WO2022058104A1 - Feldgeräteadapter zur drahtlosen datenübertragung - Google Patents

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WO2022058104A1
WO2022058104A1 PCT/EP2021/072679 EP2021072679W WO2022058104A1 WO 2022058104 A1 WO2022058104 A1 WO 2022058104A1 EP 2021072679 W EP2021072679 W EP 2021072679W WO 2022058104 A1 WO2022058104 A1 WO 2022058104A1
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WO
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adapter
field device
supply circuit
voltage value
voltage
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/072679
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English (en)
French (fr)
Inventor
Harald SCHÄUBLE
Reinhard Griech
Simon Gerwig
Marco BUSCEMI
Julian Bockstaller
Original Assignee
Endress+Hauser SE+Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0428—Safety, monitoring

Definitions

  • field devices are often used which are used to determine, optimize and/or influence process variables.
  • Sensors such as fill level measuring devices, flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, conductivity measuring devices, etc.
  • process variables which detect the corresponding process variables fill level, flow rate, pressure, temperature or conductivity.
  • Actuators such as valves or pumps, which can be used to change the flow of a liquid in a pipeline section or the fill level in a container, are used to influence process variables.
  • field devices are also understood to mean remote I/Os (electrical interfaces), radio adapters or generally devices that are arranged at the field level.
  • Endress+Hauser manufactures and sells a large number of such field devices.
  • Two-wire field devices which are connected via a two-wire line to a higher-level unit, for example a PLC control unit, are currently still common in a large number of existing automation systems.
  • the two-wire field devices are designed in such a way that the measured or control values are communicated, i.e. transmitted, as the main process variable via the two-wire line or the two-wire cable in the form of a 4-20 mA signal.
  • the HART protocol in which a frequency signal is superimposed on the analog current signal of 4-20 mA as a digital two-wire signal for data transmission, has proven particularly effective for the transmission of all other data.
  • the data can not only be transmitted via the two-wire line, i.e. purely wired, but that the data can also be communicated wirelessly. Be it to transfer the data wirelessly to a database, e.g. a cloud database, and make it available there, or to transfer data between the field device and a mobile To transmit control unit wirelessly, for example. To parameterize the field device wirelessly via the mobile control unit.
  • a database e.g. a cloud database
  • field device adapters are or can be installed later, i.e. after the field device has already been commissioned.
  • the field device adapters are connected in series with the field device in the 4-20 mA network, which comprises at least one higher-level unit, a two-wire line and a field device connected to the higher-level unit via the two-wire line.
  • a voltage drop can be generated by internal adapter electronics, so that the electrical energy required to supply the individual internal electrical components is provided.
  • the voltage drop in turn ensures that a voltage present at the field device (terminal voltage) is reduced.
  • the invention is based on the object of proposing a possibility with which the voltage drop can be kept as low as possible in order to be able to provide the greatest possible clamping voltage at the field device.
  • the supply voltage can be kept lower during actual operation (operating phase), so that a greater voltage drop is present at a field device connected in series with the field device adapter.
  • data can be transmitted to a cloud database via the field device adapter introduced in series with the field device in the two-wire line.
  • a cloud database is to be understood as meaning a database that can be contacted by a user via the Internet. Provision can be made here for the database to have an application, for example for visualizing the data which is stored in the database. A user can access the application of the database and thus the data via the Internet from his device, for example a PC or a mobile device.
  • an advantageous embodiment of the field device adapter provides that the adapter electronics also have at least one, preferably parallel to the first Supply circuit connected first voltage-limiting explosion protection measure, which is set up to limit a voltage drop to a first explosion protection voltage value, and wherein the first supply circuit is set up during the start phase of the adapter electronics to the first voltage-limiting explosion protection measure switch generated first explosion protection voltage value as the first starting voltage value.
  • the configuration can provide that the first supply circuit is also set up to carry out the switchover between the first explosion protection voltage value and the first operating voltage value in such a way that the switchover takes place over a switchover time which is preferably in the millisecond range.
  • a further advantageous embodiment of the field device adapter according to the invention provides that the adapter electronics also include a second supply circuit introduced into the second connecting line for providing a second supply voltage from the loop current flowing in the second connecting line and the adapter electronics are designed in such a way that the first supply circuit transmits the HART modem with the first supply voltage and the second supply circuit supplies the radio module with the second supply voltage, preferably independently of one another, the second supply circuit also being designed to reduce the second supply voltage to a second starting voltage value during the starting phase of the adapter electronics and the second supply voltage during the operating phase to switch to a second operating voltage value that is lower in relation to the second starting voltage value.
  • a further advantageous embodiment of the field device adapter according to the invention provides that the adapter electronics also have at least one second voltage-limiting explosion protection measure, preferably connected in parallel with the second supply circuit, which is set up to limit a voltage drop to a second explosion protection voltage value, and wherein the second supply circuit is set up to switch over to the second explosion protection voltage value generated by the second voltage-limiting explosion protection measure as the second starting voltage value during the starting phase of the adapter electronics.
  • the configuration can provide that the second supply circuit is also set up to carry out the switchover between the second explosion protection voltage value and the second operating voltage value in such a way that the switchover takes place directly, ie the switchover time is in particular significantly shorter than one millisecond .
  • a further advantageous embodiment of the field device adapter according to the invention provides that the first and/or the second supply circuit each have a current Shunt regulator and a field effect transistor connected in series with the current shunt regulator in such a way that the value of the first or second supply circuit can be changed via a signal at a gate connection of the field effect transistor.
  • a further advantageous embodiment of the field device adapter according to the invention provides that the signal comprises a pulse width modulated signal whose pulse width ratio is changed, preferably continuously, during the switching time.
  • the adapter electronics have a galvanic isolation, which galvanically separates the HART mode from the radio module and the HART modem and the radio module communicate at least the signal via the galvanic isolation.
  • the adapter electronics also have at least one communication resistor introduced between the second supply circuit and the fourth connection element in the second connecting line.
  • the radio module is set up to send the radio signal according to one of the following radio protocols: a Bluetooth protocol or a variant thereof, a 6LoWPAN protocol, a WirelessHART protocol, and/or a 6TiSCH protocol and /or to receive.
  • radio protocols a Bluetooth protocol or a variant thereof, a 6LoWPAN protocol, a WirelessHART protocol, and/or a 6TiSCH protocol and /or to receive.
  • the first end of the adapter housing is also designed in such a way that the first end is a closed end, so that the field device adapter and the field device form two separate mechanical units.
  • the first end of the adapter housing is also designed in such a way that the field device adapter can be mechanically connected to a field device, preferably a cable gland connection of a field device, particularly preferably to an M20 cable gland connection of the field device, so that the field device adapter and the field device form a mechanically connected unit.
  • Fig. 3 a circuit example of how a supply circuit can be designed
  • Fig. 4 Voltage curves during the start, switchover and actual operating phase of the adapter electronics
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a field device to which a field device adapter is mechanically attached, so that the field device and the field device adapter form a mechanically connected unit
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a field device and a field device adapter, which each form a separate unit and are electrically connected to one another via a connecting line.
  • FIG. 1 schematically shows a two-wire field device, which comprises a metal housing 2 in which field device electronics 4 are arranged.
  • the field device electronics 4 are designed in such a way that they have connection terminals 13 via which a two-wire line 12 is electrically connected.
  • the field device electronics 4 and thus the field device 1 are connected via the two-wire line to a higher-level unit 31 (not shown separately in FIG. 1) in order to communicate data 31 with the higher-level unit by wire.
  • the measured or control values are communicated as the main process variable via the two-wire line 12 in the form of a 4-20 mA current signal and all other data are transmitted in the form of a digital two-wire signal in accordance with the HART standard.
  • the metallic housing 2 has a housing opening 3 .
  • a screwed cable connection 5 is introduced into the housing opening 3 so that the two-wire line 12 can be introduced into the housing 2 through the screwed cable connection 5 .
  • the screwed cable connection 5 is preferably in the form of a PG screwed cable connection, ie a screwed cable connection with a steel conduit thread, in accordance with the DIN EN 62444 standard published in May 2014.
  • the cable gland 5 can be designed, for example, as an M20, ie having an outer diameter of 20 mm, PG cable gland.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a field device adapter 6 , which is connected in series with the field device 1 .
  • the field device adapter 6 has an adapter housing 7 with an adapter chamber 10 .
  • the adapter housing 7 can be designed in such a way that the field device adapter 6 can be attached mechanically at a first end 8 to a screwed cable connection 5, in particular a PG screwed cable connection, of a field device 1.
  • the first end 8 of the adapter housing preferably has an M20 thread, via which the adapter can be screwed mechanically to the cable gland of the field device.
  • the first end 8 can be designed in such a way that it can be connected to a PG cable gland with an M20 thread, according to the DIN EN 62444 standard published in May 2014, of a field device.
  • the field device adapter 6 has a first and a second connection element 16a and 16b at its first end 8 .
  • the first and second connection element 16a and 16b can each comprise an electrical connection line or connecting line for electrical connection to field device electronics 4 .
  • the connection can be made via a two-wire line 27 .
  • the adapter housing 7 is designed in such a way that a two-wire line 12 for data transmission can be electrically connected to the field device adapter 6 via a third and a fourth connection element 11a, 11b.
  • the third and fourth connection elements 11a and 11b can comprise a connection terminal, for example.
  • the field device adapter 6 has adapter electronics 14 arranged within the adapter chamber, which connects the first connection element 16a to the third connection element 11a via a first electrical connecting line 25 and the second connecting element 16b to the fourth connection element 11b via a second electrical connecting line 26, see above that the field device adapter is integrated in series with the field device and the higher-level unit in the two-wire line.
  • a loop current I is routed from the two-wire line 12 to the field device electronics 4 via the first electrical connecting line 25 and the loop current I is routed back to the two-wire line 12 connected to the field device adapter 6 via the second electrical connecting line 26 .
  • the adapter electronics 14 is therefore set up to communicate digital two-wire signals designed according to the HART standard in both directions between the two-wire line 12 connected via the third and fourth connection element and the field device electronics 4 connected via the first and second connection element 16a 16b.
  • the adapter electronics 14 has a first supply circuit 15a and, if necessary. a second supply circuit 15b, each providing a first and a second supply voltage.
  • the supply circuits 15a, 15b are preferably configured independently of one another and are separated from one another by a galvanic isolation 30.
  • the supply circuits 15a, 15b can each have a Z diode or Zener diode, which are introduced into the first or second connecting line in such a way that they are each connected in the reverse direction to the loop current flowing through the first or second connecting line, and each a voltage can be tapped as the first or second supply voltage across the diode.
  • the first and/or second supply circuit 15a and 15b can each have at least one current shunt regulator, in particular a higher current shunt regulator, each of which is designed and introduced into the first or second connecting line such that a fixed adjustable, ie from The first or second supply voltage Ui, Ü2 is initially independent of the loop current I.
  • the first supply circuit 15a is designed to take the provided first supply voltage Ui to a starting voltage value Ustam during a starting phase of the adapter electronics, in which more energy is briefly required to start up the adapter electronics, e.g. to charge capacitors and similar components, and then during a Operating phase of the adapter electronics to switch the first supply voltage to a first operating voltage value Ußetnebi that is lower in relation to the first starting voltage value Ustam.
  • a start-up phase typically lasts no longer than about 200 milliseconds (ms), preferably no longer than about 150 ms, more preferably no longer than about 100 ms. In the operating phase following the starting phase, in principle less energy is required for the actual operation of the field device adapter.
  • the switching according to the invention between the first starting voltage value and the first operating voltage value Ußetnebi can be used during the Operating phase, the voltage drop generated by the first supply circuit can be kept small. This in turn means that a larger clamping voltage can be provided at the field device and thus more energy.
  • the adapter electronics 14 voltage-limiting Ex-protection measures 28a, 28b and additionally if necessary. also include current-limiting explosion protection measures 32a, 32b in order to take into account the specifications in the standard IEC EN DIN 60079-ff for the "intrinsic safety" type of protection (based on the principle of current and voltage limitation in a circuit).
  • the current-limiting explosion protection measures 32a and 32b can include resistors that are placed in a line 22a between the first supply circuit 15a and the HART modem 17 and/or in a line 22b between the second supply circuit 15b and the radio module 19 for the respective voltage supply .
  • the voltage-limiting explosion protection measures 28a and 28b can each include at least one current shunt regulator, in particular a higher current shunt regulator, which is connected in parallel with the first and/or the second supply circuit 15a, 15b, in order to reduce the voltage drop to an explosion protection voltage value to limit.
  • the first supply circuit 15a can also be set up to switch over between the first explosion protection voltage value UEx_maxi and the first operating voltage value Ußetnebi in such a way that the switchover takes place "smoothly", ie via a continuously monotonically decreasing or monotonically increasing voltage curve , as shown in FIG. Voltage dips, which can lead to malfunctions in the adapter electronics, can be avoided by the "smooth" switching.
  • the second supply voltage 15b can also be designed to switch the second supply voltage to a second starting voltage value Ustart2 during the starting phase of the electronic adapter and during the operating phase to switch the second supply voltage to a second operating voltage value U réelle2 that is lower than the second starting voltage value Ustart2.
  • Fig. 3 shows how a possible embodiment of the first and possibly. also the second supply circuit 15a, 15b can appear.
  • the supply circuits 15a and 15b are each connected in parallel to the corresponding voltage-limiting explosion protection measure 28a or 28b.
  • the supply circuits 15a, 15b each comprise a current shunt regulator 151 and a field effect transistor 152 connected in series thereto, via which the voltage tap for the first and second supply voltages U1 and U2 takes place.
  • the current shunt regulator 151 is set to a fixed operating voltage value across pins 2 and 3 by a voltage applied to pin 1.
  • the current shunt regulator 151 can be set via pin 1 in such a way that the operating voltage value is approximately 1.6 V.
  • the field effect transistor 152 is connected in series to the current shunt regulator 151 via drain and source and is driven via a gate connection (pin 3).
  • the control can be done by a microprocessor 40, for example.
  • the voltage-limiting explosion protection measure 28a or 28b is connected in parallel with the current shunt regulator 151 and the field effect transistor 152, and is designed in such a way that it limits the voltage drop to a maximum value (explosion protection voltage value ÜEx_maxi or ÜEx_max2). to protect against overvoltages.
  • the explosion protection voltage value As the starting voltage value for the starting or starting phase of the electronics and the actual operating voltage value for the operating phase.
  • the switchover can take place both “soft” (in the case of the first supply circuit 15a) and “hard” (for example in the case of the second supply circuit 15b).
  • Hard here means that the starting voltage value is switched directly to the operating voltage value. This means that the switching time is usually in the low microsecond range or even less.
  • Soft means that the switching takes place via a comparatively longer switching time, for example a switching time in the millisecond range.
  • the pulse width ratio By increasing the pulse width ratio, the voltage Ucate present at the gate connection also increases, so that the drain-source path of the field effect transistor, in this case an n-channel field effect transistor, becomes increasingly conductive after the field effect transistor was switched off by the signal during the start phase, so that the first explosion protection voltage value UEx_maxi is provided as the starting voltage value for the power supply.
  • the switching can take place in that the pulse width ratio increases continuously, so that the voltage Ucate present at the gate terminal also increases continuously. This means that the switchover to the operating voltage takes place very slowly.
  • FIG. 4 shows an example of the voltage profile of the first supply voltage U1 provided by the first supply circuit and of the pulse width modulated signal UPWM and the voltage at the gate connection of the field effect transistor Ucate.
  • the first supply circuit is designed for "soft” switching
  • the second supply circuit is designed for "hard” switching
  • the second supply circuit 15b is also designed for “soft” switching.
  • the gate connection is also conceivable for the gate connection to be driven not by a pulse width modulated signal but by another corresponding signal, for example a ramp-shaped signal.
  • the electronic adapter 14 also has a radio module 19 with an antenna for sending or receiving radio signals and a HART modem 17 for converting/converting the digital two-wire signal.
  • the radio module 19 is supplied with energy from one of the two supply circuits and the HART modem 17 from the other supply circuit.
  • the first supply circuit 15a supplies the HART modem 17 with the first supply voltage
  • the second supply circuit 15b supplies the radio module 19 with the second supply voltage.
  • the radio module 19 is designed in such a way that, in particular, radio signals can be transmitted according to a Bluetooth protocol or a variant thereof, a 6LoWPAN protocol, a WirelessHART protocol and/or a 6TiSCH protocol.
  • the adapter electronics 14 In order to be able to tap the digital two-wire signals communicated on the connected two-wire line 12 or to be able to modulate them onto the loop current I, the adapter electronics 14 have a tapping point 23 introduced into the second connecting line 26 .
  • the tapping point 23 is preferably introduced between the second supply circuit 15b introduced into the second connecting line 26 and the fourth connection element 11b.
  • the adapter electronics 14 are designed in such a way that the radio module 19 and the HART modem 17 can communicate with one another for data, for example via a UART interface 33 .
  • the radio signals received by the radio module 19 can be transmitted via the UART interface 33 to the HART modem 17 and converted by the HART modem 17 into corresponding digital two-liter signals, which in turn are modulated onto the loop current via the tapping point 23 be able.
  • the digital two-wire signals communicated on the loop current can also be picked up by the HART modem at the tapping point 23 and converted by the HART modem 17 into UART signals, which in turn are transmitted via the UART interface 33 to the radio module 19 and from be sent out as radio signals.
  • the adapter electronics can have a galvanic isolation via which only the data between the radio module and the HART modem is communicated and no energy.
  • the adapter electronics 14 can pick up the digital two-wire signals via the tapping point 23 or modulate them onto the loop current I, there is also a communication resistor 18 in the first electrical connecting line 25 intended.
  • the communication resistor 18 can be introduced between the first supply circuit 15a and the third connection element 11a in the first electrical connecting line 25 .
  • the communication resistor 18 can also be introduced into the second connecting line 26 between the second supply circuit and the fourth connection element. This is indicated by way of example in FIG. 2 by the dashed resistor. It goes without saying that there is no communication resistance in the first connection line 25 in this case.
  • the HART modem 17 is preferably set up as a secondary master.
  • a field device 1 can be parameterized wirelessly via radio signals which are received by the radio module 19 of the field device adapter 6 and are converted by the HART mode 17 into corresponding digital two-wire signals.
  • the HART modem 17 can also be set up as a primary master. This can be useful, for example, if there is only one higher-level unit 31 without HART means of communication and therefore no other primary master.
  • the adapter electronics 14 can communicate with the field device electronics 4 via the two-wire line 27 using HART.
  • the electronic adapter 14 can have EMC measures 29a and 29b, which are designed in such a way that at least the first and/or second supply circuit 15a, 15b are protected from EMC interference.
  • the EMC measures 29a, 29b can in particular have one or more suppressor diodes which are connected in parallel at least to the first or second supply circuit 15a, 15b.
  • the suppressor diode is connected in parallel to the supply circuit located in this supply line and to the communication resistor.
  • the field device adapter 6 can be arranged in such a way that it is located between the housing opening 3 of the field device 1 and the cable gland 5 that actually belongs to the housing opening of the field device.
  • the adapter housing 7 is designed such that the cable gland 5 to the correspondingly designed second end 9 can be fastened or screwed on.
  • the second end 9 can be designed in the form of a PG cable gland with an M20 thread in accordance with the DIN EN 62444 standard published in May 2014.
  • the field device adapter 6 can also be designed in such a way that the adapter housing 7 serves as a cable gland and a separate cable gland is therefore not required when connecting to the field device 1 .
  • the field device 1 and the field device adapter mechanically attached to the housing opening 3 of the field device 1 form a mechanically connected unit.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a field device 1 and a field device adapter 6, which each form a separate mechanical unit and are electrically connected to one another via a connecting line, in particular a second two-wire line 27. Due to the fact that the field device adapter 6 is only electrically connected to the field device 1 via the connecting line 27 and not via a mechanical connection, the field device adapter 6 can be placed flexibly in an automation system, so that it can be set up virtually independently of the installation location of the field device 1.
  • Adapter electronics a First supply circuit for feeding the HART modemb Second supply circuit for feeding the radio module1 Current shunt regulator 2 Field effect transistor a First connection element b Second connection element
  • Mechanical connection element e.g. M20 thread for mechanical connection of the adapter to a cable gland of a field device
  • Connection line preferably second two-wire line

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Abstract

Feldgeräteadapter (6) zur drahtlosen Datenübertragung, zumindest aufweisend: - ein Adaptergehäuse (7); - eine in dem Adaptergehäuse (7) angeordnete Adapterelektronik (14) umfassend eine in die erste Verbindungsleitung (25) eingebrachte erste Versorgungsschaltung (15a) zum Bereitstellen einer ersten Versorgungsspannung aus einem in der ersten Verbindungsleitung (25) fließenden Schleifenstrom (I), wobei die erste Versorgungsschaltung (15a) ferner dazu ausgebildet ist, während einer Startphase der Adapterelektronik die erste Versorgungsspannung auf einen ersten Startspannungswert (UStart1) und während einer Betriebsphase die erste Versorgungsspannung auf einen im Verhältnis zum ersten Startspannungswert (UStart1) niedrigeren ersten Betriebsspannungswert (UBetrieb1) umzuschalten.

Description

Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung, Optimierung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os (elektrische Schnittstellen), Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Gegenwärtig sind in einer Vielzahl der bestehenden Automatisierungsanlagen noch Zweileiterfeldgeräte, die über eine Zweidrahtleitung zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS, verbunden sind, gängig. Die Zweileiterfeldgeräte sind derartig ausgebildet, dass die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable über die Zweidrahtleitung bzw. das Zweileiterkabel analog in Form eines 4-20 mA Signals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Zur übertragung aller anderen Daten hat sich insbesondere das HART Protokoll bewährt, bei welchem dem analogen Stromsignal von 4-20 mA ein Frequenzsignal als digitales Zweileitersignal zur Datenübertragung überlagert wird. Gemäß dem HART Protokoll wird zwischen 1200 Hz und 2200 Hz zur Datenübertragung umgeschaltet, wobei die niedrigere Frequenz für eine logische „1“ und die höhere Frequenz für eine logische „0“ steht. Auf diese Weise bleibt das sich nur langsam veränderliche analoge Stromsignal von der Frequenzüberlagerung unberührt, sodass mittels HART analoge und digitale Kommunikation vereint wird.
Im Zuge der zunehmenden Digitalisierung ist es jedoch wünschenswert, dass die Daten nicht nur über die Zweidrahtleitung, also rein drahtgebunden, übertragen werden können, sondern dass die Daten auch drahtlos kommuniziert werden. Sei es um die Daten drahtlos zu einer Datenbank, bspw. einer Cloud-Datenbank, zu übertragen und dort verfügbar zu machen oder um Daten zwischen dem Feldgerät und einer mobilen Bedieneinheit drahtlos zu übertragen, um bspw. das Feldgerät über das mobile Bediengerät drahtlos zu parametrieren.
Eine Möglichkeit, um die Daten auch drahtlos kommunizieren zu können, besteht in dem Einsatz von sogenannten Feldgeräteadapter. Diese werden bzw. können nachträglich, d.h. nachdem das Feldgerät bereits in Betrieb genommen wurde, installiert werden. Die Feldgeräteadapter werden hierzu in das 4-20 mA Netzwerk, welches zumindest eine übergeordnete Einheit, eine Zweidrahtleitung und ein mit der übergeordneten Einheit über die Zweidrahtleitung verbundenes Feldgerät umfasst, in Reihe zu dem Feldgerät geschaltet. Zum Betreiben des Feldgeräteadapters kann durch eine interne Adapterelektronik ein Spannungsabfall erzeugt werden, sodass die notwendige elektrische Energie zum Versorgen der einzelnen internen elektrischen Komponenten bereitgestellt wird. Der Spannungsabfall sorgt allerdings wiederum dafür, dass eine am Feldgerät anliegende Spannung (Klemmspannung) reduziert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der der Spannungsabfall möglichst geringgehalten werden kann, umso eine möglichst große Klemmspannung an dem Feldgerät bereitstellen zu können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Feldgeräteadapter gemäß Patentanspruch 1 .
Der erfindungsgemäße Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung umfasst zumindest: ein Adaptergehäuse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement zum elektrischen Anschließen an eine Feldgerätelektronikeines Feldgerätes und das zweite Ende ein drittes Anschlusselement und ein viertes Anschlusselement zum elektrischen Anschließen einer Zweidrahtleitung aufweist; eine in dem Adaptergehäuse angeordnete Adapterelektronik, die das erste Anschlusselement mit dem dritten Anschlusselement durch eine erste elektrische Verbindungsleitung und das zweite Anschlusselement mit dem vierten Anschlusselement durch eine zweite elektrische Verbindungsleitung verbindet, wobei die Adapterelektronik eine in die erste Verbindungsleitung eingebrachte erste Versorgungsschaltung zum Bereitstellen einer ersten Versorgungsspannung aus einem in der ersten Verbindungsleitung fließenden Schleifenstrom umfasst, wobei die Adapterelektronik ferner ein HART-Modem, welches auf einem HART Protokoll basiert, umfasst, welches zumindest über einen in der zweiten Verbindungsleitung angeordneten Abgriffspunkt mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein auf den Schieifenstrom aufmoduhertes Zweileitersignal abzugreifen und in em Signal, vorzugsweise ein UART-Signal zu übersetzen und/oder ein zugeführtes Signal, vorzugsweise ein UART-Signal in ein Zweileitersignal zu übersetzen und das übersetzte Zweileitersignal über den Abgriffspunkt auf den Schleifenstrom aufzumodulieren, wobei die Adapterelektronik ferner ein Funkmodul mit einer Antenne zum Senden und/oder Empfangen umfasst und dazu eingerichtet ist, das durch das HART-Modem übersetzte und zugeführte Signal, vorzugsweise UART- Signal als ein Funksignal auszusenden und/oder ein Funksignal welches durch das HART-Modem in ein Zweileitersignal übersetzt werden soll, zu empfangen und als Signal, vorzugsweise UART-Signal dem HART-Modem zuzuführen, wobei die Adapterelektronik derartig ausgebildet ist, dass die erste Versorgungsschaltung das HART-Modem und/oder das Funkmodul mit der ersten Versorgungspannung speist und wobei die erste Versorgungsschaltung ferner dazu ausgebildet ist, während einer Startphase der Adapterelektronik die erste Versorgungsspannung auf einen ersten Startspannungswert und während einer Betriebsphase die erste Versorgungsspannung auf einen im Verhältnis zum ersten Startspannungswert niedrigeren ersten Betriebsspannungswert umzuschalten.
Erfindungsgemäß wird das Umschalten der ersten Versorgungspannung während der Startphase der Adapterelektronik auf einen höheren Spannungswert als während der eigentlichen Betriebsphase vorgeschlagen. Hierdurch kann im eigentlichen Betrieb (Betriebsphase) die Versorgungsspannung geringer gehalten werden, sodass ein größerer Spannungsabfall an einem in Reihe zu dem Feldgeräteadapter angeschlossenen Feldgerät anliegt.
Über den in Reihe zu dem Feldgerät in die Zweidrahtleitung eingebrachten Feldgeräteadapter können beispielsweise Daten zu einer Cloud-Datenbank übertragen werden. Als Cloud-Datenbank soll im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Datenbank verstanden werden, die von einem Benutzer über das Internet kontaktiert werden kann. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die Datenbank eine Applikation aufweist, beispielsweise zum Visualisieren der Daten, welche auf der Datenbank abgelegt sind. Ein Benutzer kann per Internet von seinem Gerät, beispielsweise einem PC oder einem mobilen Endgerät, auf die Applikation der Datenbank und somit die Daten zugreifen.
Ebenfalls ist die Bedienung eines „proprietären“ Feldgerätes, welches eigentlich kein Funkmodul aufweist, über den an das Feldgerät angeschlossenen Funkadapter möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräteadapters sieht vor, dass die Adapterelektronik ferner zumindest eine, vorzugsweise parallel zu der ersten Versorgungsschaltung geschaltete erste spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme aufweist, welche dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall auf einen ersten Ex- Schutz-Spannungswert zu begrenzen, und wobei die erste Versorgungsschaltung dazu eingerichtet ist, während der Startphase der Adapterelektronik auf den durch die erste spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme erzeugten ersten Ex-Schutz- Spannungswert als ersten Startspannungswert umzuschalten. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die erste Versorgungsschaltung ferner dazu eingerichtet ist, die Umschaltung zwischen dem ersten Ex-Schutz-Spannungswert und dem ersten Betriebsspannungswert derartig durchzuführen, dass die Umschaltung über eine Umschaltzeit erfolgt, die vorzugsweise im Millisekundenbereich liegt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräteadapters sieht vor, dass die Adapterelektronik ferner eine in die zweite Verbindungsleitung eingebrachte zweite Versorgungsschaltung zum Bereitstellen einer zweiten Versorgungsspannung aus dem in der zweiten Verbindungsleitung fließenden Schleifenstrom umfasst und die Adapterelektronik derartig ausgebildet ist, dass die erste Versorgungsschaltung das HART-Modem mit der ersten Versorgungsspannung und die zweite Versorgungsschaltung das Funkmodul mit der zweiten Versorgungspannung, vorzugsweise unabhängig voneinander speist, wobei die zweite Versorgungsschaltung ferner ebenfalls dazu ausgebildet ist, während der Startphase der Adapterelektronik die zweite Versorgungsspannung auf einen zweiten Startspannungswert und während der Betriebsphase die zweite Versorgungsspannung auf einen im Verhältnis zum zweiten Startspannungswert niedrigeren zweiten Betriebsspannungswert umzuschalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräteadapters sieht vor, dass die Adapterelektronik ferner zumindest eine, vorzugsweise parallel zu der zweiten Versorgungsschaltung geschaltete zweite spannungsbegrenzende Ex- Schutzmaßnahme aufweist, welche dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall auf einen zweiten Ex-Schutz-Spannungswert zu begrenzen, und wobei die zweite Versorgungsschaltung dazu eingerichtet ist, während der Startphase der Adapterelektronik auf den durch die zweite spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme erzeugten zweiten Ex-Schutz-Spannungswert als zweiten Startspannungswert umzuschalten. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die zweite Versorgungsschaltung ferner dazu eingerichtet ist, die Umschaltung zwischen dem zweiten Ex-Schutz-Spannungswert und dem zweiten Betriebsspannungswert derartig durchzuführen, dass die Umschaltung direkt, d.h. dass die Umschaltzeit insbesondere deutlich kürzer als eine Millisekunde ist, erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräteadapters sieht vor, dass die erste und/oder die zweite Versorgungsschaltung jeweils einen Current Shunt Regulator und einen derartig in Reihe zu dem Current Shunt Regulator geschalteten Feldeffekttransistor umfasst bzw. umfassen, dass über ein Signal an einem Gateanschluss des Feldeffekttransistors der Wert der ersten bzw. zweiten Versorgungsschaltung veränderlich ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräteadapters sieht vor, dass das Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal umfasst, dessen Pulsweitenverhältnis während der Umschaltzeit, vorzugsweise kontinuierlich, verändert wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Adapterelektronik eine galvanische Trennung aufweist, die das HART-Moden galvanisch von dem Funkmodul trennt und das HART- Modem und das Funkmodul über die galvanische Trennung zumindest das Signal kommunizieren.
Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass das HART-Modem als ein Primary oder Secondary Master gemäß dem HART Protokoll eingerichtet ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Adapterelektronik zumindest einen zwischen der ersten Versorgungsschaltung und dem dritten Anschlusselement in die erste Verbindungsleitung eingebrachten Kommunikationswiderstand aufweist.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Adapterelektronik ferner zumindest einen zwischen die zweite Versorgungsschaltung und dem vierten Anschlusselement in die zweite Verbindungsleitung eingebrachten Kommunikationswiderstand aufweist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Funkmodul dazu eingerichtet ist, das Funksignal gemäß eines der folgenden Funkprotokolle: ein Bluetooth-Protokoll oder einer davon abgewandelten Variante, ein 6LoWPAN-Protokoll, ein WirelessHART-Protokoll, und/oder ein 6TiSCH-Protokoll zu senden und/oder zu empfangen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste Ende des Adaptergehäuses ferner derartig ausgebildet ist, dass das erste Ende ein abgeschlossenes Ende ist, sodass der Feldgeräteadapter und das Feldgerät zwei separat voneinander getrennte mechanische Einheiten bilden. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das erste Ende des Adaptergehäuses ferner derartig ausgebildet ist, dass der Feldgeräteadapter an ein Feldgerät, bevorzugt einen Kabelverschraubungsanschluss eines Feldgeräts, besonders bevorzugt an ein M20- Kabelverschraubungsanschluss des Feldgerätes mechanisch anschließbar ist, sodass der Feldgeräteadapter und das Feldgerät eine mechanisch verbundene Einheit bilden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Zweileiterfeldgerätes, wie es gegenwärtig in einer Vielzahl der bestehenden Automatisierungsanlagen vorzufinden ist und mit welchem rein drahtgebunden über eine Zweidrahtleitung Daten kommuniziert werden können,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Feldgeräteadapters,
Fig. 3: eine Schaltungsbeispiel, wie eine Versorgungsschaltung ausgebildet sein kann,
Fig. 4: Spannungsverläufe während der Start-, Umschalt- und der eigentlichen Betriebsphase der Adapterelektronik,
Fig. 5: eine schematische Darstellung eines Feldgerätes, an dem ein Feldgeräteadapter mechanisch angebracht ist, sodass das Feldgerät und der Feldgeräteadapter eine mechanisch verbundene Einheit bilden, und
Fig. 6: eine schematische Darstellung eines Feldgerätes und eines Feldgeräteadapters, die jeweils eine voneinander getrennte Einheit bilden und über eine Verbindungsleitung elektrisch miteinander verbunden sind.
Figur 1 zeigt schematisch ein Zweileiterfeldgerät, welches ein metallisches Gehäuse 2 umfasst, indem eine Feldgeräteelektronik 4 angeordnet ist. Die Feldgeräteelektronik 4 ist derartig ausgebildet, dass diese Anschlussklemmen 13 aufweist, über die eine Zweidrahtleitung 12 elektrisch angeschlossen ist. Über die Zweidrahtleitung wird die Feldgeräteelektronik 4 und somit das Feldgerät 1 an eine, in Fig. 1 nicht gesondert dargestellte, übergeordnete Einheit 31 angeschlossen, um mit der übergeordneten Einheit Daten 31 drahtgebunden zu kommunizieren. Hierbei werden die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable über die Zweidrahtleitung 12 analog in Form eines 4-20 mA Stromsignals kommuniziert und alle anderen Daten werden in Form eines digitalen Zweileitersignals gemäß dem HART Standard übertragen. Um die von außerhalb des Gehäuses 2 kommende Zweidrahtleitung 12 mit der im Gehäuse 2 angeordneten Feldgeräteelektronik 4 elektrisch kontaktieren zu können, weist das metallische Gehäuse 2 eine Gehäuseöffnung 3 auf. In die Gehäuseöffnung 3 ist eine Kabelverschraubung 5 eingebracht, so dass die Zweidrahtleitung 12 durch die Kabelverschraubung 5 in das Gehäuse 2 einbringbar ist. Die Kabelverschraubung 5 ist vorzugsweise in Form einer PG-Kabelverschraubung, d.h. eine Kabelverschraubung mit Stahlpanzerrohrgewinde, gemäß der im Mai 2014 veröffentlichten Norm DIN EN 62444 ausgebildet. Die Kabelverschraubung 5 kann bspw. als M20, d.h. einen Außendurchmesser von 20 mm aufweisende, PG-Kabelverschraubung ausgebildet sein.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldgeräteadapters 6., der in Reihe zu dem Feldgerät 1 geschaltet ist. Der Feldgeräteadapter 6 weist ein Adaptergehäuse 7 mit einer Adapterkammer 10 auf. Das Adaptergehäuse 7 kann derartig ausgebildet sein, dass der Feldgeräteadapter 6 an einem ersten Ende 8 mechanisch an eine Kabelverschraubung 5, insb. eine PG-Kabelverschraubung, eines Feldgerätes 1 befestigbar ist. Vorzugsweise weist das erste Ende 8 des Adaptergehäuses hierfür ein M20 Gewinde auf, über welches der Adapter an die Kabelverschraubung des Feldgerätes mechanisch anschraubbar ist. Insbesondere kann das erste Ende 8 derartig ausgebildet sein, dass es an eine PG-Kabelverschraubung mit einem M20 Gewinde, gemäß der im Mai 2014 veröffentlichten Norm DIN EN 62444, eines Feldgerätes anschließbar ist.
Zur elektrischen Kontaktierung weist der Feldgeräteadapter 6 an seinem ersten Ende 8 ein erstes und ein zweites Anschlusselement 16a und 16b auf. Das erste und zweite Anschlusselement 16a und 16b kann jeweils eine elektrische Anschluss- bzw. Verbindungsleitung zum elektrischen anschließen an eine Feldgeräteelektronik 4 umfassen. Insbesondere kann der Anschluss über eine Zweidrahtleitung 27 erfolgen.
An einem dem ersten Ende 8 gegenüberliegenden zweiten Ende 9, ist das Adaptergehäuse 7 derartig ausgebildet, dass eine Zweidrahtleitung 12 zur Datenübertragung an den Feldgeräteadapter 6 über ein drittes und ein viertes Anschlusselement 11a, 11 b elektrisch anschließbar ist. Zum elektrischen Anschließen der Zweidrahtleitung 12 kann das dritte und vierte Anschlusselement 11 a und 11 b bspw. eine Anschlussklemme umfassen.
Ferner weist der Feldgeräteadapter 6 eine innerhalb der Adapterkammer angeordnete Adapterelektronik 14 auf, die das erste Anschlusselement 16a mit dem dritten Anschlusselement 11a über eine erste elektrische Verbindungsleitung 25 und das zweite Anschlusselement 16b mit dem vierten Anschlusselement 11 b über eine zweite elektrische Verbindungsleitung 26 verbindet, so dass der Feldgeräteadapter in Reihe zu dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit in die Zweidrahtleitung eingebunden ist. Über die erste elektrische Verbindungsleitung 25 wird ein Schleifenstrom I von der Zweidrahtleitung 12 zu der Feldgeräteelektronik 4 und über die zweite elektrische Verbindungsleitung 26 wird der Schleifenstrom I wieder zurück zu der an den Feldgeräteadapter 6 angeschlossenen Zweidrahtleitung 12 geführt. Die Adapterelektronik 14 ist also dazu eingerichtet, digitale Zweileitersignal, die gemäß dem HART Standard ausgebildet sind, zwischen der über das dritte und vierte Anschlusselement angeschlossenen Zweidrahtleitung 12 und der über das erste und zweite Anschlusselement 16a 16b angeschlossenen Feldgeräteelektronik 4 in beide Richtungen zu kommunizieren.
Zur autarken Energieversorgung des Feldgeräteadapters 6 weist die Adapterelektronik 14 eine erste Versorgungsschaltung 15a und ggfls. eine zweite Versorgungsschaltung 15b auf, die jeweils eine erste bzw. eine zweite Versorgungsspannung bereitstellen. Die Versorgungsschaltungen 15a, 15b sind vorzugsweise unabhängig voneinander ausgestaltet und durch eine galvanische Trennung 30 voneinander getrennt.
Die Versorgungsschaltungen 15a, 15b können jeweils eine Z-Diode bzw. Zener-Diode aufweisen, die derartig in die erste bzw. zweite Verbindungsleitung eingebracht sind, dass sie jeweils in Sperrrichtung zu dem durch die erste bzw. zweite Verbindungsleitung fließenden Schleifenstrom geschaltet sind und jeweils ein Spannungsabgriff als erste bzw. zweite Versorgungsspannung über der Diode erfolgen kann. Alternativ können die erste und/oder zweite Versorgungsschaltung 15a und 15b jeweils zumindest einen Current Shunt Regulator, insbesondere einen Higher Current Shunt Regulator aufweisen, die jeweils derartig ausgebildet und in die erste bzw. zweite Verbindungsleitung eingebracht sind, dass jeweils eine fest einstellbare, d.h. von dem Schleifenstrom I zunächst unabhängige erste bzw. zweite Versorgungsspannung Ui , Ü2 erzeugt wird.
Erfindungsgemäß ist die erste Versorgungsschaltung 15a dazu ausgebildet, die bereitgestellte erste Versorgungsspannung Ui während einer Startphase der Adapterelektronik, in der kurzfristig mehr Energie zum Anlaufen der Adapterelektronik benötigt wird, bspw. um Kondensatoren und ähnliche Bauteile zu laden, auf einen Startspannungswert Ustam und anschließend während einer Betriebsphase der Adapterelektronik die erste Versorgungsspannung auf einen im Verhältnis zum ersten Startspannungswert Ustam niedrigeren ersten Betriebsspannungswert Ußetnebi umzuschalten. Eine derartige Startphase dauert typischerweise nicht länger als ca. 200 Millisekunden (ms), vorzugsweise nicht länger als ca. 150 ms, besonders bevorzugt nicht länger als ca. 100 ms. In der an die Startphase anschließende Betriebsphase wird grundsätzlich weniger Energie für den eigentlichen Betrieb des Feldgeräteadapters benötigt. Durch die erfindungsgemäße Umschaltung zwischen dem ersten Startspanungswert und dem ersten Betriebsspannungswert Ußetnebi kann während der Betriebsphase, der durch die erste Versorgungsschaltung erzeugte Spannungsabfall klein gehalten werden. Dies führt wiederum dazu, dass eine größere Klemmspannung an dem Feldgerät und somit mehr Energie bereitgestellt werden kann.
Ferner kann die Adapterelektronik 14 spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahmen 28a, 28b und ergänzend ggfls. auch noch strombegrenzende Ex-Schutzmaßnahmen 32a, 32b umfassen, umso den Vorgaben in der Norm IEC EN DIN 60079-ff für die Zündschutzart „Eigensicherheit“ (basiert auf dem Prinzip der Strom- und Spannungsbegrenzung in einem Stromkreis) Rechnung zu tragen. Beispielsweise können die strombegrenzenden Ex-Schutzmaßnahmen 32a und 32b Widerstände umfassen, die in eine Leitung 22a zwischen der ersten Versorgungsschaltung 15a und dem HART- Modem 17 und/oder in eine Leitung 22b zwischen der zweiten Versorgungsschaltung 15b und dem Funkmodul 19 zur jeweiligen Spannungsversorgung eingebracht sein.
Die spannungsbegrenzenden Ex-Schutzmaßnahmen 28a und 28b können jeweils zumindest einen Current Shunt Regulator, insbesondere einen Higher Current Shunt Regulator umfassen, der parallel zur ersten und/oder der zweiten Versorgungsschaltung 15a, 15b geschaltet ist, umso den Spannungsabfall auf einen Ex-Schutz-Spannungswert zu begrenzen. Konkret bedeutet dies, dass die erste spannungsbegrenzende Ex- Schutzmaßnahme 28a dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall auf einen ersten Ex- Schutz-Spannungswert UEx_maxi und (falls vorhanden) die zweite spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme 28b auf einen zweiten Ex-Schutz-Spannungswert UEx_maxi zu begrenzen.
Vorteilhafterweise kann nun die erste Versorgungsschaltung 15a dazu eingerichtet sein, während der Startphase der Adapterelektronik auf den durch die erste spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme 28a erzeugten ersten Ex-Schutz- Spannungswert UEx_maxi als ersten Startspannungswert, d.h. Ustam = UEx_maxi umzuschalten. Die erste spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme 28a erfüllt somit quasi eine Doppelfunktion, das Absichern der Adapterelektronik und gleichzeitig das Bereitstellen des ersten Spannungswertes Ustam = UEx_maxi während der Startphase der Adapterelektronik.
Ergänzend kann die erste Versorgungsschaltung 15a ferner dazu eingerichtet sein, die Umschaltung zwischen dem ersten Ex-Schutz-Spannungswert UEx_maxi und dem ersten Betriebsspannungswert Ußetnebi derartig durchzuführen, dass die Umschaltung „sanft“, d.h. über eine kontinuierlich monoton abfallende bzw. monoton ansteigende Spannungskurve, erfolgt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Durch das „sanfte“ Umschalten können Spannungseinbrüche, die zu Fehlfunktionen der Adapterelektronik führen können, vermieden werden. Falls vorhanden, kann die zweite Versorgungspannung 15b ferner auch dazu ausgebildet sein, während der Startphase der Adapterelektronik die zweite Versorgungsspannung auf einen zweiten Startspannungswert Ustart2 und während der Betriebsphase die zweite Versorgungsspannung auf einen im Verhältnis zum zweiten Startspannungswert Ustart2 niedrigeren zweiten Betriebsspannungswert UBetrieb2 umzuschalten.
Vorteilhafterweise kann wiederum die zweite Versorgungsschaltung 15b auch dazu eingerichtet sein, während der Startphase der Adapterelektronik auf den durch die zweite spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme 28b erzeugten zweiten Ex-Schutz- Spannungswert UEx_max2 als zweiten Startspannungswert, d.h. Ustart2 = UEx_max2 umzuschalten. Die zweite spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme 28b erfüllt somit ebenfalls eine Doppelfunktion, das Absichern der Adapterelektronik gegen Überspannungen und gleichzeitig das Bereitstellen des zweiten Spannungswertes Ustart2 = ÜEx_max2 während der Startphase der Adapterelektronik.
Fig. 3 zeigt, wie eine mögliche Ausgestaltung der ersten und ggfls. auch der zweiten Versorgungschaltung 15a, 15b aussehen kann. Die Versorgungsschaltungen 15a und 15b sind jeweils parallel zu der entsprechenden spannungsbegrenzenden Ex- Schutzmaßnahme 28a bzw. 28b geschaltet. Die Versorgungsschaltungen 15a, 15b umfassen jeweils einen Current Shunt Regulator 151 und einen in Reihe dazu geschalteten Feldeffekttransistor 152 über denen der Spannungsabgriff für die erste bzw. zweite Versorgungsspannung U1 und U2 erfolgt.
Der Current Shunt Regulator 151 ist durch eine an den Pin 1 angelegte Spannung auf einen festen Betriebsspannungswert über den Pins 2 und 3 eingestellt. Beispielsweise kann der Current Shunt Regulator 151 über den Pin 1 so eingestellt sein, dass der Betriebsspannungswert ca. 1 ,6 V beträgt.
Der Feldeffekttransistor 152 ist über Drain und Source in Reihe zu dem Current Shunt Regulator 151 geschaltet und wird über einen Gateanschluss (Pin 3) angesteuert. Die Ansteuerung kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor 40 erfolgen.
Parallel zu dem Current Shunt Regulator 151 und dem Feldeffekttransistor 152 ist die spannungsbegrenzenden Ex-Schutzmaßnahme 28a bzw. 28b geschaltet, die jeweils derartig ausgebildet sind, dass sie den Spannungsabfall auf einen maximalen Wert (Ex- Schutz-Spannungswert ÜEx_maxi bzw. ÜEx_max2) begrenzen, umso vor Überspannungen zu schützen.
Durch entsprechende Ansteuerung des Gateanschlusses des Feldeffekttransistors 152 kann zwischen dem Ex-Schutz-Spannungswert als Startspannungswert für die Anlauf- bzw. Startphase der Elektronik und dem eigentlichen Betriebsspannungswert für die Betriebsphase umgeschaltet werden.
Die Umschaltung kann dabei sowohl „soft“ (bei der ersten Versorgungsschaltung 15a) als auch „hart“ (beispielsweise bei der zweiten Versorgungsschaltung 15b) erfolgen.
„Hart“ meint hierbei, dass direkt von dem Startspannungswert auf den Betriebsspannungswert umgeschaltet wird. Dies bedeutet, dass die Umschaltungszeit üblicherweise im unteren Mikrosekundenbereich oder sogar noch darunter liegt.
„Soft“ meint dagegen, dass die Umschaltung über eine im Vergleich dazu längere Umschaltzeit tumschaitung, beispielsweise eine im Millisekundenbereich liegende Umschaltzeit erfolgt.
Die „softe“ Umschaltung kann dabei beispielsweise über ein pulsweitenmoduliertes Signal UPWM erfolgen, welches an den Gateanschluss des Feldeffekttransistors angelegt wird, dessen Pulsweitenverhältnis (= Verhältnis zwischen Impuls und Pause) während der Umschaltzeit tumschaitung, vorzugsweise kontinuierlich, erhöht wird. Durch das Erhöhen des Pulsweitenverhältnis steigt auch die am Gateanschluss anliegende Spannung Ucate an, sodass die Drain Source Strecke des Feldeffekttransistor, in diesem Fall ein n-Kanal Feldeffekttransistor, zunehmend leitend wird, nachdem der Feldeffekttransistor während der Startphase durch das Signal sperrend geschaltet war, sodass der erste Ex-Schutz- Spannungswert UEx_maxi als Startspannungswert zur Spannungsversorgung bereitgestellt wird.
Die Umschaltung kann dabei dadurch erfolgen, dass das Pulsweitenverhältnis kontinuierlich ansteigt, sodass die am Gateanschluss anliegende Spannung Ucate auch stetig ansteigt. Dies führt dazu, dass die Umschaltung auf die Betriebsspannung sehr langsam erfolgt.
Fig. 4 zeigt hierzu exemplarisch den Spannungsverlauf der durch die erste Versorgungsschaltung bereitgestellten ersten Versorgungsspannung U1 sowie des pulsweitenmodulierten Signals UPWM und der Spannung am Gateanschluss des Feldeffekttransistors Ucate.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist nur die erste Versorgungsschaltung zur „soften“ Umschaltung ausgebildet, wohingegen die zweite Versorgungsschaltung zur „harten“ Umschaltung ausgebildet ist. Denkbar ist aber auch, dass die zweite Versorgungsschaltung 15b auch zur „soften“ Umschaltung ausgebildet ist. Denkbar ist ebenfalls, dass die Ansteuerung des Gateanschlusses nicht durch ein pulsweitenmoduliertes Signal, sondern ein anderes entsprechendes Signal, beispielsweise ein rampenförmiges Signal, erfolgt. Die Adapterelektronik 14 weist ferner em Funkmodul 19 mit einer Antenne zum Senden bzw. Empfangen von Funksignalen und ein HART-Modem 17 zum Umsetzen/Wandeln der digitalen Zweileitersignal auf. Erfindungsgemäß wird das Funkmodul 19 von einer der beiden Versorgungsschaltungen und das HART-Modem 17 von der anderen Versorgungsschaltung mit Energie versorgt. Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel versorgt die erste Versorgungsschaltung 15a das HART-Modem 17 mit der ersten und die zweite Versorgungsschaltung 15b das Funkmodul 19 mit der zweiten Versorgungsspannung.
Das Funkmodul 19 ist derartig ausgebildet, dass insbesondere Funksignale gemäß einem Bluetooth-Protokoll oder einer davon abgewandelten Variante, ein 6LoWPAN-Protokoll, ein WirelessHART-Protokoll, und/oder ein 6TiSCH-Protokoll, übertragbar sind.
Um die auf der angeschlossenen Zweidrahtleitung 12 kommunizierten digitalen Zweileitersignale abgreifen zu können bzw. auf den Schleifenstrom I aufmodulieren zu können, weist die Adapterelektronik 14 einen in die zweite Verbindungsleitung 26 eingebrachten Abgriffspunkt 23 auf. Der Abgriffspunkt 23 ist vorzugsweise zwischen die in die zweite Verbindungsleitung 26 eingebrachte zweite Versorgungsschaltung 15b und dem vierten Anschlusselement 11 b eingebracht. Ferner ist die Adapterelektronik 14 derartig ausgebildet, dass das Funkmodul 19 und das HART-Modem 17 Daten, bspw. über eine UART-Schnittstelle 33, miteinander kommunizieren können. Auf diese Weisen können die durch das Funkmodul 19 empfangenen Funksignale über die UART- Schnittstelle 33 zu dem HART-Modem 17 übertragen werden und von dem HART-Modem 17 in entsprechende digitale Zweilitersignale gewandelt werden, welche wiederum über den Abgriffspunkt 23 auf den Schleifenstrom aufmoduliert werden können. Ebenfalls können die auf dem Schleifenstrom kommunizierten digitalen Zweileitersignale durch das HART-Modem an dem Abgriffspunkt 23 abgegriffen werden und von dem HART-Modem 17 in UART-Signale gewandelt werden, welche wiederum über die UART-Schnittstelle 33 zu dem Funkmodul 19 übertragen werden und von diesem als Funksignale ausgesendet werden.
Um die beiden in den unterschiedlichen Verbindungsleitung sitzenden Versorgungsschaltungen unabhängig voneinander auszubilden, kann die Adapterelektronik eine galvanische Trennung aufweisen, über die lediglich die Daten zwischen dem Funkmodul und dem HART-Modem kommuniziert werden und keine Energie.
Damit die Adapterelektronik 14 die digitalen Zweileitersignale über den Abgriffspunkt 23 abgreifen oder auf den Schleifenstrom I aufmodulieren kann, ist ferner ein Kommunikationswiderstand 18 in der ersten elektrischen Verbindungsleitung 25 vorgesehen. Der Kommunikationswiderstand 18 kann hierbei zwischen der ersten Versorgungsschaltung 15a und dem dritten Anschlusselement 11a in der ersten elektrischen Verbindungsleitung 25 eingebracht sein.
Alternativ kann der Kommunikationswiderstand 18 auch zwischen der zweiten Versorgungsschaltung und dem vierten Anschlusselement in die zweite Verbindungsleitung 26 eingebracht sein. In Fig. 2 ist dies exemplarisch durch den gestrichelten Widerstand angedeutet. Es versteht sich von selbst, dass sich in diesem Fall kein Kommunikationswiderstand in der ersten Verbindungsleitung 25 befindet.
Damit die Adapterelektronik 14 digitale Zweileitersignale zu dem Feldgerät 1 kommunizieren kann, ist das HART Modem 17 vorzugsweise als ein sekundärer Master eingerichtet. Auf diese Weise lässt sich bspw. ein Feldgerät 1 drahtlos über Funksignale, die von dem Funkmodul 19 des Feldgeräteadapters 6 empfangen und durch das HART- Moden 17 in entsprechende digitale Zweileitersignale umgewandelt werden, parametrieren.
Alternativ kann das HART Modem 17 auch als Primary Master eingerichtet sein. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn nur eine übergeordnete Einheit 31 ohne HART Kommunikationsmittel und somit kein anderer Primary Master vorhanden ist. In diesem Fall kann, bspw. zur Parametrierung des Feldgerätes, die Adapterelektronik 14 mit der Feldgeräteelektronik 4 über die Zweidrahtleitung 27 mittels HART kommunizieren.
Ergänzend kann die Adapterelektronik 14 EMV- Maßnahmen 29a und 29b aufweisen, die derartig ausgebildet sind, dass zumindest die erste und/oder zweite Versorgungsschaltung 15a, 15b vor EMV-Störungen geschützt sind. Die EMV- Maßnahmen 29a, 29b können insbesondere ein oder mehrere Suppressordioden aufweisen, die zumindest zu der ersten bzw. zweiten Versorgungsschaltung 15a, 15b parallelgeschaltet sind. Je nach dem in welcher Verbindungsleitung der Kommunikationswiderstand 18 angeordnet ist, ist die Suppressordiode zu der in dieser Versorgungsleitung befindlichen Versorgungsschaltung und dem Kommunikationswiderstand parallelgeschaltet.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldgerätes 1 , an dem ein Feldgeräteadapter 6 mit seinem ersten Ende 8 mechanisch angebracht ist, sodass das Feldgerät 1 und der Feldgeräteadapter 6 eine mechanisch verbundene Einheit bilden. Der Feldgeräteadapter 6 kann dabei, wie in Fig. 3 dargestellt, derartig angeordnet sein, dass er sieh zwischen der Gehäuseöffnung 3 des Feldgerätes 1 und der eigentlich auf die Gehäuseöffnung des Feldgerätes gehörende Kabelverschraubung 5 befindet. In diesem Fall ist das Adaptergehäuse 7 derartig ausgebildet, dass die Kabelverschraubung 5 an dem entsprechend ausgebildeten zweiten Ende 9 befestigbar bzw. anschraubbar ist. Beispielsweise kann das zweite Ende 9 in Form einer PG-Kabelverschraubung mit einem M20 Gewinde gemäß der im Mai 2014 veröffentlichten Norm DIN EN 62444 ausgebildet sein.
Alternativ kann der Feldgeräteadapter 6 auch derartig ausgebildet sein, dass das Adaptergehäuse 7 als Kabelverschraubung dient und somit eine separate Kabelverschraubung beim Anschließen an das Feldgerät 1 entfällt.
In beiden Fällen bilden das Feldgerät 1 und der an die Gehäuseöffnung 3 des Feldgerätes 1 mechanisch angebrachte Feldgeräteadapter eine mechanisch verbundene Einheit.
Im Gegensatz dazu, zeigt Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Feldgerätes 1 und eines Feldgeräteadapters 6, die jeweils eine, voneinander getrennte mechanische Einheit bilden und elektrisch über eine Verbindungsleitung, insbesondere eine zweite Zweidrahtleitung 27miteinander verbunden sind. Dadurch, dass der Feldgeräteadapter 6 nur über die Verbindungsleitung 27 elektrisch und nicht über eine mechanische Verbindung mit dem Feldgerät 1 verbunden ist, ist der Feldgeräteadapter 6 flexibel in einer Automatisierungsanlage platzierbar, sodass er sieh quasi unabhängig vom Einbauort des Feldgerätes 1 aufstellen lässt.
Bezugszeichenhste
Feldgerät der Automatisierungstechnik
Feldgerätegehäuse
Gehäuseöffnung
Feldgeräteelektronik
Kabelverschraubung
Feldgeräteadapter
Adaptergehäuse
Erstes Ende des Adaptergehäuses
Zweites Ende des Adaptergehäuses
Adapterkammer a Drittes Anschlusselement b Viertes Anschlusselement
(Erste) Zweidrahtleitung
Anschlussklemmen des Feldgerätes
Adapterelektronik a Erste Versorgungsschaltung zur Speisung des HART Modemsb Zweite Versorgungsschaltung zur Speisung des Funkmoduls1 Current Shunt Regulator 2 Feldeffekttransistor a Erstes Anschlusselement b Zweites Anschlusselement
HART Modem
Kommunikationswiderstand
Funkmodul
Mechanisches Anschlusselement, bspw. M20-Gewinde zum mechanischen Anschluss des Adapters an eine Kabelverschraubung eines Feldgerätes
Bidirektionale galvanisch getrennte Datenübertragungseinheita, 22b Leitungen zur Spannungsversorgung
Abgriffspunkt
Erste elektrische Verbindungsleitung
Zweite elektrische Verbindungsleitung
Verbindungsleitung, vorzugsweise zweite Zweidrahtleitung
Spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahmen, insb. Higer Current Shunt Regulators
EMV-Maßnahmen
Galvanische Trennung
Übergeordnete Einheit, z.B. Leitsystem 32 Strombegrenzende Ex-Schutzmaßnahmen, insb. Widerstände
33 Schnittstelle, insb. UART-Schnittstelle
I Schleifenstrom
U1 , U2 Erste bzw. Zweite Versorgungspannung
UPWM Spannung am Gateanschluss des Feldeffekttransistors tstart Startzeit in der Startphase tumschaitung Umschaltzeit tßetrieb Betriebszeit

Claims

Patentansprüche geräteadapter (6) zur drahtlosen Datenübertragung, zumindest aufweisend: ein Adaptergehäuse (7) mit einem ersten Ende (8) und einem zweiten Ende (9), wobei das erste Ende (8) ein erstes Anschlusselement (16a) und ein zweites Anschlusselement (16b) zum elektrischen Anschließen an eine Feldgerätelektronik (4) eines Feldgerätes (1) und das zweite Ende (9) ein drittes Anschlusselement (11a) und ein viertes Anschlusselement (11 b) zum elektrischen Anschließen einer Zweidrahtleitung (12) aufweist; eine in dem Adaptergehäuse (7) angeordnete Adapterelektronik (14), die das erste Anschlusselement (16a) mit dem dritten Anschlusselement (11 a) durch eine erste elektrische Verbindungsleitung (25) und das zweite Anschlusselement (16b) mit dem vierten Anschlusselement (11 b) durch eine zweite elektrische Verbindungsleitung (26) verbindet, wobei die Adapterelektronik (14) eine in die erste Verbindungsleitung (25) eingebrachte erste Versorgungsschaltung (15a) zum Bereitstellen einer ersten Versorgungsspannung aus einem in der ersten Verbindungsleitung (25) fließenden Schleifenstrom (I) umfasst, wobei die Adapterelektronik (14) ferner ein HART-Modem (17), welches auf einem HART Protokoll basiert, umfasst, welches zumindest über einen in der zweiten Verbindungsleitung angeordneten Abgriffspunkt (23) mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein auf den Schleifenstrom (I) aufmoduliertes Zweileitersignal abzugreifen und in ein Signal, vorzugsweise ein UART-Signal zu übersetzen und/oder ein zugeführtes Signal, vorzugsweise ein UART-Signal in ein Zweileitersignal zu übersetzen und das übersetzte Zweileitersignal über den Abgriffspunkt (23) auf den Schleifenstrom (I) aufzumodulieren, wobei die Adapterelektronik ferner ein Funkmodul (19) mit einer Antenne zum Senden und/oder Empfangen umfasst und dazu eingerichtet ist, das durch das HART-Modem (17) übersetzte und zugeführte Signal, vorzugsweise UART-Signal als ein Funksignal auszusenden und/oder ein Funksignal welches durch das HART-Modem (17) in ein Zweileitersignal übersetzt werden soll, zu empfangen und als Signal, vorzugsweise UART-Signal dem HART-Modem zuzuführen, wobei die Adapterelektronik derartig ausgebildet ist, dass die erste Versorgungsschaltung (15a) das HART-Modem (17) und/oder das Funkmodul (19) mit der ersten Versorgungspannung speist und wobei die erste Versorgungsschaltung (15a) ferner dazu ausgebildet ist, während einer Startphase der Adapterelektronik die erste Versorgungsspannung auf einen ersten Startspannungswert (Ustam) und während einer Betriebsphase die erste Versorgungsspannung auf einen im Verhältnis zum ersten Startspannungswert (Ustam) niedrigeren ersten Betriebsspannungswert (Ußetnebi) umzuschalten.
2. Feldgeräteadapter nach Anspruch 1 , wobei die Adapterelektronik (14) ferner zumindest eine, vorzugsweise parallel zu der ersten Versorgungsschaltung (15a) geschaltete erste spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme (28a) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall auf einen ersten Ex-Schutz-Spannungswert (UEx_maxi) zu begrenzen, und wobei die erste Versorgungsschaltung (15a) dazu eingerichtet ist, während der Startphase der Adapterelektronik auf den durch die erste spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme (28a) erzeugten ersten Ex-Schutz- Spannungswert (UEx_maxi) als ersten Startspannungswert (d.h. Ustam = UEx_maxi) umzuschalten.
3. Feldgeräteadapter nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Versorgungsschaltung (15a) ferner dazu eingerichtet ist, die Umschaltung zwischen dem ersten Ex-Schutz-Spannungswert (UEx_maxi) und dem ersten Betriebsspannungswert (Ußetriebi) derartig durchzuführen, dass die Umschaltung über eine Umschaltzeit erfolgt, die vorzugsweise im Millisekundenbereich liegt.
4. Feldgeräteadapter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Adapterelektronik ferner eine in die zweite Verbindungsleitung (26) eingebrachte zweite Versorgungsschaltung (15b) zum Bereitstellen einer zweiten Versorgungsspannung aus dem in der zweiten Verbindungsleitung (26) fließenden Schleifenstrom (I) umfasst und die Adapterelektronik derartig ausgebildet ist, dass die erste Versorgungsschaltung (15a) das HART-Modem (17) mit der ersten Versorgungsspannung und die zweite Versorgungsschaltung (15b) das Funkmodul (19) mit der zweiten Versorgungspannung, vorzugsweise unabhängig voneinander speist, wobei die zweite Versorgungsschaltung (15b) ferner ebenfalls dazu ausgebildet ist, während der Startphase der Adapterelektronik die zweite Versorgungsspannung auf einen zweiten Startspannungswert (Ustart2) und während der Betriebsphase die zweite Versorgungsspannung auf einen im Verhältnis zum zweiten Startspannungswert (Ustart2) niedrigeren zweiten Betriebsspannungswert (UBetrieb2) umzuschalten.
5. Feldgeräteadapter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Adapterelektronik (14) ferner zumindest eine, vorzugsweise parallel zu der zweiten Versorgungsschaltung (15b) geschaltete zweite spannungsbegrenzende Ex- Schutzmaßnahme (28b) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall auf einen zweiten Ex-Schutz-Spannungswert (UEx_max2) zu begrenzen, und wobei die zweite Versorgungsschaltung (15b) dazu eingerichtet ist, während der Startphase der Adapterelektronik auf den durch die zweite spannungsbegrenzende Ex-Schutzmaßnahme (28b) erzeugten zweiten Ex-Schutz-Spannungswert (UEx_max2) als zweiten Startspannungswert (d.h. Ustart2 = UEx_max2) umzuschalten.
6. Feldgeräteadapter nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Versorgungsschaltung (15b) ferner dazu eingerichtet ist, die Umschaltung zwischen dem zweiten Ex-Schutz-Spannungswert (UEx_max2) und dem zweiten Betriebsspannungswert (UBetrieb2) derartig durchzuführen, dass die Umschaltung direkt, d.h. dass die Umschaltzeit insbesondere deutlich kürzer als eine Millisekunde ist, erfolgt.
7. Feldgeräteadapter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Versorgungsschaltung (15a, 15b) jeweils einen Current Shunt Regulator und einen derartig in Reihe zu dem Current Shunt Regulator geschalteten Feldeffekttransistor umfasst bzw. umfassen, dass über ein Signal an einem Gateanschluss des Feldeffekttransistors der Wert der ersten bzw. zweiten Versorgungsschaltung veränderlich ist.
8. Feldgeräteadapter nach dem vorhergehenden Anspruch sowie Anspruch 3, wobei das Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal umfasst, dessen Pulsweitenverhältnis während der Umschaltzeit, vorzugsweise kontinuierlich, verändert wird.
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