも、全電流Ｉ_Ｓを調節できることは有益である。これらのフィールド・デバイスの場合でも、入力電圧を本発明の回路装置を使用して、最適に利用することができる。

自動化フィールド・デバイスおよび受信ユニットの、ブロック図である。 本発明の回路装置である。 従来技術の回路装置である。 図２の回路装置に設けたコンパレータの、時間の関数としての出力信号である。

Claims (5)

1. 自動化フィールド・デバイスを提供するための回路装置であって、
   ２導体接続を有する入力回路と、
   直流電圧コンバータと、
   消費回路と
   を有し、
   前記入力回路ＥＳは、モジュレータ・ユニットＭを含み、
   前記モジュレータ・ユニットＭは、電流調整回路ＲＳおよび前記直流電圧コンバータＧに接続され、調節可能な全電流Ｉ_Ｓが前記２導体接続Ａに保持されるように前記直流電圧コンバータＧを制御する
   ことを特徴とする、回路装置。
2. 前記直流電圧コンバータＧは、プッシュプル・コンバータであることを特徴とする、請求項１に記載の回路装置。
3. 回路装置であって、
   前記モジュレータ・ユニットＭは、２つのパルス出力ＰＡ１およびＰＡ２を有するオシレータＯを含み、前記２つのパルス出力のパルスは、コンパレータＫの出力信号によりマスクされることにより前記全電流Ｉ_Ｓの調節に影響を与えることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の回路装置。
4. 前記全電流Ｉ_Ｓは、４−２０ｍＡ信号電流であることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の回路装置。
5. Profibus、Foundation FieldbusまたはＨＡＲＴ規格に従って機能するフィールド・デバイス内で使用されることを特徴とする、請求項１〜３に記載の回路装置。