DE102005001601B4

DE102005001601B4 - Field device with bus interface

Info

Publication number: DE102005001601B4
Application number: DE200510001601
Authority: DE
Inventors: Michael 79112 Kirst
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: DE102005001601A1

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...Field device (1) with at least one sensor (18) for detecting and / or with at least one actuator (19) for influencing at least one chemical and / or physical process parameter (P), which field device further comprises: a bus interface (3) to an external one Field bus system (2), which is designed as a two-wire line (4), and a supply and operating circuit (5) communicating with the bus interface (3), the field device (1) being supplied via the two-wire line (4) at least temporarily with a mixed current (6) supplied by the bus interface (3), which is formed by superimposing and / or modulating an alternating component (7) onto a direct component (8) of the mixed current (6), the field device (1) Sends data (D) to the external field bus system (2) via the two-wire line (4) and / or receives data (D) from the external field bus system (2), with a monitoring and control unit (17 ) to calculate a future Energy demand and for regulating a current and future energy demand of the field device ...

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.The invention relates to a field device with at least one sensor for detecting and / or having at least one actuator for influencing at least one chemical and / or physical process parameter, which field device further has a bus interface to an external fieldbus system, which is designed as a two-wire line, as well comprising a supply and operating circuit communicating with the bus interface.

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.Advances in microelectronics in recent years have led to miniaturization of devices and integration of functionalities, which has resulted in the efficient and cost-effective application of integrated distributed systems in automation engineering. Thus, not only the measured values are determined in the sensors and actuators, but also the measured values are preprocessed, linearized and even a self-diagnosis of the sensor or actuator is implemented. The prerequisite for the introduction of these decentralized functionalities in a closed automation concept with "intelligent" sensors and actuators is an increased exchange of information and data between these decentralized units with each other and with a control system. For this reason, in automation technology, a wealth of fieldbus systems have emerged in recent years that cover either company-specific application areas (eg BITBUS, CAN, MODBUS, RACKBUS) or those that are subject to international standardization (eg HART, PROFIBUS) -PA, Foundation FIELDBUS, Ethernet). The large number of fieldbus systems that are currently used in industrial automation technology and process control technology continue to be referred to only by the general term "fieldbus or fieldbus system".

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.The usual field devices are network-fed four-wire measuring devices and must have at least two electrical leads or conductors for the power supply of the field device for this purpose. Furthermore, two further signal lines are required, which transmit the measured value measuring signal or other communication data signals between the decentralized units and the control center. In general, this measurement signal or communication data signal corresponding to a standard for this purpose, z. B. according to the lying between 4 mA and 20 mA current loop standard, a standard frequency standard or a digital standard, generated and transmitted.

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.Moreover, it is also common in automation technology to build the field devices in a so-called two-wire technology and connect to each other, so that the power supply and the communication between the devices can be done via a single pair of wires, reducing the wiring and thus the wiring costs networked distributed automation systems can be reduced.

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.Such two-wire field devices are among other things the writings EP 0 883 097 B1 . EP 0 895 209 B1 . EP 1 158 274 A1 refer to. These two-wire field devices generate as measurement signal an output current whose instantaneous values represent as much as possible a transducer signal generated by means of a physical-electrical measuring transducer. The two conductors are used both for the controlled and regulated energy supply, for which purpose a DC voltage source is to be applied to the two conductors from outside, as well as for the transmission of the measuring signal.

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.Another aspect which has to be taken into account in automation technology and especially in process automation technology is that the operating capability of the field device in an explosive environment in which the intrinsic safety of the field device and the fieldbus is maintained. Such intrinsically safe, low-reflection fieldbus systems are from the DE 100 49 233 A1 . DE 101 27 561 A1 . DE 102 45 273 A1 , and the cis energy supply concept of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig, which deals with the problem of AC or AC signals on field buses. Common to all these documents is that the energy transmission via the fieldbus is effected solely by a high-frequency alternating signal and this fieldbus is protected against intrinsic safety by protective measures and / or is embodied in anechoic reflection by adapting the characteristic impedance.

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 the DE 198 44 394 A1 is a two-wire bus system for transferring data between stations and to the power supply derselbigen, without the power supply and the data transmission interfere significantly described. The stations are powered by a power supply that feeds an AC voltage to the two-wire bus system. Due to power output this energy is decoupled from the stations. By superimposing a DC signal on this AC voltage, the data is transmitted on the two-wire bus system.

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.In the DE 101 27 561 A1 Energy or power transmission via a fieldbus is controlled so that at each point of the intrinsically safe fieldbus the greatest possible power or energy can be transmitted and the intrinsic safety can be safeguarded by protective measures, and is carried out by adaptations of the characteristic impedance reflection.

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. Based on the above-mentioned prior art, it is therefore an object of the invention to enable the communication of the field device via a two-wire line and also the field device continuously via this two-wire line with the necessary energy, which complies with the standards and regulations of explosion protection, to supply.

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.To achieve the object the invention consists in a field device with at least one sensor for detecting and / or with at least one actuator for influencing at least one chemical and / or physical process parameter, which field device further comprises:
a bus interface to an external field bus system, which is designed as a two-wire line, and communicating with the bus interface supply and operating circuit, wherein the supply of the field device via the two-wire line at least temporarily takes place with a supplied from the bus interface mixed stream by a Overlay and / or a modulation of an AC component is formed on a DC component of the mixed stream, the field device via the two-wire line sends data to the external fieldbus system and / or receives data from the external fieldbus system, wherein at least the alternating component of the mixed current for supplying the field device is used with electrical energy, and wherein the field device covers its energy needs at least partially via the alternating component of the mixed stream.

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.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention, it is proposed that the DC component of the mixed current serves as an information carrier or communication means for data transmitted via a two-wire line.

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.An expedient embodiment of the field device according to the invention is that the DC component of the mixed current assumes values within a current range of 4 mA to 20 mA. In the case of two-wire field devices corresponding to the aforementioned current loop standard lying between 4 mA and 20 mA, a specific current value within this current range corresponds exactly to an electrical sensor signal or actuating signal. Therefore, only the current range of 4 mA can be planned for the guaranteed power supply of the electronics of the field device with a two-wire line and used. This implies that the power supply is only available with a power in the order of 50 mW, which is referred to below as low power. Two-wire field devices with the aforementioned current loop standard lying between 4 mA and 20 mA are particularly well suited for use in potentially explosive environments due to these circumstances.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass der Mischstrom zumindest einen Effektivwert annimmt, der kleiner oder gleich einem höchsten zulässigen Grenzwert ist.An advantageous embodiment of the solution according to the invention proposes that the mixed stream assumes at least an effective value which is less than or equal to a maximum permissible limit value.

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.According to a favorable embodiment of the field device according to the invention, it is suggested that the maximum permissible limit value of the effective value of the mixed current assumes a value of 20 mA. In order not to violate the explosion protection regulations, the maximum effective value of the mixed flow should not be greater than the specified limit value.

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.An advantageous embodiment of the solution according to the invention is that the rms value of the modulated alternating component of the mixed current adopts a possibly present difference value of the DC component of the mixed current to the highest permissible limit value of the mixed current. So that the field device can always be supplied with the maximum permissible current, the difference of the DC component of the mixed current is supplemented by the effective value of, for example, the rectified alternating component of the mixed current, so that their sum takes the maximum permissible limit. As a result, the field device is constantly supplied with the maximum energy or power.

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.According to an advantageous embodiment of the field device according to the invention, it is proposed that a negative effective value of the modulated alternating component of the mixed current dissipates excess energy of the field device and thus regulates the energy requirement or energy budget of the field device.

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.If a negative RMS value of the alternating component in the AC / DC converter is generated at the base of the DC component, in which a negative rectified alternating component of the mixed current is produced, for example, by a specific conversion of the alternating component of the mixed current, excess current can be dissipated from the field device.

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.A very advantageous variant of the solution according to the invention can be seen in that the alternating component of the mixed flow has a sinusoidal signal form. Preferably sinusoidal signals are used as the alternating component of the mixed current, since their signal spectrum has no harmonics. Which makes it easier to comply with specifications regarding "electromagnetic compatibility (EMC)". It is also easier to superimpose with other DC components or DC signals, since the time average of sinusoidal signal forms is zero and the coding is therefore free of mean values.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass der Wechselanteil des Mischstroms eine rechteckförmige und/oder gepulste Signalform aufweist. A particularly advantageous development of the solution according to the invention suggests that the alternating component of the mixed stream has a rectangular and / or pulsed signal form.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass eine gesteuerte Wechselstromquelle den Wechselanteil des Mischstroms erzeugt.An advantageous embodiment of the solution according to the invention suggests that a controlled alternating current source generates the alternating component of the mixed current.

Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass eine Schalteinheit den Wechselanteil des Mischstroms erzeugt.A very advantageous variant of the solution according to the invention can be seen in that a switching unit generates the alternating component of the mixed stream.

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.A preferred embodiment of the field device according to the invention provides that a control and control unit is integrated in the supply and operating circuit, which is used to control the switching unit based on the current and future energy needs or energy budget of the field device and / or further based on the current and future electrical sensor signal or actuating signal of the field device for controlling and regulating the current controller, which takes over the setting of the DC component of the mixed stream as an information carrier, is used.

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.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention, it is proposed that the control and control unit determines and calculates the future energy requirement of the field device taking into account and estimating the future running processes and applications.

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.An expedient exemplary embodiment of the field device according to the invention is that at least one of a chemical and / or physical process parameters sensor-sensing transducer is provided which provides an electrical sensor signal.

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.A very advantageous variant of the solution according to the invention is to be seen in that at least one signal converter controlled by an electrical actuating signal is provided which adjusts the at least one chemical and / or physical process parameter by way of an actuator.

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.An expedient alternative embodiment of the field device according to the invention consists in that at least one AC / DC converter and at least one DC / DC converter is provided as an integral part of the supply and operating circuit.

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.An advantageous embodiment of the solution according to the invention consists in that the transmitted data are measured values MW derived from the sensor signal and adapted by means of the bus interface by means of the supply and operating circuit.

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.A particularly advantageous development of the solution according to the invention proposes that the received data are to be adapted by means of the bus interface and to be converted into the actuating signal by means of the supply and operating circuit.

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.According to a further advantageous embodiment of the solution according to the invention it is provided that a further alternating component of the mixed stream, for. B. the hard signal, which is distinguishable from the other alternating component, modulated as an information carrier or as a means of communication to the signal of the mixed stream. Field devices using an additional Hart signal exchange their data over the two-wire lines of the 4 to 20 mA current loop standard. With the aid of this communication, the field devices can be very flexibly parameterized and put into operation, or measured values or data determined and stored can be read out. The Hart protocol enables bidirectional communication even in potentially explosive environments. Hart enables a point-to-point transmission of at least two subscribers. The discretized and digitized data will be transmitted and received to a special modem which must be present in each subscriber in a hard protocol with the FSK method. The FSK (Frequency Shift Keying) method uses different frequencies of a sinusoidal signal to differentiate the binary states (eg Bell 202 standard: "0" 2200 Hz, "1" 1200 Hz). Since this method operates largely level-independent, it also offers high interference immunity for signal attenuation and changing loads. Of course, it must be ensured that the transmission medium is able to transmit the frequencies used for coding. If a sinusoidal waveform of the alternating component is used to supply power to the field device, the frequency of the hard signal must be different from that of the alternating component of the mixed current so that the two alternating components can be separated again and separated by a filter, for example.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass der Energiebedarf des Feldgeräts teilweise durch den Gleichanteil des Mischstroms gedeckt ist.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention it is proposed that the energy requirement of the field device is partially covered by the DC component of the mixed stream.

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:The invention and selected embodiments will be explained in more detail with reference to the following drawings. For simplicity, identical parts have been given the same reference numerals in the drawings, but they have been repeated only if deemed appropriate. It shows:

1: eine schematische Darstellung eines Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist, 1 : a schematic representation of a field device which is connected to the field bus via a bus interface,

2: ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist, 2 a first exemplary embodiment of the circuit of a field device according to the invention, which is connected to the field bus via a bus interface,

3: Diagramm der Ströme (I_M, i_E) des ersten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus 2, 3 : Diagram of the currents (I _M , i _E ) of the first embodiment of the circuit of a field device according to the invention 2 .

4: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung eines Feldgerätes, das über eine Busschnittstelle an den Feldbus angeschlossen ist, 4 A second exemplary embodiment of the solution according to the invention of a field device which is connected to the field bus via a bus interface.

5: ein erstes Diagramm der Ströme (I_M, i_E) des zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus 4, 5 a first diagram of the currents (I _M , i _E ) of the second embodiment of the circuit of a field device according to the invention from 4 .

6: ein zweites Diagramm der Ströme (I_M, i_E) des zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes aus 4, 6 : A second diagram of the currents (I _M , i _E ) of the second embodiment of the circuit of a field device according to the invention from 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.This in 1 The block diagram shown represents the most important subcomponents of a decentralized automation system for process parameter acquisition, evaluation and transmission. Furthermore, field devices 1 with a two-wire cable 4 Often designed to work with one of the usual external fieldbus systems 2 can work together. On the one hand, this can be achieved by direct connection to the fieldbus system 2 , z. B. according to the FIELDBUS protocol done. On the other hand, the cooperation can be done with the interposition of a Buskopplers 3 , z. B. according to the so-called HART protocol, done indirectly. The components in 1 are connected to each other so that a field device 1 This works according to the PROFIBUS PA protocol via a bus interface or bus coupler 3 indirectly to the external fieldbus system 2 connected.

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.In the field device 1 is a supply and operating circuit 5 integrated, over the two-wire line 4 with the module of controlled AC power source 15 and the following bus interface or the bus coupler 3 connected is. The chemical or physical process parameter P acts on the sensor or transducer 18 on or off by the actuator or signal converter 19 changed or provided. The detected or adjusted change of the chemical or physical process parameter P by the sensor 18 or the actor 19 is through the supply and operating circuit 5 processed further and over the two-wire line 4 to the bus interface 3 transmitted.

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.By protective measures in the field device 1 and possible measures in the bus coupler 3 is the two-wire cable 4 and the field device 1 intrinsically safe and separates the explosion protection area Ex from the non-explosion protection area. The field device 1 can be used by this intrinsically safe separation in an explosion-proof area Ex, in which, for example, an explosive gas atmosphere prevails.

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.In 2 these sub-components are shown in more detail, wherein in the bus interface 3 symbolically a DC voltage source U _{= is} integrated, which supplies a measuring current I _M. This measuring current I _M flowing through a resistor R and generates a dependent of the measuring current I _M U _M voltage, which represents the measured value MW. This voltage U _M is in the bus interface or the bus coupler 3 further processed, digitized and to the external fieldbus system 2 output. The capacitor C is connected in parallel to the resistor R and together with it forms a low-pass filter TP which attenuates disturbing AC voltage signals which have a higher frequency than the cut-off frequency of the low-pass filter TP in the voltage signal of the measured value MW. Instead of the elements described above - R, C - may be in the bus interface 3 an evaluation and feed unit to be integrated into the current loop, which data and signals from the external fieldbus system 2 in the current loop of the two-wire line 4 or converts the measuring current I _M and according to the standard of the external fieldbus system 2 sent to the same.

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.Another component is the bus interface or the bus coupler 3 a controlled AC power source I _~ connected in parallel, the one feed current i _E in the two-wire line 4 feeds. The AC power source I _~ and the DC voltage source U ₌ communicate via a separate control and data line 21 and an intermediate power control unit 23 for controlling the current ratio of the alternating component 7 and the DC share 8th of the mixed stream 6 , This flow control unit 23 This is because, depending on how much measuring current I _M from the field device 1 requested or from the external fieldbus system by the internal electronics of the bus coupler 3 is fed, in a certain ratio a correspondingly adapted, fed AC i _{E in} addition to the measuring current I _{M is} mixed, so that sets the effective value of the sum current (I _M + i _E ) _Eff below a certain set limit.

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.To the two-wire line 4 is at least a field device 1 connected, that at least one AC / DC converter 9 for the evaluation and conversion of the alternating share 7 of the mixed stream 6 or Einseisungsstroms i _E , at least one DC / DC converter 10 , which evaluates and converts the DC component 8th of the mixed stream 6 or the measuring current I _M , at least one control and control unit 17 , which is the electrical sensor signal Sens of the sensor 18 evaluates and the electrical control signal Actuator 19 adjusts and takes over the control and regulation of communication and power supply, and at least one power controller 20 , which adjusts the current of the current loop or measuring current I _M for communication comprises. The chemical or physical process parameter P is determined by the transducer 18 detected and as an electrical sensor signal Sens via an electrical connection to the control and control unit 17 transmit, which evaluates this sensor signal Sens and the current controller 20 correspondingly drives, so that a proportional measuring current I _{M flows} in the current loop and that a corresponding measured value MW of the chemical or physical process parameter P to the bus coupler 3 is transmitted and can be further processed there. At the node K, the two currents, the measuring current I _M and the feed current i _E in the field device separate 1 into two separate branches. For this purpose, in the node K a crossover or a filter - not explicitly in the 2 and the 4 shown - be integrated into the circuit. The DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 are via a control and data line 21 , via which, for example, a transmission of the current values and / or a control of the current conversion takes place, with the control and control unit 17 connected. This control and control unit 17 is via the supply line 22 from the AC / DC and DC / DC converters ( 9 . 10 ) supplied with the necessary energy. The control and control unit 17 represents the heart of the field device 1 with a microcontroller .mu.C as at least an integral part. About this control and control unit 17 the entire process parameter acquisition, evaluation and transmission is controlled, as well as the energy management of the field device 1 and optionally further bus components regulated. Under the energy management of the field device 1 is not just the controller of the power controller 20 to understand, rather, can via a targeted control of the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 and optionally one in the field device 1 include energy buffer - which is not explicitly in 2 and 4 shown is - the power supply to the field device 1 be managed. About the control of the AC / DC converter 10 and the associated conversion of the symmetric, mean-free alternating component 7 of the mixed stream 6 in a corresponding rms value 11 is the supply of the field device 1 controllable, so that, for example, always from the field device 1 needed maximum energy this field device 1 is available. From the energy sources of the bus interface or the bus coupler 3 and the module with the controlled current source 15 always the maximum effective value of the total current (I _M + i _E ) _Eff to the field device 1 transfer. The difference between the energy required by the field device and the energy required as the maximum effective value of the total current (I _M + i _E ) _Eff from the bus interface 3 and the controlled current source is provided via the AC / DC converter 9 thereby adjustable, that only a certain measure of the Wechselanteil 7 into a DC component 8th is converted. With an energy surplus in the field device 1 can by generating a negative RMS value 11 of the symmetric, mean-free alternating component 7 of the mixed stream 6 to the basis of the DC component 8th of the mixed stream 6 or the measuring current I _M excess energy or current from the field device 1 be derived out and does not need in the field device z. B. be converted into heat or another form of energy.

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.In 3 a diagram of the currents in a decentralized automation system is shown. The measuring current I _M or the DC component 8th of the mixed stream 6 the by the power controller 20 or a switching unit 16 in the current loop is shown by a trapezoidal function with sections of constant values of the current value. Since changes in the chemical and physical process parameters P usually take some time and do not change immediately to the other value, between the constant values in which the current value does not change, a certain period of time in which the current value, for example, linear from one constant value to the other Constant value passes. The DC component 8th or measuring current I _M assumes standard values between 4 mA and 20 mA after current grinding. This DC component 8th of the mixed stream 6 is an amplitude modulated alternating component 7 with a sinusoidal waveform, for example 13 of the mixed stream 6 - in the 3 shown as a dashed line - modulated. The amplitude of the alternating component 7 changes in such a way that the effective value of the sum current (I _M + i _E ) _Eff from the alternating component 7 and the DC component 8th the mixed current or from the measuring current I _M and the feed current i _E , in the AC / DC converter 9 Two way rectified, assumes a certain constant value. This particular constant value is, for example, the current value of the field device currently required for the power supply 1 or a maximum constant limit 12 , The disadvantage of amplitude modulated signals is that, especially at long distances, the signal amplitude within a network can change, which also causes the RMS value 11 is changed. As effective value 11 a change share 7 an electric current or alternating current, the value is given, which generates the same amount of heat in an effective resistance, as an equal DC component 8th or direct current causes.

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. The maximum positive amplitude A and the maximum negative amplitude -A are in a low current range at a certain frequency F of the AC component 7 whose energy is below an upper limit, where an explosive atmosphere is ignited. The dependence of the ignition behavior of alternating quantities of currents or alternating currents and the associated "intrinsic safety" of field devices 1 is from the DE 100 49 233 A1 , of the DE 101 27 561 A1 , of the DE 102 45 273 A1 known.

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.In 4 is unlike 2 the alternating component 7 the current is not from one of the bus interface 15 upstream controlled AC power source to the current loop or two-wire line 4 switched, but a switching unit 16 is controlled so that the necessary power or the necessary energy from the field device 1 the external fieldbus system 2 is removed. The bus coupler or the bus interface 3 has the same structure as in 2 and will not be discussed in detail here.

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.The chemical or physical process parameter P is from the sensor 18 captured or by the actor 19 set in which the sensor 18 an electrical sensor signal Sens to the control and control unit 17 sends, which is further processed there or the actuator 19 from the control and control unit 17 an electrical actuating signal Stell receives. The control and control unit 17 is responsible for the processing of the electrical actuating signal Stell or sensor signal Sens and controls based on the processed data, the switching unit 16 that have a corresponding DC component 8th or measuring current I _M in the current loop of the two-wire line 4 and the DC branch in the field device 1 generated. This current flows through the DC / DC converter, which is the control and control unit 17 with the microcontroller μC and other components in the supply and operating circuit 5 of the field device 1 supplied with the required energy. The difference between the required energy in the field device 1 and that of the DC component 8th or measuring current I _M generated energy is inventively by an AC component 7 a current balanced. This alternating share 7 is through the switching element 16 which generates, for example, a pulse width modulated (PWM) or frequency modulated (FWM) step signal. By limiting the sum current I _M + i _E in the switching unit 16 , the maximum positive amplitude A of the sum current I _M + i _{E has} an upper limit, which is below the ignition point of an explosive atmosphere, causing the field device 1 with the two-wire cable 4 is designed intrinsically safe. The DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 on the one hand converts the alternating component 7 and the DC component 8th of the mixed stream 6 and thus supplies the control and control unit 17 over the supply line 22 with the necessary energy on the other hand, the alternating component 7 and the DC component 8th of the mixed stream 6 measured and via the control and data line 21 to the control and control unit 17 transmitted. With these measurement data and the current and future energy requirements of the field device 1 calculates the control and control unit 17 the ratio of the alternating component 7 to the DC component 8th of the mixed stream 6 and accordingly controls the switching unit 16 at.

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.The control and control unit 17 which also includes the energy management of the field device 1 controls, can via the control and data line 21 the DC / DC converter 10 and the AC / DC converter 9 regulate that only as much energy is converted as currently or in the future also in the field device 1 is needed. By generating one to the base of the DC component 8th negative RMS value 11 of the alternating component 7 can even use the excess energy or electricity that the field device 1 not needed to supply, are derived.

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.In 5 a current curve is shown by a circuit structure like 4 was generated. The measuring current I _M , the proportionality to the measured or set chemical and physical process parameters P of the field device 1 is represented by a trapezoidal function in a thicker line. This measurement current I _M is a rectangular and / or pulsed waveform 14 modulated by the switching unit 16 in the way of the control and control unit 17 is controlled clocked that briefly momentary currents as alternating shares 7 of the mixed stream 6 with a maximum positive amplitude A on the DC component 8th of the mixed stream 6 be modulated. The time duration or the number of pulses of a pulse sequence varies, depending on how much current in addition to the measuring current I _M or DC component 8th in the field device 1 is needed. That is, depending on how large the difference of the power demand is to the power supply, current pulses of a certain frequency f are added to the measuring current IM for a corresponding time window, so that the effective value of the sum current (I _M + i _E ) _Eff with the current required current value of the power requirement for the power supply of the field device 1 matches. In the 5 the maximum power requirement of the field device was assumed, so that the effective value of the total current (I _M + i _E ) _{Eff is} the limit value 12 of 20 mA and the field device 1 thus constantly and constantly supplied with maximum current. The rectangular and / or pulsed signal forms of alternating components 7 have the disadvantage that these waveforms have a variety of harmonics and thus cover a large frequency range, which in the circuit of 4 Filters - which are not in 4 are explicitly shown - must be inserted so that the measuring current I _M and the DC components 8th of the mixed stream 6 is not or only slightly changed by these pulse sequences. It may also be due to negative pulse trains whose amplitudes have a lower current value than the current measuring current I _M , the field device 1 only as much energy is supplied as much the field device 1 currently needed. This will avoid the field device 1 only draws as much energy from the fieldbus as it currently needs and the DC component 8th of the mixed stream 6 or the measuring current I _M can be adjusted almost uninfluenced in dependence of the change of the process parameter P.

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).The diagram in 6 is different from the diagram in 5 from the aspect that individual pulse train packets with the same frequency f is not modulated on in a time window, but in this diagram rectangular functions are shown whose duration depends on the measuring current I _M. This type of modulation is called a pulse width modulated square wave signal (PWM).

Es sind auch andere Formen der Modulation angedacht – wie z. B. Frequenzmodulierte (FMW) Wechselsignale 7 – die aber nicht explizit aufgezeigt sind.There are also other forms of modulation - such. B. Frequency modulated (FMW) alternating signals 7 - which are not explicitly shown.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Feldgerätfield device
22: externes Feldbussystemexternal fieldbus system
33: Busschnittstelle, BuskopplerBus interface, Bus Coupler
44: Zweidraht-LeitungTwo-wire line
55: Versorgungs- und BetriebsschaltungSupply and operating circuit
66: Mischstrommixed stream
77: Wechselanteilalternating component
7a7a: weiterer Wechselanteil, HART-Signaladditional alternating component, HART signal
88th: GleichanteilDC component
99: AC/DC-WandlerAC / DC converter
1010: DC/DC-WandlerDC / DC converter
1111: EffektivwertRMS
1212: Grenzwertlimit
1313: sinusförmige Signalformsinusoidal waveform
1414: rechteckförmige und/oder gepulste Signalformrectangular and / or pulsed waveform
1515: gesteuerte Wechselstromquellecontrolled AC source
1616: Schalteinheitswitching unit
1717: Kontroll- und SteuereinheitControl and control unit
1818: Messwandler, SensorInstrument transformer, sensor
1919: Signalwandler, AktorSignal converter, actuator
2020: Stromstellerpower plate
2121: Steuer- und DatenleitungControl and data line
2222: Versorgungsleitungsupply line
2323: StromregeleinheitFlow control unit
MWMW: Messwertreading
DD: Datendates
PP: (chemischer oder physikalischer) Prozessparameter(chemical or physical) process parameters
SensSens: elektrisches Sensorsignalelectrical sensor signal
Stellparking: elektrisches Stellsignalelectrical actuating signal
μC.mu.C: Mikrocontrollermicrocontroller
ExEx: Explosionsschutz-Bereich, eigensicherer BereichExplosion protection area, intrinsically safe area
ExEx: kein Explosionsschutz-Bereich, nicht eigensicherer Bereichno explosion protection area, not intrinsically safe area
RR: Widerstandresistance
CC: Kondensatorcapacitor
TPTP: Tiefpasslowpass
U₌ U ₌: GleichspannungsquelleDC voltage source
I_~ I _~: gesteuerte Wechselstromquellecontrolled AC source
I_M I _M: Messstrom, StromschleifenstromMeasuring current, current loop current
i_E i _e: Einspeisungsstromfeed stream
I_M + i_E I _M + i _E: Summenstromtotal current
(I_M + i_E)_Eff (I _M + i _E ) _Eff: Effektivwert des SummenstromesRms value of the summation current
KK: Knotenpunktjunction
AA: maximale positive Amplitudemaximum positive amplitude
–A-A: maximale negative Amplitudemaximum negative amplitude
ff: Frequenzfrequency

Claims

Field device ( 1 ) with at least one sensor ( 18 ) for detecting and / or with at least one actuator ( 19 ) for influencing at least one chemical and / or physical process parameter (P), which field device further comprises: a bus interface ( 3 ) to an external fieldbus system ( 2 ), which can be used as a two-wire cable ( 4 ), and one with the bus interface ( 3 ) communicating supply and operating circuit ( 5 ), whereby the supply of the field device ( 1 ) via the two-wire line ( 4 ) at least temporarily with one of the bus interface ( 3 ) supplied mixed stream ( 6 ), which is determined by an overlaying and / or a modulation of an alternating component ( 7 ) to a DC component ( 8th ) of the mixed stream ( 6 ), wherein the field device ( 1 ) via the two-wire line ( 4 ) Data (D) to the external fieldbus system ( 2 ) and / or data (D) from the external fieldbus system ( 2 ), wherein in the field device ( 1 ) a control and control unit ( 17 ) for calculating a future energy demand and for controlling a current and future energy demand of the field device ( 1 ) in the supply and operating circuit ( 5 ), the energy requirement of the field device ( 1 ) partially by the DC component ( 8th ) of the mixed stream ( 6 ), whereby the control and control unit ( 17 ) the difference between the calculated, current and future energy demand in the field device ( 1 ) and that of the DC component ( 8th ) of the mixed stream ( 6 ) generated energy in the field device ( 1 ) by the alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) compensates.

Field device according to Claim 1, in which the DC component ( 8th ) of the mixed stream ( 6 ) as an information carrier or communication means for via two-wire line ( 4 ) transmitted data (D) is used.

Field device according to Claims 1 and 2, in which the DC component ( 8th ) of the mixed stream ( 6 ) Assumes values within a current range of 4 mA to 20 mA.

Field device according to Claim 1, in which the alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) at least one effective value ( 11 ) which is less than or equal to a maximum permissible limit ( 12 ).

Field device according to Claim 4, in which the maximum permissible limit value ( 12 ) of the RMS value ( 11 ) of the mixed stream ( 6 ) assumes a value of 20 mA.

Field device according to Claims 4 and 5, in which the effective value of the modulated alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) an optionally existing difference value of the DC component ( 8th ) of the mixed stream ( 6 ) to the highest permissible limit ( 12 ) of the mixed stream ( 6 ).

Field device according to Claim 1, in which a negative effective value ( 11 ) of the modulated alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) excess energy of the field device ( 1 ) and thus the energy requirement of the field device ( 1 ) regulates.

Field device according to Claim 1, 6 or 7, in which the alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) a sinusoidal waveform ( 13 ) having.

Field device according to Claim 1, 6 or 7, in which the alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) a rectangular and / or pulsed waveform ( 14 ) having.

Field device according to Claim 8 or 9, in which a controlled alternating current source ( 15 ) the alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) generated.

Field device according to Claim 9, in which a switching unit ( 16 ) the alternating component ( 7 ) of the mixed stream ( 6 ) generated.

Field device according to Claim 1, 10 or 11, in which a control and control unit ( 17 ) in the supply and operating circuit ( 5 ), which is used to control the switching unit ( 16 ) based on the current and future energy requirements of the field device ( 1 ) and / or further on the basis of the current and future electrical sensor signal (Sens) or actuating signal (Stell) of the field device ( 1 ) for controlling and regulating the current controller ( 20 ), which determines the setting of the DC component ( 8th ) of the mixed stream ( 6 ) as the information carrier, serves.

Field device according to Claim 12, in which the control and control unit ( 17 ) the future energy demand of the field device ( 1 ), taking into account and estimating future processes and applications.

Field device according to Claim 1, in which at least one chemical and / or physical process parameter (P) comprises sensor-detecting measuring transducers ( 18 ) is provided which provides an electrical sensor signal (Sens).

Field device according to Claim 1, in which at least one signal converter controlled by an electrical actuating signal (actuator) ( 19 ) is provided, which adjusts the at least one chemical and / or physical process parameter (P) actorisch.

Field device according to Claim 1, in which, as an integral part of the supply and operating circuit ( 5 ) at least one AC / DC converter ( 9 ) and at least one DC / DC converter ( 10 ) is provided.

Field device according to Claim 1 or 2, in which the data (D) sent are transmitted by means of the supply and operating circuit ( 5 ) derived from the sensor signal (Sens) and by means of the bus interface ( 3 ) are measured measured values MW.

Field device according to Claim 1 or 2, in which the received data (D) is transmitted by means of the bus interface ( 3 ) and by means of the supply and operating circuit ( 5 ) are in the control signal (Stell) to be converted positions.

Field device according to Claim 1, in which a further alternating component ( 7a ) of the mixed stream ( 6 ), z. B. the Hart signal, the distinguishable from the other alternating component ( 7 ), as information carrier to the signal of the mixed stream ( 6 ) is modulated.