DE102005063054A1

DE102005063054A1 - Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102005063054A1
Application number: DE102005063054A
Authority: DE
Inventors: Jiri Karbula
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-05
Also published as: CN101351951B; CN104578805A; CN101351951A; JP2009522990A; RU2375808C1; US20110187205A1; WO2007077081A1; EP1966876A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung S zur Versorgung eines Feldgerätes F1 der Automatisierungstechnik besteht aus einer Verbraucherschaltung VS, einem Gleichspannungswandler G und eine Eingangsschaltung ES mit einem 2-Leiter-Anschluss A. Die Eingangsschaltung ES weist eine Modulatoreinheit M auf, die mit einer Stromregelschaltung RS und dem Gleichspannungswandler G verbunden ist. Die Modulatoreinheit M steuert den Gleichspannungswandler G so an, dass ein einstellbarer Gesamtstrom I¶S¶ vom 2-Leiter-Anschluß A aufgenommen wird. Durch den geregelten Gleichspannungswandler G ist eine optimale Leistungsübertragung an die Verbraucherschaltung VS möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik.

In der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.

Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, die z. B. als Ventile den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt oder als Pumpen den Füllstand in einem Behälter steuern.

Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Fa. Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.

In der Regel sind Feldgeräte in modernen Fabrikationsanlagen über Kommunikationssysteme (HART, Profibus, Foundation Fieldbus, etc.), mit übergeordneten Einheiten (z. B. Leitsysteme oder Steuereinheiten) verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Als Feldgeräte werden allgemein solche Einheiten bezeichnet, die direkt an einen Feldbus angeschlossen sind und zur Kommunikation mit den übergeordneten Einheiten dienen (z. B. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices).

Viele Feldgeräte sind 2-Leiter Versionen erhältlich. Hierbei erfolgt die Energieversorgung des Feldgeräts über das gleiche Leitungspaar über das die Kommunikation erfolgt.

Im Gegensatz zu 2-Leiter-Geräten benötigen 4-Leiter-Geräte ein zusätzliches Leitungspaar für die Energieversorgung, dadurch erhöht sich natürlich der Verkabelungsaufwand.

Bei 2-Leiter-Geräten unterliegt die zur Verfügung stehende Leistung meist gewissen Einschränkungen. Die Eingangsspannung variiert normalerweise zwischen 10 und 36 V. Bei einer 4–20 mA Stromschleife stehen z. B. typischerweise minimal 4 mA bei einer Eingangsspannung von ca. 12 V zur Verfügung. Um eine Leistungsanpassung im Feldgerät vornehmen zu können, muss die eingangsseitig zur Verfügung stehende Leistung erst bestimmt werden. Dies erfolgt über die Messung der Klemmenspannung und dem Wert des eingestellten Schleifenstroms.

Über einen parallelen Spannungsregler muss der überschüssige Schleifenstrom abgeleitet werden. Außerdem ist ein DC-DC-Schaltregler notwendig, um die Eingangsspannung an einem ungeregelten Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) konstant zu halten. Der Gleichspannungswandler dient zur Versorgung einer Verbrauchereinheit, die typischerweise aus einer CPU, einem Messverstärker und einem Sensor besteht. Der Gleichspannungswandler dient gleichzeitig auch zur galvanischen Trennung der Verbrauchereinheit von der 2-Leiter-Verorgungsspannung. Getaktete Wandler erlauben eine Gleichspannungswandlung mit einem relativ hohen Wirkungsgrad. Sie werden deshalb bei Feldgeräten häufig eingesetzt. Die bekannten Schaltungsanordnungen für Feldgeräte, die auch eine Leistungsanpassung erlauben, weisen mehrere Regler auf, die jeweils zu unerwünschten Verlusten führen. Außerdem sind die einzelnen Reglerschaltungen relativ aufwendig. Für eine Leistungsanpassung muss die eingangsseitig verfügbare Leistung zuerst aufwendig bestimmt werden. Anschließend muss diese Information an die Verbraucherschaltung übermittelt werden. Erst daraufhin kann eine Änderung des Energieverbrauchs eingeleitet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Schaltungsanordnung für Feldgeräte anzugeben, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist, die insbesondere einfach aufgebaut ist, die eine einfache Leistungsanpassung ermöglicht und die nur wenig Verlustleistung erzeugt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch folgende im Anspruch 1 angegebenen Merkmale:
Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik, bestehend aus einer Eingangsschaltung mit einem 2-Leiter-Anschluss, einem nachgeschalteten Gleichspannungswandler und einer Verbraucherschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung eine Modulatoreinheit aufweist, die mit einer Stromregelschaltung und dem Gleichspannungswandler verbunden ist und diesen so ansteuert, dass ein einstellbarer Gesamtstrom I_S vom 2-Leiter-Anschluß aufgenommen wird

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, zur Versorgung einen geregelten Gleichspannungswandler einzusetzen, der zur galvanischen Trennung dient und mit dem der von dem 2-Leiter aufgenommene Strom eingestellt werden kann. Auf der Verbraucherseite wird der überschüssige Strom gemessen. Er ist ein unmittelbares Maß für die dort zur Verfügung stehende Leistung. Durch einfache Minimierung des überschüssigen Stroms kann der Verbrauch auf der Verbraucherseite optimal angepasst werden. Durch die Schaltungsanordnung kann die eingangsseitig zur Verfügung stehende Leistung optimal eingesetzt werden.

Zur Signalübertragung (z. B. 4–20 mA-Signal) muss nur der Messwert von der Verbrauchereinheit an die Primärseite des Gleichspannungswandlers übertragen werden. Die Messung der eingangsseitig zur Verfügung stehenden Leistung ist nicht notwendig. Dadurch entfällt auch die Übertragung dieser Information von der Primärseite zur Verbraucherseite. Die Schaltungsanordnung weist im Prinzip nur einen Regler auf und erzeugt erheblich weniger Verluste als die bekannten Schaltungsanordnungen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 Blockschaltbild eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik und einer Empfangseinheit;
2a Schaltungsanordnung gemäß St. d. Technik;
2b Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;
3 Signalverlauf des Ausgangssignals eines in der Schaltungsanordnung gemäß 2. vorgesehenen Komparators;
In 1 ist ein Blockschaltbild eines Feldgeräts F1 der Automatisierungstechnik, und einer Empfangseinheit EE, näher dargestellt. Im vorliegenden Fall erfolgt die Verbindung zwischen Feldgerät F1 und Empfangseinheit EE über eine 2-Leiter-Stromschleife LS. Über diese kann ein Messwert, der von dem Feldgerät F1 aufgenommen wird, als 4–20 mA Stromsignal I_S an die Empfangseinheit EE übertragen werden.
Das Feldgerät F1 besteht im Wesentlichen aus einer Eingangsschaltung ES, einem Gleichspannungswandler G und einer Verbraucherschaltung VS. Der Gleichspannungswandler G sorgt für die galvanische Trennung zwischen dem primärseitigen Stromkreis und dem Verbraucherstromkreis auf der Sekundärseite.
In 2a ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung S für das Feldgerät F1 näher dargestellt. Sie weist einen 2-Leiter-Anschluss A für die Verbindung mit der 2-Leiter-Stromschleife LS auf. Der Anschluss A besteht aus zwei Eingangsklemmen EK1 und EK2. Eine Zuführleitung ZL1 führt von der Eingangsklemme EK1 zu einem Gleichspannungswandler G. Ebenfalls mit der Zuführleitung ZL1 ist ein Kondensator C1 verbunden. Von der Eingangsklemme EK2 führt eine Zuführleitung ZL2 über einen Messwiderstand R_Mess ebenfalls zum Gleichspannungswandler G. Der Messwiderstand R_Mess ist Teil einer Stromregelschaltung RS, die zusätzlich aus einem Widerstand R1 und einem nach geschalteten Operationsverstärker OP besteht.
Mit der Zuführleitung ZL1 ist außerdem einer Rechnereinheit RE verbunden, die z. B aus einem ASIC oder aber aus einem Mikroprozessor mit Speicherkomponenten und einer entsprechenden Peripherie bestehen kann.
Ein wesentlicher Bestandteil der Schaltungsanordnung S ist eine Modulatoreinheit M, der im aus einem Komparator K, einem Oszillator O und zwei Und-Gattern UG1, UG2 besteht. Der Ausgang des Komparators K und zwei Pulsausgänge PA1 und PA1 des Oszillators O sind jeweils mit den entsprechenden Eingängen der Und-Gatter UG1 bzw. UG2 verbunden. Die Und-Gatter UG1 und UG2 steuern jeweils einen Leistungstransistor T1 bzw. T2 an. Beide Leistungstransistoren T1, T2 sind in der Zuführleitung ZL2 vorgesehen.
Der Gleichspannungswandler G ist ein Gegentaktwandler und besteht typischerweise aus drei Spulen SP1, SP2, SP3, zwei Gleichrichterdioden D1, D2 einer Drosselspule L und einem Speicherkondensator C2. Der Ausgang des Gleichspannungswandlers G ist mit der Verbraucherschaltung VS verbunden. Die Verbraucherschaltung VS besteht hauptsächlich aus der eigentlichen Verbrauchereinheit VE (Sensor, Messverstärker und Mikroprozessor). Parallel zur Verbrauchereinheit VE sind eine Zenerdiode Z und ein Shuntwiderstand R_Shunt geschaltet.
In 2b ist eine herkömmliche Schaltungsanordnung S für das Feldgerät F1 näher dargestellt. Sie weist ebenfalls einen 2-Leiter-Anschluss A' für die Verbindung mit der 2-Leiter-Stromschleife LS auf. Der Anschluss A' besteht aus zwei Eingangsklemmen EK1' und EK2'. Eine Zuführleitung ZL1' füher von der Eingangsklemme EK1' über einen DC-DC-Schaltregler RG3 zu einem Gleichspannungswandler G'. Ebenfalls mit der Zuführleitung ZL1' ist ein Kondensator C1' verbunden. Vor dem Kondensator C1' ist ein Leistungstransitor T3 angeordnet, der als Stromregler RG1 dient und über eine Stromregelschaltung RS' angesteuert wird. Von der Eingangsklemme EK2' führt eine Zuführleitung ZL2' über einen Messwiderstand R'_Mess ebenfalls zum Gleichspannungswandler G'. Der Messwiderstand R'_Mess ist Teil der Stromregelschaltung RS', die zusätzlich aus einem Widerstand R1' und einem nachgeschalteten Operationsverstärker OP' besteht.
An der Zuführleitung ZL1' ist ebenfalls eine Rechnereinheit RE' angeschlossen. Die am 2-Leiter-Anschluss A anliegende Klemmenspannung U_in wird über einen Spannungsteiler UT der Rechnereinheit RE' zugeführt.
Ein Schalterpaar SP, das von einem Oszillator O' mit einer fest vorgegebenen Oszillatorfrequenz angesteuert wird, ist in der Zuführleitung ZL2 vorgesehen. Dem Schalterpaar SP ist der Gleichspannungswandler G' nachgeschaltet, der für eine galvanische Trennung zwischen dem primärseitigen Schaltungsteil und der Verbrauchereinheit VE' auf der Sekundärseite sorgt.
Mit der Zuführleitung ZL1' ist noch ein Spannungsregler RG2 verbunden. Der Spannungsregler RG2 ist ein Parallelregler, der überschüssigen Strom ableitet. Dem Spannungsregler RG2 ist der DC-DC-Schaltregler RG3 nachgeschaltet. Der Regler RG3 liefert an seinem Ausgang eine konstante Ausgangsspannung, die mit Hilfe des ungeregelten Gleichstromwandlers G' in die auf der Sekundärseite des Wandlers zur Verfügung stehende Versorgungsspannung von 5.5 V gewandelt wird.
Der getaktete Gleichspannungswandler G' besteht typischerweise aus drei Spulen SP1, SP2, SP3, dem eine Gleichrichterdiode D1 und ein Speicherkondensator C2 nachgeschaltet sind.
Wie aus 2b ersichtlich ist, sind zur Energieversorgung der Verbraucherschaltung VS' zwei zusätzliche Regler RG2 und RG3 notwendig. Die Schaltungsanordnung S' ist erheblich aufwendiger aufgebaut als die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung SE. Hier ist ein erheblich umfangreicheres „Powermanagement" notwendig. Außerdem muss die eingangsseitig zur Verfügung stehende Leistung über die Messung der Klemmenspannung ermittelt werden. Diese Information muss dann noch an die Verbrauchereinheit VE übermittelt werden, um dort eine Energieanpassung zu ermöglichen. Aufgrund der zusätzlichen Regler sind Leistungsverluste gegeben, die insbesondere bei 2-Leiter-Geräten unerwünscht sind.
Diese Nachteile werden durch die Erfindung überwunden.
Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher dargestellt. Der in der Zuführleitung ZL1 und ZL2 fließende Gesamtstrom I_S wird über die Modulatoreinheit M eingestellt. Zur Ansteuerung der Modulatoreinheit M dient die Stromregelschaltung RS, die als Istwert den Gesamtstrom I_S über den Spannungsabfall ΔU₁ am Messwiderstand R_Mess bestimmt. Das Ausgangssignal S1 der Rechnereinheit RE gibt den Sollwert des Gesamtstroms I_S vor. Über den Operationsverstärker OP wird die Differenz zwischen Differenz zwischen Sollwert und Istwert verstärkt und dem Eingang E1 des Komparators K zugeführt. Am zweiten Eingang des Komparators K liegt eine Referenzspannung an. Das Ausgangssignal des Komparators K ist in 3 für zwei unterschiedliche Gesamtstromwerte I_S dargestellt. Die Pulsbreite des Ausgangssignals S2 des Komparators K wird für kleine Werte des Gesamtstroms I_S relativ schmal und für größere Werte breit. Entsprechend der Pulsbreite des Ausgangssignals S2 des Komparators K werden die Pulse am Ausgang des Oszillators O zu den jeweiligen Transistoren T1 bzw. T2 durchgelassen.
Über die Stromregelschaltung RS und die Modulatoreinheit M kann in einfacher Weise der vom Feldgerät F1 über den 2-Leiter-Anschluss A aufgenommene Gesamtstrom I_S eingestellt werden. Es sind keine weiteren zusätzlichen Schaltungselemente notwendig. Die am 2-Leiter-Anschluss A zur Verfügung stehende Energie wird abgesehen von den Verlusten am Messwiderstand R_Mess quasi verlustlos zur Verbraucherschaltung VS übertragen.
Steht der Verbraucherschaltung VS mehr Energie zur Verfügung als verbraucht wird, so muss der überschüssige Strom I_Shunt über den Shuntwiderstand R_Shunt abgeführt werden. Der Spannungsabfall ΔU₂ am Shuntwiderstand R_Shunt ist dabei direkt proportional zu der in der Verbraucherschaltung VS zur Verfügung stehenden Leistung. Dieser Spannungsabfall kann ausgewertet werden, um ggfs. weitere Einheiten oder Funktionalitäten der Verbrauchereinheit VE einzuschalten, die einen erhöhten Energieverbrauch besitzen. Dadurch kann die zur Verfügung stehende Leistung optimal genutzt werden. Der überschüssige Strom wird verbraucherseitig abgeführt und wenn notwendig minimiert.
Der vom Sensor ermittelte Messwert wird galvanisch getrennt zur Rechnereinheit RE übertragen, die daraus den Sollwert S1 für den Gesamtstrom I_S ermittelt.
Die Erfindung erlaubt in einfacher Weise die Stromregelung und Leistungsanpassung eines Feldgeräts das über einer 2-Leiter-Stromschleife versorgt wird.
Mit nur einer geregelten Einheit, dem Gleichspannungswandler G, wird der von der 2-Leiter-Schleife LS aufgenommenen Gesamtstrom I_S eingestellt. Zusätzliche Spannungsregler können entfallen. Es ist kein aufwendiges Powermanagement notwendig. Die verfügbare Leistung kann direkt in der Verbraucherschaltung VS bestimmt und gegebenenfalls dort angepasst werden.
Die Erfindung eignet sich auch für Feldgeräte, die an ein Feldbussystem (z. B. Profibus, Foundation Fieldbus) angeschlossen werden oder die eine HART-Schnittstelle aufweisen. Über die Modulatoreinheit M kann auch hier der aufgenommene Gesamtstrom I_S eingestellt werden. Für die digitale Kommunikation sind zusätzliche Komponenten in der Schaltungsanordnung S notwendig, die der Fachmann kennt und die einfach zu integrieren sind. Bei Feldgeräten für Feldbussysteme ist zwar der Gesamtstrom I_S normalerweise konstant, trotzdem ist es vorteilhaft wenn er einstellbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann auch bei diesen Feldgeräten die Eingangsspannung optimal verwertet werden.

Claims

Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik, bestehend aus einer Eingangsschaltung mit einem 2-Leiter-Anschluss, einem nachgeschalteten Gleichspannungswandler und einer Verbraucherschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung ES eine Modulatoreinheit M aufweist, die mit einer Stromregelschaltung RS und dem Gleichspannungswandler G verbunden ist und diesen so ansteuert, dass ein einstellbarer Gesamtstrom I_S vom 2-Leiter-Anschluß A aufgenommen wird.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler G ein Gegentaktwandler ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulatoreinheit M einen Oszillator O mit zwei Pulsausgängen PA1 und PA2 aufweist, deren Pulse entsprechend dem Ausgangssignal eines Komparators K ausgeblendet werden und dadurch die Einstellung des Gesamtstroms I_S bewirken.
Schaltungsarordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtstrom I_S ein 4–20mA Signalstrom ist.
Schaltungsanodnung nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Feldgerät verwendet wird, das nach dem Profibus, Foundation Fielbus oder HART Standard arbeitet.