DE102005001601B4 - Feldgerät mit Busschnittstelle - Google Patents

Abstract

Feldgerät (1) mit zumindest einem Sensor (18) zum Erfassen und/oder mit zumindest einem Aktor (19) zum Beeinflussen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters (P), welches Feldgerät ferner umfasst: eine Busschnittstelle (3) zu einem externen Feldbussystem (2), die als Zweidraht-Leitung (4) ausgelegt ist, sowie eine mit der Busschnittstelle (3) kommunizierende Versorgungs- und Betriebsschaltung (5), wobei die Versorgung des Feldgeräts (1) über die Zweidraht-Leitung (4) zumindest zeitweise mit einem von der Busschnittstelle (3) gelieferten Mischstrom (6) erfolgt, der durch eine Überlagerung und/oder eine Modulation eines Wechselanteils (7) auf einen Gleichanteil (8) des Mischstroms (6) gebildet ist, wobei das Feldgerät (1) über die Zweidraht-Leitung (4) Daten (D) an das externe Feldbussystem (2) sendet und/oder Daten (D) von dem externen Feldbussystem (2) empfängt, wobei in dem Feldgerät (1) eine Kontroll- und Steuereinheit (17) zur Berechnung eines zukünftigen Energiebedarfs und zur Regelung eines aktuellen und zukünftigen Energiebedarfs des Feldgerätes...

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät mit zumindest einem Sensor zum Erfassen und/oder mit zumindest einem Aktor zum Beeinflussen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters, welches Feldgerät ferner eine Busschnittstelle zu einem externen Feldbussystem, die als Zweidraht-Leitung ausgelegt ist, sowie eine mit der Busschnittstelle kommunizierende Versorgungs- und Betriebsschaltung umfasst.
• Die Fortschritte der Mikroelektronik in den letzten Jahren haben zu einer Miniaturisierung von Geräten und Integration der Funktionalitäten geführt, die in der Automatisierungstechnik eine effektive und kostengünstige Anwendung von integrierten dezentralen Systemen bewirkte. So werden in den Sensoren und Aktoren nicht nur die Messwerte ermittelt, sondern schon die Messwerte vorverarbeitet, linearisiert und sogar eine Selbstdiagnosen des Sensors oder Aktors implementiert. Die Vorraussetzung für das Einbringen dieser dezentralen Funktionalitäten in ein geschlossenes Automatisierungskonzept mit „intelligenten” Sensoren und Aktoren ist ein erhöhter Informations- und Datenaustausch dieser dezentralen Einheiten untereinander und mit einem Leitsystem. In der Automatisierungstechnik sind aus diesem Grund in den letzten Jahren eine Fülle von Feldbussystemen entstanden, die entweder firmenspezifische Anwendungsbereiche (z. B. BITBUS, CAN, MODBUS, RACKBUS) abdecken oder solche, die einer intenationalen Normung (z. B. HART, PROFIBUS-PA, Foundation FIELDBUS, Ethernet) unterliegen. Die große Anzahl von Feldbussystemen, die derzeit in der industriellen Automatisierungstechnik und Prozessleittechnik eingesetzt sind, werden weiterhin nur noch mit dem allgemeinen Begriff „Feldbus bzw. Feldbussystem” bezeichnet.
• Die üblichen Feldgeräte sind netzgespeiste Vierleiter-Messgeräte und müssen hierfür mindestens zwei elektrische Zuleitungen bzw. Leiter zur Energieversorgung des Feldgerätes haben. Des Weiteren sind zwei weitere Signalleitungen erforderlich, die das Messwert abbildende Messsignal oder sonstige Kommunikationsdatensignale zwischen den dezentralen Einheiten und der Leitstelle übertragen. Allgemein wird dieses Messsignal oder Kommunikationsdatensignal entsprechend einem hierfür üblichen Standard, z. B. entsprechend dem zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard, einem üblichen Frequenz-Standard oder einem digitalen Standard, erzeugt und übermittelt.
• Darüber hinaus ist es in der Automatisierungstechnik auch üblich, die Feldgeräte in einer so genannten Zweileiter-Technik aufzubauen und miteinander zu verbinden, so dass die Energiespeisung und die Kommunikation zwischen den Geräten über ein einziges Paar Leitungen erfolgen kann, wodurch der Verdrahtungsaufwand und somit die Verdrahtungskosten von vernetzten dezentralen Automatisierungssystemen verringert werden kann.
• Solche Zweileiter-Feldgeräte sind unter anderem den Schriften EP 0 883 097 B1 , EP 0 895 209 B1 , EP 1 158 274 A1 zu entnehmen. Diese Zweileiter-Feldgeräte erzeugen als Messsignal einen Ausgangsstrom, dessen Momentanwerte ein mittels eines physikalisch-elektrischen Messwandlers erzeugtes Messwandlersignal möglichst proportional abbilden. Die beiden Leiter dienen sowohl für die gesteuerte und geregelte Energiespeisung, wozu an die zwei Leiter von außen eine Gleichspannungsquelle anzulegen ist, als auch für die Übertragung des Messsignals.
• Ein weiterer Aspekt, der in der Automationstechnik und besonders in der Prozess-Automationstechnik beachtet werden muss, ist dass die Betriebsmöglichkeit des Feldgerätes in einem explosionsgefährdeten Umfeld in dem die Eigensicherheit des Feldgerätes und des Feldbusses gewahrt wird. Solche eigensicheren, reflexionsarmen Feldbussysteme sind aus der DE 100 49 233 A1 , DE 101 27 561 A1 , DE 102 45 273 A1 , und dem c-i-s-Energieversorgungskonzept der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig, die die Problematik von Wechselspannungs- oder Wechselstromsignalen auf Feldbussen behandeln, bekannt. All diesen Schriften ist gemein, dass die Energieübertragung über den Feldbus alleinig durch ein hochfrequentes Wechselsignal erfolgt und dieser Feldbus durch Schutzmassnahmen die Eigensicherheit gewahrt und/oder durch Anpassungen des Wellenwiderstandes reflexionsarm ausgeführt ist.
• In der DE 198 44 394 A1 ist ein Zweileiter-Bussystem zur Übertragung von Daten zwischen Stationen und zur Energieversorgung derselbigen, ohne daß die Energieversorgung und die Datenübertragung sich wesentlich stören, beschrieben. Die Energieversorgung der Stationen erfolgt durch ein Netzteil das eine Wechselspannung auf das Zweileiter-Bussystem einspeist. Durch Leistungsauskopplers wird diese Energie von den Stationen ausgekoppelt. Mittels Überlagerung eines Gleichsignals auf diese Wechselspannung werden die Daten auf dem Zweileiter-Bussystem übertragen.
• In der DE 101 27 561 A1 Energie- bzw. Leistungs-Übertragung über einen Feldbus so steuerbar ist, dass an jedem Punkt des eigensicheren Feldbusses die größt mögliche Leistung bzw. Energie übertragen werden kann un durch Schutzmassnahmen die Eigensicherheit gewahrt werden kann, sowie durch Anpassungen des Wellenwiderstandes reflexionsarm ausgeführt ist.
• Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik besteht daher eine Aufgabe der Erfindung darin, die Kommunikation des Feldgerätes über eine Zweidraht-Leitung zu ermöglichen und ferner das Feldgerät über diese Zweidraht-Leitung stetig mit der notwendigen Energie, die den Standards und Vorschriften des Explosionsschutzes entspricht, zu versorgen.
• Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einem Feldgerät mit zumindest einem Sensor zum Erfassen und/oder mit zumindest einem Aktor zum Beeinflussen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters, welches Feldgerät ferner umfasst:
  eine Busschnittstelle zu einem externen Feldbussystem, die als Zweidraht-Leitung ausgelegt ist, sowie eine mit der Busschnittstelle kommunizierende Versorgungs- und Betriebsschaltung, wobei die Versorgung des Feldgeräts über die Zweidraht-Leitung zumindest zeitweise mit einem von der Busschnittstelle gelieferten Mischstrom erfolgt, der durch eine Überlagerung und/oder eine Modulation eines Wechselanteils auf einen Gleichanteil des Mischstroms gebildet ist, wobei das Feldgerät über die Zweidraht-Leitung Daten an das externe Feldbussystem sendet und/oder Daten von dem externen Feldbussystem empfängt, wobei zumindest der Wechselanteil des Mischstroms zur Versorgung des Feldgerätes mit elektrischer Energie dient, und wobei das Feldgerät seinen Energiebedarf zumindest teilweise über den Wechselanteil des Mischstroms deckt.
• Gemäß einer vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass der Gleichanteil des Mischstroms als ein Informationsträger oder Kommunikationsmittel für via Zweidraht-Leitung übertragene Daten dient.
• Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts besteht darin, dass der Gleichanteil des Mischstromes Werte innerhalb eines Strombereichs von 4 mA bis 20 mA annimmt. Bei Zweileiter-Feldgeräten entsprechend dem erwähnten, zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard, entspricht ein bestimmter Stromwert innerhalb dieses Strombereichs genau einem elektrischen Sensorsignal oder Stellsignal. Deshalb kann lediglich der Strombereich von 4 mA für die gewährleistete Energieversorgung der Elektronik des Feldgeräts mit einer Zweidraht-Leitung eingeplant und genutzt werden. Dies bedingt, dass die Energieversorgung nur mit einer Leistung in der Größenordnung von 50 mW zur Verfügung steht, die im Folgenden als Niederleistung bezeichnet wird. Zweileiter-Feldgeräte mit dem erwähnten, zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard sind aufgrund dieser Sachverhalte besonders gut geeignet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass der Mischstrom zumindest einen Effektivwert annimmt, der kleiner oder gleich einem höchsten zulässigen Grenzwert ist.
• Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts wird angeregt, dass der höchst zulässige Grenzwert des Effektivwerts des Mischstroms einen Wert von 20 mA annimmt. Um die Vorschriften des Explosionsschutzes nicht zu verletzen sollte der maximale Effektivwert des Mischstromes nicht größer als der vorgegebene Grenzwert sein.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass der Effektivwert des aufmodulierten Wechselanteils des Mischstroms einen gegebenenfalls vorhandenen Differenzwert des Gleichanteils des Mischstroms zum höchsten zulässigen Grenzwert des Mischstroms annimmt. Damit das Feldgerät immer mit dem maximal zulässigen Strom versorgt werden kann, wird die Differenz des Gleichanteils des Mischstroms durch den Effektivwert des beispielsweise gleichgerichteten Wechselanteils des Mischstroms ergänzt, so dass deren Summe den höchstzulässigen Grenzwert einnehmen. Dadurch wird das Feldgerät stetig mit der maximalen Energie bzw. Leistung versorgt.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes wird vorgeschlagen, dass ein negativer Effektivwert des aufmodulierten Wechselanteils des Mischstroms überschüssige Energie des Feldgeräts ableitet und somit den Energiebedarf bzw. Energiehaushalt des Feldgerätes regelt.
• Wird ein zur Basis des Gleichanteils negativer Effektivwert des Wechselanteils im AC/DC-Wandler erzeugt, in dem beispielsweise durch eine bestimmte Umwandlung des Wechselanteils des Mischstroms ein negativer gleichgerichteter Wechselanteil des Mischstroms entsteht, kann überschüssiger Strom aus dem Feldgerät abgeleitet werden.
• Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass der Wechselanteil des Mischstroms eine sinusförmige Signalform aufweist. Vorzugsweise werden als Wechselanteil des Mischstroms sinusförmige Signale verwendet, da deren Signalspektrum keine Oberwellen aufweisen. Wodurch sich Vorgaben bezüglich der ”Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)” leichter einhalten lassen. Auch eine Überlagerung mit anderen Gleichanteilen bzw. Gleichsignalen ist leichter möglich, denn der zeitliche Mittelwert von sinusförmigen Signalformen ist Null und die Kodierung somit mittelwertfrei.
• Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass der Wechselanteil des Mischstroms eine rechteckförmige und/oder gepulste Signalform aufweist.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass eine gesteuerte Wechselstromquelle den Wechselanteil des Mischstroms erzeugt.
• Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass eine Schalteinheit den Wechselanteil des Mischstroms erzeugt.
• Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldgeräts sieht vor, dass eine Kontroll- und Steuereinheit in der Versorgungs- und Betriebsschaltung integriert ist, die zur Regelung der Schalteinheit anhand des aktuellen und zukünftigen Energiebedarfs bzw. Energiehaushalts des Feldgerätes dient und/oder ferner anhand des aktuellen und zukünftigen elektrischen Sensorsignals oder Stellsignals des Feldgerätes zur Steuerung und Regelung des Stromstellers, der die Einstellung des Gleichanteils des Mischstroms als Informationsträger übernimmt, dient.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass die Kontroll- und Steuereinheit den zukünftigen Energiebedarf des Feldgeräts unter Berücksichtigung und Abschätzung der zukünftig ablaufenden Prozesse und Anwendungen ermittelt und berechnet.
• Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldgeräts besteht darin, dass wenigstens ein einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter sensorisch erfassenden Messwandler vorgesehen ist, der ein elektrisches Sensorsignal liefert.
• Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass wenigstens einen von einem elektrischen Stellsignal angesteuerten Signalwandler vorgesehen ist, der den wenigstens einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter aktorisch einstellt.
• Ein zweckmäßiges alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldgeräts besteht darin, dass als ein integraler Teil der Versorgungs- und Betriebsschaltung zumindest ein AC/DC-Wandler und zumindest ein DC/DC-Wandler vorgesehen ist.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die gesendeten Daten mittels der Versorgungs- und Betriebsschaltung vom Sensorsignal abgeleitete und mittels der Busschnittstelle angepasste Messwerte MW sind.
• Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass die empfangenen Daten mittels der Busschnittstelle anzupassende und mittels der Versorgungs- und Betriebsschaltung in das Stellsignal umzusetzende Stellenwerte sind.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein weiterer Wechselanteil des Mischstroms, z. B. das Hart-Signal, der unterscheidbar von dem anderen Wechselanteil, als Informationsträger bzw. als ein Kommunikationsmittel auf das Signal des Mischstroms aufmoduliert ist. Feldgeräte die ein zusätzliches Hart-Signal verwenden, tauschen ihre Daten über die Zweidraht-Leitungen des 4 bis 20 mA-Stromschleifen Standards aus. Mit Hilfe dieser Kommunikation lassen sich die Feldgeräte sehr flexibel parametrieren und in Betrieb nehmen oder ermittelte und gespeicherte Messwerte bzw. Daten auslesen. Das Hart-Protokoll ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation auch in explosionsgefährdeter Umgebung. Hart ermöglicht eine Punkt-zu-Punkt Übertragung von zumindest zwei Teilnehmern. Die diskretisierten und digitalisierten Daten werden einem speziellen Modem das in jedem Teilnehmer vorhanden sein muss, in ein Hart-Protokoll mit dem FSK-Verfahren übertragen und empfangen. Das FSK-Verfahren (Frequency Shift Keying) nutzt zur Unterscheidung der binären Zustände unterschiedliche Frequenzen eines sinusförmigen Signals (z. B. Bell 202-Standard: „0” 2200 Hz, „1” 1200 Hz). Da dieses Verfahren weitgehend pegelunabhängig arbeitet, bietet es auch bei Signaldämpfungen und sich ändernden Lasten eine hohe Störsicherheit. Selbstverständlich muss sichergestellt sein, dass das Übertragungsmedium in der Lage ist, die zur Kodierung verwendeten Frequenzen zu übertragen. Wird zur Energieversorgung des Feldgerätes eine sinusförmige Signalform des Wechselanteils verwendet, muss die Frequenz des Hart-Signals von der des Wechselanteil des Mischstroms verschieden sein, damit die beiden Wechselanteile durch beispielsweise einen Filter wieder getrennt und getrennt weiterverarbeitet werde können.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass der Energiebedarf des Feldgeräts teilweise durch den Gleichanteil des Mischstroms gedeckt ist.
• Die Erfindung und ausgewählte Ausführungsbeispiele werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden, die jedoch nur dann wiederholt wurden, wenn es als sinnvoll erachtet wurde. Es zeigt:
• 1: eine schematische Darstellung eines Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist,
• 2: ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist,
• 3: Diagramm der Ströme (I_M, i_E) des ersten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus 2,
• 4: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung eines Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist,
• 5: ein erstes Diagramm der Ströme (I_M, i_E) des zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus 4,
• 6: ein zweites Diagramm der Ströme (I_M, i_E) des zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus 4,
• Das in 1 dargestellte Blockdiagramm stellt die wichtigsten Teilkomponenten eines dezentralen Automatisierungssystems zur Prozessparametererfassung, -auswertung und -übertragung dar. Ferner sind Feldgeräte 1 mit einer Zweidraht-Leitung 4 häufig so ausgebildet, dass sie mit einem der üblichen externen Feldbussysteme 2 zusammenarbeiten können. Dies kann einerseits durch direkten Anschluss an das Feldbussystem 2, z. B. entsprechend dem FIELDBUS-Protokoll, erfolgen. Andererseits kann das Zusammenarbeiten unter Zwischenschaltung eines Buskopplers 3, z. B. entsprechend dem so genannten HART-Protokoll, indirekt erfolgen. Die Komponenten in 1 sind dahingehend miteinander verbunden, dass ein Feldgerät 1 das nach dem PROFIBUS PA Protokoll arbeitet über eine Busschnittstelle bzw. Buskoppler 3 indirekt an das externe Feldbussystem 2 angeschlossen ist.
• In dem Feldgerät 1 ist eine Versorgungs- und Betriebsschaltung 5 integriert, die über die Zweidraht-Leitung 4 mit dem Modul der gesteuerten Wechselstromquelle 15 und der folgenden Busschnittstelle bzw. den Buskoppler 3 verbunden ist. Der chemische oder physikalische Prozessparameter P wirkt auf den Sensor bzw. Messwandler 18 ein oder wird durch den Aktor bzw. Signalwandler 19 verändert oder bereitgestellt. Die erfasste oder eingestellte Veränderung des chemischen oder physikalischen Prozessparameters P durch den Sensor 18 oder den Aktor 19 wird durch die Versorgungs- und Betriebsschaltung 5 weiter verarbeitet und über die Zweidraht-Leitung 4 an die Busschnittstelle 3 übermittelt.
• Durch Schutzmassnahmen im Feldgerät 1 und eventuellen Maßnahmen in dem Buskoppler 3 ist die Zweidraht-Leitung 4 und das Feldgerät 1 eigensicher ausgeführt und trennt den Explosionsschutz-Bereich Ex vom nicht Explosionsschutz-Bereich. Das Feldgerät 1 kann durch diese eigensichere Trennung in einem Explosionsschutz-Bereich Ex, in dem beispielsweise eine explosive Gasatmosphäre herrscht, eingesetzt werden.
• In 2 sind diese Teilkomponenten detaillierter dargestellt, wobei in der Busschnittstelle 3 symbolisch eine Gleichspannungsquelle U₌ integriert ist, die einen Messstrom I_M liefert. Dieser Messstrom I_M fließt durch einen Widerstand R und erzeugt eine vom Messstrom I_M abhängige Spannung U_M, die den Messwert MW repräsentiert. Dieses Spannung U_M wird in der Busschnittstelle bzw. dem Buskoppler 3 weiterverarbeitet, digitalisiert und auf das externe Feldbussystem 2 ausgegeben. Der Kondensator C ist parallel zu dem Widerstand R geschalten und bildet mit diesem zusammen einen Tiefpass TP, der störende Wechselspannungssignale, die eine höhere Frequenz als die Grenzfrequenz des Tiefpasses TP besitzen, im Spannungssignal des Messwerts MW dämpft. Anstatt der oben beschriebenen Elementen – R, C – kann in der Busschnittstelle 3 eine Auswerte- und Einspeiseeinheit in die Stromschleife integriert sein, welche Daten und Signale vom externen Feldbussystem 2 in die Stromschleife der Zweidraht-Leitung 4 einkoppelt oder den Messstrom I_M umwandelt und nach dem Standard des externen Feldbussystems 2 an das selbige aussendet.
• Als weitere Komponente ist der Busschnittstelle bzw. dem Buskoppler 3 eine gesteuerte Wechselstromquelle I_~ parallel geschalten, die den einen Einspeisungsstrom i_E in die Zweidraht-Leitung 4 einspeist. Die Wechselstromquelle I_~ und die Gleichspannungsquelle U₌ kommunizieren über eine separate Steuer- und Datenleitung 21 und einer dazwischen geschalteten Stromregeleinheit 23 zur Regelung des Stromverhältnisses des Wechselanteils 7 und des Gleichanteils 8 des Mischstroms 6. Diese Stromregeleinheit 23 ist dazu da, dass je nachdem wie viel Messstrom I_M vom Feldgerät 1 angefordert oder vom externen Feldbussystem durch die interne Elektronik des Buskopplers 3 eingespeist wird, in einem bestimmten Verhältnis ein entsprechend angepasster, eingespeister Wechselstrom i_E zusätzlich zu dem Messstrom I_M hinzu gemischt wird, so dass sich der Effektivwert des Summenstroms (I_M + i_E)_Eff unterhalb eines bestimmten eingestellten Grenzwert einstellt.
• An die Zweidraht-Leitung 4 ist zumindest ein Feldgerät 1 angeschlossen, das zumindest einen AC/DC-Wandler 9, der zur Auswertung und Umwandlung des Wechselanteils 7 des Mischstroms 6 oder Einseisungsstroms i_E dient, zumindest einen DC/DC-Wandler 10, der zur Auswertung und Umwandlung des Gleichanteils 8 des Mischstroms 6 oder des Messstroms I_M dient, zumindest eine Kontroll- und Steuereinheit 17, die das elektrische Sensorsignal Sens des Sensor 18 auswertet und das elektrische Stellsignal Stell des Aktors 19 einstellt sowie die Steuerung und Regelung der Kommunikation und Energieversorgung übernimmt, und zumindest einen Stromsteller 20, der zur Kommunikation den Strom der Stromschleife bzw. Messstrom I_M einstellt, umfasst. Der chemische oder physikalische Prozessparameter P wird von dem Messwandler 18 erfasst und als elektrisches Sensorsignal Sens über eine elektrische Verbindung an die Kontroll- und Steuereinheit 17 übermittel, welche dieses Sensorsignal Sens auswertet und den Stromsteller 20 entsprechen ansteuert, so dass ein proportionaler Messstrom I_M in der Stromschleife fließt und dass ein entsprechender Messwert MW des chemische oder physikalische Prozessparameters P an den Buskoppler 3 übertragen wird und dort weiterverarbeitet werden kann. An dem Knotenpunkt K trennen sich die beiden Ströme, der Messstrom I_M und der Einspeisungsstrom i_E im Feldgerät 1 in zwei getrennte Stromzweige auf. Zu diesem Zweck kann im Knotenpunkt K eine Frequenzweiche bzw. ein Filter – der nicht explizit in der 2 und der 4 gezeigt ist – in die Schaltung integriert sein. Der DC/DC-Wandler 10 und der AC/DC-Wandler 9 sind über eine Steuer- und Datenleitung 21, über die beispielsweise eine Übermittlung der Stromwerte und/oder eine Steuerung der Stromwandlung stattfindet, mit der Kontroll- und Steuereinheit 17 verbunden. Diese Kontroll- und Steuereinheit 17 wird über die Versorgungsleitung 22 von dem AC/DC- und DC/DC-Wandlern (9, 10) mit der nötigen Energie versorgt. Die Kontroll- und Steuereinheit 17 stellt das Herzstück des Feldgerätes 1 mit einem Mikrocontroller μC als zumindest ein integraler Teil dar. Über diese Kontroll- und Steuereinheit 17 wird die gesamte Prozessparametererfassung, -auswertung und -übertragung gesteuert, so wie das Energiemanagement des Feldgerätes 1 und gegebenenfalls weiterer Buskomponenten geregelt. Unter dem Energiemanagement des Feldgerätes 1 ist nicht nur die Steuerung des Stromstellers 20 zu verstehen, vielmehr kann über eine gezielte Ansteuerung des DC/DC-Wandlers 10 und des AC/DC-Wandlers 9 und gegebenenfalls einem im Feldgerät 1 beinhalten Energiepufferspeicher – der nicht explizit in 2 und 4 gezeigt ist – die Energiezufuhr in das Feldgerät 1 geregelt werden. Über die Steuerung des AC/DC-Wandlers 10 und der damit verbundenen Umwandlung des symmetrischen, mittelwertfreien Wechselanteils 7 des Mischstroms 6 in eine entsprechenden Effektivwert 11 ist die Versorgung des Feldgerätes 1 steuerbar, so dass beispielsweise immer die vom Feldgerät 1 benötigte maximale Energie diesem Feldgerät 1 zur Verfügung steht. Von den Energiequellen der Busschnittstelle bzw. des Buskopplers 3 und dem Modul mit der gesteuerten Stromquelle 15 wird immer der maximale Effektivwert des Summenstroms (I_M + i_E)_Eff an das Feldgerät 1 übertragen. Die Differenz der Energie die vom Feldgerät benötigt wird und der Energie, die als maximaler Effektivwert des Summenstroms (I_M + i_E)_Eff von der Busschnittstelle 3 und der gesteuerten Stromquelle zur Verfügung gestellt wird, ist über den AC/DC-Wandler 9 dadurch regelbar, dass nur ein bestimmtes Maß des Wechselanteil 7 in einen Gleichanteil 8 umgewandelt wird. Bei einem Energieüberschuss im Feldgerät 1 kann durch die Erzeugung eine negativen Effektivwertes 11 des symmetrischen, mittelwertfreien Wechselanteils 7 des Mischstroms 6 zur Basis des Gleichanteils 8 des Mischstroms 6 bzw. des Messstroms I_M überschüssige Energie bzw. Strom aus dem Feldgerät 1 heraus abgeleitet werden und muss nicht im Feldgerät z. B. in Wärme oder eine andere Energieform umgewandelt werden.
• In 3 ist ein Diagram der Ströme in einem dezentralen Automatisierungs-Systems aufgezeigt. Der Messstrom I_M bzw. der Gleichanteil 8 des Mischstroms 6 der durch den Stromsteller 20 oder eine Schalteinheit 16 in der Stromschleife hervorgerufen wird, ist durch eine Trapezfunktion mit Teilstücken von Konstantwerten des Stromwertes aufgezeigt. Da Änderungen des chemischen und physikalischen Prozessparameter P meist ein gewisse Zeit benötigen und nicht sofort in den anderen Wert wechseln, ist zwischen den Konstantwerten, in denen der Stromwert sich nicht verändert, eine gewisse Zeitdauer in denen der Stromwert beispielsweise linear von einem Konstantwert in den anderen Konstantwert übergeht. Der Gleichanteil 8 bzw. Messstrom I_M nimmt nach dem Stromschleifen Standard Werte zwischen 4 mA und 20 mA an. Diesem Gleichanteil 8 des Mischstroms 6 ist ein Amplitudenmodulierter Wechselanteil 7 mit einer beispielsweise sinusförmigen Signalform 13 des Mischstroms 6 – in der 3 als gestrichelte Linie gezeigt – aufmoduliert. Die Amplitude des Wechselanteils 7 ändert sich in der Weise, dass der Effektivwert des Summenstromes (I_M + i_E)_Eff aus dem Wechselanteil 7 und dem Gleichanteil 8 des Mischstroms bzw. aus dem Messstrom I_M und dem Einspeisungsstrom i_E, der in dem AC/DC-Wandler 9 Zweiweg gleichgerichteten wird, einen bestimmten konstanten Wert annimmt. Dieser bestimmte konstante Wert ist beispielsweise der gegenwärtig zur Energieversorgung benötigte Stromwert des Feldgeräts 1 oder ein maximaler konstanter Grenzwert 12. Der Nachteil von Amplitudenmodulierten Signalen ist, dass sich – besonders bei großen Distanzen – die Signalamplitude innerhalb eines Netzes ändern kann, wodurch auch der Effektivwert 11 verändert wird. Als Effektivwert 11 eines Wechselanteils 7 eines elektrischen Stromes bzw. Wechselstrom ist der Wert angegeben, der in einem Wirkwiderstand die gleiche Wärmemenge erzeugt, wie ein gleich großer Gleichanteil 8 bzw. Gleichstrom bewirkt.
• Die maximale positive Amplitude A und die maximale negative Amplitude –A liegen in einem niedrigen Strombereich bei einer bestimmten Frequenz F des Wechselanteils 7 dessen Energie unter einer oberen Grenze liegt, bei dem eine explosive Atmosphäre gezündet wird. Die Abhängigkeit des Zündverhaltens von Wechselgrößen von Ströme bzw. Wechselströmen und der damit zusammenhängenden „Eigensicherheit” von Feldgeräten 1 ist aus der DE 100 49 233 A1 , der DE 101 27 561 A1 , der DE 102 45 273 A1 bekannt.
• In 4 wird im Gegensatz zu 2 der Wechselanteil 7 des Stromes nicht von einem der Busschnittstelle 15 vorgeschaltenen gesteuerten Wechselstromquelle auf die Stromschleife bzw. Zweidraht-Leitung 4 aufgeschalten, sondern eine Schalteinheit 16 wird so angesteuert, dass der nötige Strom bzw. die notwendige Energie von dem Feldgerät 1 dem externen Feldbussystem 2 entnommen wird. Der Buskoppler bzw. die Busschnittstelle 3 besitzt den gleichen Aufbau wie in 2 und wird hier nicht mehr ausführlich diskutiert.
• Der chemische oder physikalische Prozessparameter P wird von dem Sensor 18 erfasst oder von dem Aktor 19 eingestellt, in dem der Sensor 18 ein elektrisches Sensorsignal Sens an die Kontroll- und Steuereinheit 17 sendet, welches dort weiterverarbeitet wird oder der Aktor 19 von der Kontroll- und Steuereinheit 17 ein elektrisches Stellsignal Stell empfängt. Die Kontroll- und Steuereinheit 17 ist für die Verarbeitung des elektrischen Stellsignals Stell bzw. Sensorsignals Sens zuständig und steuert anhand der verarbeiteten Daten den Schalteinheit 16, die einen entsprechenden Gleichanteil 8 bzw. Messstrom I_M in der Stromschleife der Zweidraht-Leitung 4 und dem Gleichstromzweig im Feldgerät 1 erzeugt. Dieser Strom fließt durch den DC/DC-Wandler, der die Kontroll- und Steuereinheit 17 mit dem Mikrocontroller μC und weiteren Bauteilen in der Versorgungs- und Betriebsschaltung 5 des Feldgerätes 1 mit der benötigten Energie versorgt. Die Differenz zwischen der benötigten Energie im Feldgerät 1 und der von dem Gleichanteil 8 bzw. Messstrom I_M erzeugten Energie wird erfindungsgemäß durch ein Wechselanteil 7 eines Stromes ausgeglichen. Dieser Wechselanteil 7 wird durch das Schaltelement 16 erzeugt, das beispielsweise ein Pulsweitenmoduliertes (PWM) oder Frequenzmoduliertes (FWM) Stufensignal erzeugt. Durch eine Begrenzung des Summenstromes I_M + i_E in der Schalteinheit 16, besitzt die maximale positive Amplitude A des Summenstromes I_M + i_E eine obere Grenze, die unterhalb des Zündpunktes einer explosiven Atmosphäre liegt, wodurch das Feldgerät 1 mit der Zweidraht-Leitung 4 eigensicher ausgelegt ist. Der DC/DC-Wandler 10 und dem AC/DC-Wandler 9 einerseits wandelt den Wechselanteil 7 und den Gleichanteil 8 des Mischstromes 6 um und versorgt damit die Kontroll- und Steuereinheit 17 über die Versorgungsleitung 22 mit der notwendigen Energie andererseits wird der Wechselanteil 7 und der Gleichanteil 8 des Mischstromes 6 gemessen und über die Steuer- und Datenleitung 21 an die Kontroll- und Steuereinheit 17 übermittelt. Mit diesen Messdaten und dem gegenwärtigen und zukünftigen Energiebedarf des Feldgerätes 1 berechnet die Kontroll- und Steuereinheit 17 das Verhältnis des Wechselanteils 7 zu dem Gleichanteil 8 des Mischstroms 6 und steuert dementsprechend die Schalteinheit 16 an.
• Die Kontroll- und Steuereinheit 17, die auch das Energiemanagement des Feldgerätes 1 steuert, kann über die Steuer- und Datenleitung 21 den DC/DC-Wandler 10 und den AC/DC-Wandler 9 regeln, dass nur soviel Energie umgewandelt wird, wie gegenwärtig oder zukünftig auch im Feldgerät 1 benötigt wird. Durch die Erzeugung eines zur Basis des Gleichanteils 8 negativen Effektivwert 11 des Wechselanteils 7 kann sogar die überschüssige Energie bzw. Strom, die das Feldgerät 1 zur Versorgung nicht benötigt, abgeleitet werden.
• In 5 ist eine Stromkurve aufgezeigt, die durch einen Schaltungsaufbau wie aus 4 erzeugt wurde. Der Messstrom I_M, dem eine Proportionalität zu dem gemessenen oder eingestellten chemischen und physikalischen Prozessparameter P des Feldgerätes 1 entspricht, ist durch eine Trapezfunktion in einer dickeren Linienführung dargestellt. Diesem Messstrom I_M ist eine rechteckförmige und/oder gepulste Signalform 14 aufmoduliert, indem die Schalteinheit 16 in der Art und Weise von der Kontroll- und Steuereinheit 17 getaktet gesteuert wird, dass kurzzeitig Impulsströme als Wechselanteile 7 des Mischstroms 6 mit einer maximalen positiven Amplitude A auf den Gleichanteil 8 des Mischstrom 6 aufmoduliert werden. Die Zeitdauer bzw. die Anzahl der Impulse einer Impulsfolgen variiert, je nachdem wie viel Strom zusätzlich zu dem Messstrom I_M bzw. Gleichanteil 8 im Feldgerät 1 benötigt wird. Das heißt, das je nachdem wie groß die Differenz des Strombedarfs zu dem Stromangebot ist, werden für ein entsprechendes Zeitfenster Stromimpulse einer bestimmten Frequenz f auf den Messstrom IM aufaddiert, so dass der Effektivwert des Summenstroms (I_M + i_E)_Eff mit dem gegenwärtig benötigten Stromwert des Strombedarf zur Energieversorgung des Feldgerätes 1 übereinstimmt. In der 5 wurde der maximale Strombedarf des Feldgerätes angenommen, so dass der Effektivwert des Summenstroms (I_M + i_E)_Eff den Grenzwert 12 von 20 mA annimmt und das Feldgerät 1 somit stetig und konstant mit maximalem Strom versorgt wird. Die rechteckförmigen und/oder gepulsten Signalformen von Wechselanteilen 7 haben den Nachteil, dass diese Signalformen eine Vielzahl von Oberwellen besitzen und somit eine großen Frequenzbereich abdecken, wodurch in die Schaltung der 4 Filter – welche nicht in 4 explizit gezeigt sind – eingefügt werden müssen damit der Messstrom I_M bzw. die Gleichanteile 8 des Mischstroms 6 nicht oder nur geringfügig durch diese Impulsfolgen verändert wird. Es kann auch durch negative Impulsfolgen, dessen Amplituden einen geringeren Stromwert aufweisen als der gegenwärtige Messstrom I_M, dem Feldgerät 1 nur soviel Energie zugeführt werden wie viel das Feldgerät 1 gegenwärtig benötigt. Dadurch wird vermieden, dass das Feldgerät 1 nur soviel Energie vom Feldbus zieht wie es gegenwärtig benötigt und der Gleichanteil 8 des Mischstroms 6 bzw. das Messstrom I_M nahezu davon unbeeinflusst in Abhängigkeit der Änderung des Prozessparameters P eingestellt werden kann.
• Das Diagramm in 6 unterscheidet sich von dem Diagramm in 5 unter dem Aspekt, dass nicht in einem Zeitfenster einzelne Impulsfolgenpakete mit der selben Frequenz f auf moduliert wird, sondern in diesem Diagramm sind Rechteckfunktionen aufgezeigt, dessen Zeitdauer von dem Messstrom I_M abhängt. Bei dieser Art der Modulation spricht man von einem Pulsweitenmodulierten Rechtecksignal (PWM).
• Es sind auch andere Formen der Modulation angedacht – wie z. B. Frequenzmodulierte (FMW) Wechselsignale 7 – die aber nicht explizit aufgezeigt sind.
• Bezugszeichenliste

1

Feldgerät

2

externes Feldbussystem

3

Busschnittstelle, Buskoppler

4

Zweidraht-Leitung

5

Versorgungs- und Betriebsschaltung

6

Mischstrom

7

Wechselanteil

7a

weiterer Wechselanteil, HART-Signal

8

Gleichanteil

9

AC/DC-Wandler

10

DC/DC-Wandler

11

Effektivwert

12

Grenzwert

13

sinusförmige Signalform

14

rechteckförmige und/oder gepulste Signalform

15

gesteuerte Wechselstromquelle

16

Schalteinheit

17

Kontroll- und Steuereinheit

18

Messwandler, Sensor

19

Signalwandler, Aktor

20

Stromsteller

21

Steuer- und Datenleitung

22

Versorgungsleitung

23

Stromregeleinheit

MW

Messwert

D

Daten

P

(chemischer oder physikalischer) Prozessparameter

Sens

elektrisches Sensorsignal

Stell

elektrisches Stellsignal

μC

Mikrocontroller

Ex

Explosionsschutz-Bereich, eigensicherer Bereich

Ex

kein Explosionsschutz-Bereich, nicht eigensicherer Bereich

R

Widerstand

C

Kondensator

TP

Tiefpass

U=

Gleichspannungsquelle

I~

gesteuerte Wechselstromquelle

IM

Messstrom, Stromschleifenstrom

iE

Einspeisungsstrom

IM + iE

Summenstrom

(IM + iE)Eff

Effektivwert des Summenstromes

K

Knotenpunkt

A

maximale positive Amplitude

–A

maximale negative Amplitude

f

Frequenz

Claims (19)

1. Feldgerät (1) mit zumindest einem Sensor (18) zum Erfassen und/oder mit zumindest einem Aktor (19) zum Beeinflussen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters (P), welches Feldgerät ferner umfasst: eine Busschnittstelle (3) zu einem externen Feldbussystem (2), die als Zweidraht-Leitung (4) ausgelegt ist, sowie eine mit der Busschnittstelle (3) kommunizierende Versorgungs- und Betriebsschaltung (5), wobei die Versorgung des Feldgeräts (1) über die Zweidraht-Leitung (4) zumindest zeitweise mit einem von der Busschnittstelle (3) gelieferten Mischstrom (6) erfolgt, der durch eine Überlagerung und/oder eine Modulation eines Wechselanteils (7) auf einen Gleichanteil (8) des Mischstroms (6) gebildet ist, wobei das Feldgerät (1) über die Zweidraht-Leitung (4) Daten (D) an das externe Feldbussystem (2) sendet und/oder Daten (D) von dem externen Feldbussystem (2) empfängt, wobei in dem Feldgerät (1) eine Kontroll- und Steuereinheit (17) zur Berechnung eines zukünftigen Energiebedarfs und zur Regelung eines aktuellen und zukünftigen Energiebedarfs des Feldgerätes (1) in der Versorgungs- und Betriebsschaltung (5) integriert ist, wobei der Energiebedarf des Feldgeräts (1) teilweise durch den Gleichanteil (8) des Mischstroms (6) gedeckt ist, wobei die Kontroll- und Steuereinheit (17) die Differenz zwischen dem berechneten, aktuellen und zukünftigen Energiebedarf im Feldgerät (1) und der von dem Gleichanteil (8) des Mischstroms (6) erzeugten Energie im Feldgerät (1) durch den Wechselanteil (7) des Mischstromes (6) ausgleicht.
2. Feldgerät nach Anspruch 1, bei dem der Gleichanteil (8) des Mischstroms (6) als ein Informationsträger oder Kommunikationsmittel für via Zweidraht-Leitung (4) übertragene Daten (D) dient.
3. Feldgerät nach Anspruch 1 und 2, bei dem der Gleichanteil (8) des Mischstromes (6) Werte innerhalb eines Strombereichs von 4 mA bis 20 mA annimmt.
4. Feldgerät nach Anspruch 1, bei dem der Wechselanteil (7) des Mischstroms (6) zumindest einen Effektivwert (11) annimmt, der kleiner oder gleich einem höchsten zulässigen Grenzwert (12) ist.
5. Feldgerät nach Anspruch 4, bei dem der höchst zulässigen Grenzwert (12) des Effektivwerts (11) des Mischstroms (6) einen Wert von 20 mA annimmt.
6. Feldgerät nach Anspruch 4 und 5, bei dem der Effektivwert des aufmodulierten Wechselanteils (7) des Mischstroms (6) einen gegebenenfalls vorhandenen Differenzwert des Gleichanteils (8) des Mischstroms (6) zum höchsten zulässigen Grenzwert (12) des Mischstroms (6) annimmt.
7. Feldgerät nach Anspruch 1, bei dem ein negativer Effektivwert (11) des aufmodulierten Wechselanteils (7) des Mischstroms (6) überschüssige Energie des Feldgeräts (1) ableitet und somit den Energiebedarf des Feldgerätes (1) regelt.
8. Feldgerät nach Anspruch 1, 6 oder 7, bei dem der Wechselanteil (7) des Mischstroms (6) eine sinusförmige Signalform (13) aufweist.
9. Feldgerät nach Anspruch 1, 6 oder 7, bei dem der Wechselanteil (7) des Mischstroms (6) eine rechteckförmige und/oder gepulste Signalform (14) aufweist.
10. Feldgerät nach Anspruch 8 oder 9, bei dem eine gesteuerte Wechselstromquelle (15) den Wechselanteil (7) des Mischstroms (6) erzeugt.
11. Feldgerät nach Anspruch 9, bei dem eine Schalteinheit (16) den Wechselanteil (7) des Mischstroms (6) erzeugt.
12. Feldgerät nach Anspruch 1, 10 oder 11, bei dem eine Kontroll- und Steuereinheit (17) in der Versorgungs- und Betriebsschaltung (5) integriert ist, die zur Regelung der Schalteinheit (16) anhand des aktuellen und zukünftigen Energiebedarfs des Feldgerätes (1) dient und/oder ferner anhand des aktuellen und zukünftigen elektrischen Sensorsignals (Sens) oder Stellsignals (Stell) des Feldgerätes (1) zur Steuerung und Regelung des Stromstellers (20), der die Einstellung des Gleichanteils (8) des Mischstroms (6) als Informationsträger übernimmt, dient.
13. Feldgerät nach Anspruch 12, bei dem die Kontroll- und Steuereinheit (17) den zukünftigen Energiebedarf des Feldgeräts (1) unter Berücksichtigung und Abschätzung der zukünftig ablaufenden Prozesse und Anwendungen ermittelt und berechnet.
14. Feldgerät nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter (P) sensorisch erfassenden Messwandler (18) vorgesehen ist, der ein elektrisches Sensorsignal (Sens) liefert.
15. Feldgerät nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einem von einem elektrischen Stellsignal (Stell) angesteuerten Signalwandler (19) vorgesehen ist, der den wenigstens einen chemischen und/oder physikalischen Prozessparameter (P) aktorisch einstellt.
16. Feldgerät nach Anspruch 1, bei dem als ein integraler Teil der Versorgungs- und Betriebsschaltung (5) zumindest ein AC/DC-Wandler (9) und zumindest ein DC/DC-Wandler (10) vorgesehen ist.
17. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die gesendeten Daten (D) mittels der Versorgungs- und Betriebsschaltung (5) vom Sensorsignal (Sens) abgeleitete und mittels der Busschnittstelle (3) angepasste Messwerte MW sind.
18. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die empfangenen Daten (D) mittels der Busschnittstelle (3) anzupassende und mittels der Versorgungs- und Betriebsschaltung (5) in das Stellsignal (Stell) umzusetzende Stellenwerte sind.
19. Feldgerät nach Anspruch 1, bei dem ein weiterer Wechselanteil (7a) des Mischstroms (6), z. B. das Hart-Signal, der unterscheidbar von dem anderen Wechselanteil (7), als Informationsträger auf das Signal des Mischstroms (6) aufmoduliert ist.

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