WO2012072286A1 - Schaltungsanordnung zur übertragung eines digitalsignals mit einem optokoppler - Google Patents

Schaltungsanordnung zur übertragung eines digitalsignals mit einem optokoppler Download PDF

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Definitions

  • Circuit arrangement for transmitting a digital signal with an optocoupler
  • the invention relates to a circuit arrangement for transmitting a digital signal with an optocoupler and a field device for process instrumentation with such a circuit arrangement.
  • a variety of field devices are used for process instrumentation to control processes. Transmitters are used to record process variables, such as temperature, pressure, flow rate, level, density or gas concentration of a medium.
  • the process flow can be influenced as a function of detected process variables in accordance with a strategy predetermined, for example, by a control station.
  • actuators may be mentioned a control valve, a heater or a pump.
  • a communication interface is provided on the field devices, which enables, for example, communication via a two-wire line or wireless communication.
  • PROFINET, PROFIBUS, Ethernet-IP or MODBUS TCP are distributed in the process automation ⁇ tion.
  • a connection between the field device and, for example, an automation device can be realized in which an analog current signal simultaneously has a value of
  • Such a field device with 4 to 20 mA interface is known for example from DE 197 23 645 B4.
  • the field device is connected for communication, for example, with a peripheral module of automation ⁇ insurance unit via a two-wire line.
  • One between the two limits variable analog current signal representing a detected in the field ⁇ device of a sensor value of a process variable is impressed in the case of a transmitter of this in the two-wire line.
  • a controllable current source is provided in the field device.
  • the field device ⁇ a voltage regulator, which generates a substantially constant operating voltage for the electronic circuit parts of the field device.
  • the invention is therefore based on the object to provide a scarf ⁇ processing arrangement for transmitting a digital signal with an optical coupler, which enables reliable transmission of the digital signal ⁇ at a comparatively low operating voltage.
  • the invention has the advantage that it simultaneously offers different diagnostic possibilities of the circuit arrangement and that the circuit arrangement enables a comparatively high current to drive a light-emitting diode located in the optocoupler even at low operating voltage, so that reliable transmission of a digital signal via the Optocoupler can be guaranteed.
  • it is characterized by the use of particularly simple and inexpensive components, so that the costs associated with the circuit arrangement are relatively low.
  • the circuit arrangement is particularly advantageous ⁇ adhesive used in field devices to the process instrumentation, since it is supported by the fulfillment of the target requirements and because they also can be operated with comparatively low energy consumption ⁇ .
  • circuit concepts are desired which produce a defined / safe state in error ⁇ case.
  • the optocoupler By driving the optocoupler with a square wave signal across a capacitor, the optocoupler is brought into a defined / safe state not only in the event of a break or short circuit of the supply line, but also at a conclusion against the operating voltage.
  • the square wave signal may be referred to as a positive pulsed voltage signal or as a removable ⁇ signal.
  • a smoothing capacitor is connected to an output of the optocoupler, to which the transmitted digital signal can be tapped off.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a field device
  • FIG. 2 shows a simulation model of a circuit arrangement for
  • FIG. 3 with the simulation model according to FIG. 2
  • FIG. 1 shows the basic structure of a transmitter 1 as an example of a field instrument for process instrumentation.
  • the transmitter shown 1 has a 4 to 20 mA interface, which can be connected with two contacts 2 and 3 to a two-wire line for communication with another, not shown in the figure automation component ⁇ .
  • a process variable e.g. B. a process pressure
  • a value of the process variable is determined based on a supplied from the sensor 4 measurement signal.
  • the first digital present value is converted using a digi-tal / analog converter not shown in the figure in an analog control signal 6 for a controllable current source 7, which impresses a corresponding to the value of the process variable current I in an attached ⁇ connected two-wire line.
  • a second controller 10 which compares the operating voltage U2 with a reference voltage Ur and deviations between see the operating voltage U2 and the reference voltage Ur by appropriate influencing a guided to a control input of the voltage regulator 9 signal Urefl ⁇ controls.
  • the second regulator 10 can be dispensed with if the desired accuracy of the supply voltage is already achieved by the voltage regulator 9 alone.
  • the transmitter 1 has a circuit 11 for the galvanically isolated output of a digital signal, which can be tapped off at a contact 12.
  • an optocoupler is arranged in the circuit 11.
  • the digital output as the result of a self-diagnosis in the form of an error message or ⁇ an alarm message is output.
  • the curve 30 of a voltage signal generated with the AC voltage source VI is shown in the timing diagram according to FIG.
  • the voltage in volts are plotted on the left ordinate, the current in microamps on the right ordinate, and the time in milliseconds on the abscissa.
  • the pulsed voltage signal with the curve 30 has a pulse amplitude of 3 V, the duration of the pulses is 0.5 ms, the pauses between the pulses each also 0.5 ms.
  • the control of the optocoupler Ul thus takes place with an alternating signal, whereby both a break in the supply line as well as a short circuit or a Conclude against the operating voltage in a defined / safe state.
  • a voltage signal at the point OUT is generated as a transmitted digital signal in the simulation model according to FIG. 2 with the aid of a DC voltage source V2 with 3 V, a resistor R2 and a smoothing capacitor C2.
  • a voltage curve is obtained 31 and as the feed ⁇ current in the input light-emitting diode of the optocoupler Ul Ver ⁇ a run 32 at a point AC of the simulation model of FIG. 2 This leads to a course 33 of the off ⁇ output voltage at the point OUT of the simulation model according to Figure 2, which can be tapped after the transmission through the optocoupler Ul.
  • the circuit arrangement is characterized by diagnostic options and low energy consumption.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler (U1) sowie ein Feldgerät (1) mit einer derartigen Schaltungsanordnung. Oftmals werden Schaltungskonzepte gewünscht, die im Fehlerfall einen definierten / sicheren Zustand erzeugen. Durch Ansteuerung des Optokopplers (U1) mit einem Rechtecksignal über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (C1) und einem Widerstand (R1) wird der Optokoppler nicht nur bei einem Bruch oder Kurzschluss der Zuleitung, sondern auch bei einem Schluss gegen die Betriebsspannung in einen definierten Zustand gebracht. Allerdings ginge der Spannungshub auf etwa die Hälfte der ursprünglichen Amplitude zurück und das Ansteuersignal für den Optokoppler wäre symmetrisch zum Bezugspotential am Verbindungspunkt (AC) des Kondensators (C1) mit dem Widerstand (R1). Wird zwischen Verbindungspunkt (AC) und das Bezugspotential zusätzlich eine Gleichrichterdiode (D1) mit ihrer Kathode am Verbindungspunkt (AC) geschaltet, so erhält man annähernd die ursprüngliche Amplitude. Durch diese Schaltungsanordnung wird auch bei vergleichsweise geringer Betriebsspannung eine zuverlässige Übertragung des Digitalsignals gewährleistet. Zur Glättung des Ausgangssignals kann an einen Ausgangsanschluss (OUT) des Optokopplers (U1) ein Glättungskondensator (C2) angeschlossen werden.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler sowie ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Schaltungsanordnung .
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchfluss- menge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Zur Übertragung von Prozessvariablen und von Feldgeräteparametern ist an den Feldgeräten eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen, die beispielsweise eine Kommunikation über eine Zweidrahtleitung oder eine drahtlose Kommunikation ermöglicht. Für eine draht- gebundene Kommunikation sind in der Prozessautomatisie¬ rung beispielsweise PROFINET, PROFIBUS, Ethernet-IP oder MODBUS TCP verbreitet. Mit einer 4 bis 20 mA-Schnittstelle kann eine Verbindung zwischen Feldgerät und beispielsweise einem Automatisierungsgerät realisiert werden, bei welcher mit einem analogen Stromsignal gleichzeitig ein Wert einer
Prozessvariablen und die zum Betrieb des Feldgeräts erforderliche Hilfsenergie übertragen werden.
Ein derartiges Feldgerät mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle ist beispielsweise aus der DE 197 23 645 B4 bekannt. Über eine Zweidrahtleitung wird das Feldgerät zur Kommunikation beispielsweise mit einer Peripheriebaugruppe eines Automatisie¬ rungsgeräts verbunden. Ein zwischen den beiden Grenzwerten veränderliches analoges Stromsignal, das einen in dem Feld¬ gerät von einem Sensor erfassten Wert einer Prozessvariablen repräsentiert, wird im Falle eines Messumformers von diesem in die Zweidrahtleitung eingeprägt. Dazu ist in dem Feldgerät eine steuerbare Stromquelle vorgesehen. Zudem weist das Feld¬ gerät einen Spannungsregler auf, der eine weitgehend konstante Betriebsspannung für die elektronischen Schaltungsteile des Feldgeräts erzeugt. Insbesondere bei Feldgeräten mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle, prinzipiell aber auch bei Feld- geräten mit anderen Kommunikationsschnittstellen, bei welchen keine von der Kommunikationsschnittstelle unabhängige Versorgungsmöglichkeit für Betriebsenergie besteht, stellt sich das Problem, dass lediglich eine beschränkte Menge an Versorgungsenergie zur Verfügung steht.
In der DE 10 2009 014 252 AI wird dazu weiter ausgeführt, dass bei der Entwicklung von Feldgeräten mit einer Kommunikationsschnittstelle die Einhaltung des maximal zulässigen Leistungsbedarfs der elektronischen Schaltungsteile immer eine sehr große Herausforderung darstellt. Dabei muss das Feldgerät die geforderten Eigenschaften, z. B. bezüglich Messgenauigkeit oder Diagnosefunktionen, sicher erfüllen. Verstärkt wird das Problem der beschränkt verfügbaren Ver¬ sorgungsenergie noch durch die SIL (Safety Integrity Level) - Anforderungen. Dabei müssen beispielsweise alle verwendeten Bauelemente des Feldgeräts ihre Spezifikation bezüglich der zulässigen Versorgungsspannungen einhalten und oftmals sind zur Realisierung einer Redundanz zusätzliche Bauelemente erforderlich. Die elektronischen Schaltungsteile müssen für einen Betrieb unter Worst-Case-Bedingungen ausgelegt werden und die zur Verfügung stehende Versorgungsleistung muss eingehalten werden, auch wenn alle verwendeten Bauelemente ihre maximale Leistung aufnehmen. Da bei einer höheren Versorgungsspannung auch die Leistungsaufnahme elektronischer Bau- elemente, die mit Hilfe der Versorgungsspannung mit der zu ihrem Betrieb erforderlichen Energie versorgt werden, ansteigt, wird die Betriebsspannung möglichst niedrig eingeregelt. Durch eine genaue Spannungsregelung wird dabei sichergestellt, dass diese im Worst-Case die minimal er¬ forderliche Betriebsspannung der im Feldgerät eingesetzten elektronischen Schaltungsteile nicht unterschreitet. Dies kann jedoch in nachteiliger Weise zu Problemen bei der Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal¬ tungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler zu schaffen, die bei vergleichsweise geringer Betriebsspannung eine zuverlässige Übertragung des Digital¬ signals ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind eine vorteilhafte Weiterbildung sowie ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Schaltungsanordnung beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie gleichzeitig ver¬ schiedene Diagnosemöglichkeiten der Schaltungsanordnung bietet und dass die Schaltungsanordnung auch bei geringer Betriebsspannung einen vergleichsweise hohen Strom zur An- steuerung einer im Optokoppler befindlichen Leuchtdiode ermöglicht, so dass eine sichere Übertragung eines Digital¬ signals über den Optokoppler gewährleistet werden kann. Zudem zeichnet sie sich durch die Verwendung besonders einfacher und preisgünstiger Bauelemente aus, so dass die mit der Schaltungsanordnung verbundenen Kosten vergleichsweise niedrig sind. Die Schaltungsanordnung ist besonders vorteil¬ haft in Feldgeräten zur Prozessinstrumentierung einsetzbar, da durch sie die Erfüllung der Zielanforderungen unterstützt wird und da sie zudem mit vergleichsweise niedrigem Energie¬ verbrauch betreibbar ist.
Oftmals werden Schaltungskonzepte gewünscht, die im Fehler¬ fall einen definierten / sicheren Zustand erzeugen. Durch Ansteuerung des Optokopplers mit einem Rechtecksignal über einen Kondensator wird der Optokoppler nicht nur bei einem Bruch oder Kurzschluss der Zuleitung, sondern auch bei einem Schluss gegen die Betriebsspannung in einen definier- ten / sicheren Zustand gebracht. Das Rechtecksignal kann auch als positives gepulstes Spannungssignal oder als Wechsel¬ signal bezeichnet werden.
Durch die in Sperrrichtung auf den Mittelpunkt der Reihen- Schaltung aufgeschaltete Gleichrichterdiode wird in vorteil¬ hafter Weise erreicht, dass die auf die Eingangsleuchtdiode des Optokopplers gegebene Spannungsamplitude deutlich an¬ gehoben wird und fast die Pulsamplitude des gepulsten Span¬ nungssignals erreicht. Dadurch wird auch bei geringer Be- triebsspannung ein sicheres Schalten des Optokopplers gewährleistet .
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird an einen Ausgang des Optokopplers, an welchem das übertragene Digital- signal abgreifbar ist, ein Glättungskondensator angeschlossen. Dadurch wird bei konstantem Wert des Digitalsignals ein nahezu konstanter, hoher Pegel des Ausgangssignals erzielt.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Feldgeräts,
Figur 2 ein Simulationsmodell einer Schaltungsanordnung zur
Übertragung eines Digitalsignals mit einem Opto¬ koppler und
Figur 3 mit dem Simulationsmodell gemäß Figur 2 erhaltene
Signalverläufe .
In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Messumformers 1 als Beispiel für ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung dargestellt. Der gezeigte Messumformer 1 besitzt eine 4 bis 20 mA-Schnittstelle, die mit zwei Kontakten 2 bzw. 3 an eine Zweidrahtleitung zur Kommunikation mit einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Automatisierungskomponente ange¬ schlossen werden kann. Eine Prozessvariable, z. B. ein Pro- zessdruck, wird mit Hilfe eines Sensors 4 erfasst und in einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 5 wird anhand eines von dem Sensor 4 gelieferten Messsignals ein Wert der Prozessvariablen bestimmt. Der zunächst digital vorliegende Wert wird mit Hilfe eines in der Figur nicht dargestellten Digi- tal/Analog-Umsetzers in ein analoges Steuersignal 6 für eine steuerbare Stromquelle 7 umgesetzt, welche in eine ange¬ schlossene Zweidrahtleitung einen dem Wert der Prozessvariablen entsprechenden Strom I einprägt. Ein Teil des
Stroms I fließt durch eine Konstantspannungsquelle 8, ein anderer Teil zu einem Spannungsregler 9, der die zur Versorgung elektronischer Schaltungsteile des Feldgeräts 1 erforderliche Betriebsspannung erzeugt. An seinem Ausgang liefert der Spannungsregler 9 dazu eine sehr genaue Versorgungsspannung U2, die aus seiner Eingangsspannung Ul generiert wird. Zur Verbesserung der Genauigkeit der eingestellten Versorgungsspannung U2 ist, wie schon in der eingangs genannten DE 10 2009 014 252 AI beschrieben, ein zweiter Regler 10 vorgesehen, der die Betriebsspannung U2 mit einer Referenzspannung Ur vergleicht und Abweichungen zwi- sehen der Betriebsspannung U2 und der Referenzspannung Ur durch entsprechende Beeinflussung eines auf einen Steuereingang des Spannungsreglers 9 geführten Signals Urefl aus¬ regelt. Der zweite Regler 10 kann alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel entfallen, wenn die gewünschte Ge- nauigkeit der Versorgungsspannung bereits durch den Spannungsregler 9 alleine erzielt wird.
Neben der 4 bis 20 mA-Schnittstelle verfügt der Messumformer 1 über eine Schaltung 11 zur galvanisch getrennten Ausgabe eines Digitalsignals, das an einem Kontakt 12 abgreifbar ist. Zur galvanischen Trennung ist in der Schaltung 11 ein Optokoppler angeordnet. Mit dem digitalen Ausgang kann beispiels- weise das Ergebnis einer Eigendiagnose in Form einer Fehler¬ meldung oder einer Alarmmeldung ausgegeben werden.
Anhand des in Figur 2 dargestellten Simulationsmodells und der in Figur 3 eingezeichneten Signalverläufe wird im Folgenden das Funktionsprinzip der Schaltung 11 (Figur 1) näher erläutert. Dabei soll lediglich die Übertragung des Werts „1" mit dem Digitalsignal eingehend beschrieben werden, da die Übertragung des Werts „0", bei welcher der Ausgangstransistor des Optokopplers Ul gesperrt ist, in einfacher Weise durch Nullstrom in der Eingangsdiode des Optokopplers erreicht wer¬ den kann. Dazu genügt bereits die Erzeugung eines Spannungs¬ signals mit 0 V am Eingang der Schaltung. Zur Übertragung des Werts „1" des Digitalsignals wird auf einem Digitalausgang eines Mikroprozessors, welcher üblicherweise in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 5 (Figur 1) enthalten ist, ein positives gepulstes Spannungssignal ausgegeben. Dieses wird im Simulationsmodell gemäß Figur 2 durch eine Wechselspannungs¬ quelle VI modelliert. Über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator Cl und einem Widerstand Rl wird die auf der Ein¬ gangsseite des Optokopplers befindliche Leuchtdiode mit einem aus dem Wechselsignal resultierenden Strom IN angesteuert. Auf den Mittelpunkt AC der Reihenschaltung ist in Sperrrichtung eine Gleichrichterdiode Dl aufgeschaltet , deren anderer Anschluss mit Bezugspotential verbunden ist.
Der mit der Wechselspannungsquelle VI erzeugte Verlauf 30 eines Spannungssignals ist in dem Zeitdiagramm gemäß Figur 3 dargestellt. In dem Zeitdiagramm sind auf der linken Ordinate die Spannung in Volt, auf der rechten Ordinate die Stromstärke in Mikroampere und auf der Abszisse die Zeit in Milli¬ sekunden aufgetragen. Das gepulste Spannungssignal mit dem Verlauf 30 hat eine Pulsamplitude von 3 V, die Dauer der Pulse beträgt jeweils 0,5 ms, die Pausen zwischen den Pulsen jeweils ebenfalls 0,5 ms. Die Ansteuerung des Optokopplers Ul erfolgt also mit einem Wechselsignal, wodurch sowohl ein Bruch in der Zuleitung als auch ein Kurzschluss bzw. ein Schluss gegen die Betriebsspannung in einen definierten / sicheren Zustand führen.
In diesen Fällen wird nämlich durch den Kondensator Cl, der eine Barriere für Gleichspannungssignale darstellt, die
Signalübertragung gesperrt. Am Transistorausgang des Optokopplers wird im Simulationsmodell gemäß Figur 2 mit Hilfe einer Gleichspannungsquelle V2 mit 3 V, eines Widerstands R2 und eines Glättungskondensators C2 ein Spannungssignal am Punkt OUT als übertragenes Digitalsignal erzeugt. Als Ergeb- nis der Simulation werden an einem Punkt AC des Simulationsmodells gemäß Figur 2 ein Spannungsverlauf 31 und als Speise¬ strom IN der Eingangsleuchtdiode des Optokopplers Ul ein Ver¬ lauf 32 erhalten. Dies führt zu einem Verlauf 33 der Aus¬ gangsspannung an dem Punkt OUT des Simulationsmodells gemäß Figur 2, die nach der Übertragung durch den Optokoppler Ul abgegriffen werden kann.
Bei der Simulation wurden die folgenden Bauelemente eingesetzt:
Cl - 1000 nF,
C2 - 100 nF,
Rl - 10 kQ,
R2 - 100 kQ,
VI - 0 ... 3 V,
V2 - 3 V,
Dl - Typ 1N5817 und
Ul - Typ PC817A.
Anhand des Verlaufs 32 des Speisestroms und des Verlaufs 33 der Spannung des Ausgangssignals wird deutlich, dass durch die Schaltungsanordnung ein zur sicheren Durchschaltung des Ausgangstransistors des Optokopplers Ul ausreichender Speise¬ strom für dessen Eingangsleuchtdiode erzeugt und somit eine sichere Übertragung eines statischen Digitalsignals selbst bei vergleichsweise niedriger Versorgungsspannung erzielt werden kann. Zudem zeichnet sich die Schaltungsanordnung durch Diagnosemöglichkeiten und geringen Energieverbrauch aus .

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Übertragung eines Digitalsignals mit einem Optokoppler (Ul),
mit Mitteln (5, VI) zur Erzeugung eines positiven gepulsten Spannungssignals, dessen Pulsamplitude dem jeweiligen Wert des zu übertragenden Digitalsignals entspricht,
mit einer Reihenschaltung aus einem Kondensator (Cl), auf welchen das gepulste Spannungssignal geführt ist, und einem dem Kondensator (Cl) nachgeschalteten Widerstand (Rl), dessen anderer Anschluss an den positiven Eingang des Optokopplers (Ul) angeschlossen ist, und
mit einer Gleichrichterdiode (Dl), die in Sperrrichtung zwischen den Verbindungspunkt (AC) , an welchem der Kondensator (Cl) und der Widerstand (Rl) zur Bildung der Reihenschaltung miteinander verbunden sind, und Bezugspotential der Schal¬ tungsanordnung geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass an einen Ausgang (OUT) des Optokopplers (Ul) ein
Glättungskondensator (C2) angeschlossen ist.
3. Feldgerät zur Prozessinstrumentierung mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2.
PCT/EP2011/064275 2010-12-01 2011-08-19 Schaltungsanordnung zur übertragung eines digitalsignals mit einem optokoppler WO2012072286A1 (de)

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