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EP4139753A1 - Feldgerät der automatisierungstechnik - Google Patents

Feldgerät der automatisierungstechnik

Info

Publication number
EP4139753A1
EP4139753A1 EP21720235.7A EP21720235A EP4139753A1 EP 4139753 A1 EP4139753 A1 EP 4139753A1 EP 21720235 A EP21720235 A EP 21720235A EP 4139753 A1 EP4139753 A1 EP 4139753A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
field device
current
device electronics
energy supply
electronics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21720235.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Gerwig
Christian Strittmatter
Bernd Strütt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4139753A1 publication Critical patent/EP4139753A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/05—Programmable logic controllers, e.g. simulating logic interconnections of signals according to ladder diagrams or function charts
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/10—Plc systems
    • G05B2219/13—Plc programming
    • G05B2219/13015—Semi automatic, manual automatic

Definitions

  • the invention relates to a field device in automation technology and a system in automation technology.
  • field devices are often used that are used to record and / or influence process variables.
  • Sensors such as level measuring devices, flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which detect the corresponding process variables level, flow rate, pressure, temperature, pH value and conductivity, are used to record process variables.
  • Actuators such as valves or pumps, via which the flow of a liquid in a pipe section or the level in a container can be changed, are used to influence process variables.
  • field devices are also understood to mean, in particular, remote I / Os, radio adapters or, in general, devices that are arranged on the field level.
  • a two-wire line ie a line with two separately formed wires
  • a higher-level unit for example a control unit PLC or control system.
  • the two-wire field devices are designed in such a way that the measurement or control values are communicated, ie transmitted, analogously as process variables via the two-wire line in the form of a 4-20 mA loop current or current signal.
  • a loop current of the two-wire line is set to a specific value by the field device or the superordinate unit in accordance with the recorded process variable.
  • the measuring range is mapped linearly to the 4-20 mA current signal.
  • the field devices are also supplied with energy via the two-wire line.
  • two-wire field devices In this case, one also speaks of two-wire field devices. Usually, a supply voltage between 10-35 V is applied to two-wire field devices. This means that the two-wire field device has a fault current of ⁇ 3.6 mA and a minimum input voltage of, for example
  • Field devices can also be connected via a three-wire line. This eliminates the need to restrict the supply of power, as is the case with the two-wire line.
  • field device electronics that are integrated into the field device during manufacture. This means that the field device manufacturers have to provide different field device electronics or variances depending on the operating requirements.
  • the object is achieved according to the invention by the field device of automation technology according to claim 1 and the system of automation technology according to claim 7.
  • the field device according to the invention in automation technology comprises at least: at least one first, second and third connection pin for the
  • the field device electronics which is set up to be able to be operated either in a two-wire operation or a three-wire operation, the field device electronics in two-wire operation via a A current is to be supplied to the two-wire line to be connected to the first and second connection pin and the field device electronics have a first data and / or energy supply path which leads the current internally from the first to the second connection pin, the field device electronics having an energy supply unit which is set up to to realize an internal energy supply exclusively through the supplied current in two-wire operation, with the field device electronics in three-wire operation being supplied with an additional auxiliary current via an additional single-wire line to be connected to the third connection pin, and the field device electronics having a second energy supply path that internally transfers the additional auxiliary current from the first to the leads third connection pin, wherein the energy supply unit is further set up to implement the internal energy supply by the supplied current and the supplied additional auxiliary current, whereby i the field device electronics (is also set up to use the additionally supplied auxiliary current for the internal energy supply only if the current supplied via the
  • a field device which can be operated both in two-wire and in three-wire operation.
  • This is made possible by an internal, uniformly designed field device electronics in the field device, which, depending on the operating requirements, is provided by three external connection pins either only with a two-wire line or, if necessary, with a cable. can also be contacted with a single-wire line. Due to the uniform design of the field device electronics as a combination circuit of two-wire and three-wire circuits, the variance of the field device electronics can be reduced, since only one field device electronics is required for both operating modes.
  • the field device electronics furthermore have a first and a second diode, the first diode being introduced into the first data and / or energy supply path in such a way that a cathode of the first diode is directed towards the electronics supply unit and wherein the second diode is introduced into the second energy supply path in such a way that a cathode of the second diode is also directed towards the electronics supply unit, so that in the event that a voltage applied to the cathode of the first diode falls below a specific voltage value, the second diode is switched on.
  • a further advantageous embodiment of the field device according to the invention provides that the field device electronics also have a galvanic separation introduced into the second energy supply path, which is designed to provide a potential-free output voltage after the galvanic separation and wherein the field device electronics are also designed in such a way that the potential-free output voltage of the Supply electronics supply unit.
  • the embodiment can provide that the field device electronics furthermore have a chopper which is introduced into the second energy supply path and which serves to convert a DC voltage applied on the input side into a square-wave AC voltage applied on the output side, and the field device electronics are also designed in such a way that the output-side AC voltage of the galvanic isolation to feed.
  • the embodiment can also provide that the field device electronics furthermore have a voltage regulator connected upstream of the chopper, which is designed to regulate a voltage across the first and third connection pin.
  • a further advantageous embodiment of the field device according to the invention provides that the field device electronics furthermore have a 4-20 mA current control unit and are designed in such a way that at least part of the current is passed through the 4-20 mA current control unit, the 4-20 mA current control unit being set up to to set the current according to a 4-20mA standard both in two-wire operation and in three-wire operation.
  • the invention further relates to a system of automation technology, at least comprising: - A field device of automation technology according to one of the preceding claims;
  • a two-wire line which connects a positive pole of the voltage source to the first connection pin with a first wire and a negative pole of the voltage source to the second connection pin with a second wire.
  • An advantageous embodiment of the system according to the invention provides that an external load resistor is introduced into the connection of the minus pole of the voltage source with the second connection pin.
  • Another advantageous embodiment of the system according to the invention also has a single-wire line which connects the minus pole of the voltage source to the third connection pin.
  • FIG. 1 shows a field device with field device electronics that are connected to a voltage source via two connection pins by means of a two-wire line
  • the field device with the field device electronics which is connected to a voltage source via three connection pins by means of a three-wire line.
  • the field device of automation technology 17 shown in FIGS. 1 and 2 comprises a uniformly designed internal field device electronics 16, via which an optional connection to a two-wire or a three-wire line is possible.
  • the field device electronics 16 are thus designed so that the field device 17 can be operated either as a two-wire or three-wire field device, depending on the circumstances or installation situation in an automation system.
  • the field device electronics 16 have at least three connection pins 1, 2, 3 via which either the two or Three-wire line can be connected.
  • the field device has, by way of example, four connection pins 1,
  • the field device electronics also include an EMC filter 5, which is connected downstream of the connection pins 1, 2, 3, 4 to protect the field device 17 from possible EMC interference, an electronics supply unit 6 for the internal energy supply, a microprocessor 7 for the internal control of the field device electronics 16, a sensor - Or actuator element 8 for detecting or setting a measurement or control value, a shunt resistor 9 and a 4-20 mA current control unit 10 which, together with the shunt resistor 9, sets or modulates a 4-20 mA current signal.
  • EMC filter 5 which is connected downstream of the connection pins 1, 2, 3, 4 to protect the field device 17 from possible EMC interference
  • an electronics supply unit 6 for the internal energy supply
  • a microprocessor 7 for the internal control of the field device electronics
  • a sensor - Or actuator element 8 for detecting or setting a measurement or control value
  • a shunt resistor 9 and a 4-20 mA current control unit 10 which, together with the shunt resistor 9, sets or modulates a 4-20 mA
  • the field device electronics 16 can include a display and / or input unit 11, for example in the form of a touch display. Via the display and / or input unit 11, for example, measured or set values can be displayed or the field device 17 can be parameterized.
  • the field device electronics 16 which are uniformly designed according to the invention, can be operated in different operating states.
  • the field device electronics 16 can be set up in which
  • FIG. 1 shows an example of a two-wire operation in which the
  • Field device electronics 16 is connected via a two-wire line 15 to an external voltage source 19 and an external load resistor 18 connected in series with the voltage source 19. In two-wire operation, the field device electronics 16 are connected to the outside of the via a first connection pin 1 and a second connection pin 2
  • Field device located voltage source 19 connected in order to supply a current.
  • the supplied current is used to communicate both the 4-20 mA current signal for the transmission of a measurement or control value and also enables an internal energy supply for the field device electronics.
  • the field device electronics In order to supply the current I supplied via the first connection pin 1 to the electronics supply unit 6, the field device electronics have a first data and / or energy supply path 6a (indicated by a thick line in FIG. 1), which connects the first connection pin 1 via the EMC filter 5 connects to the electronics supply unit 6.
  • Electronics supply unit 6 is set up to implement an internal energy supply through the supplied current I and the other internal electronic components, such as the display and / or input unit 11, the sensor or actuator element 8 and / or the microprocessor 7, with energy to supply. Furthermore, the supplied current I or the parts that are not routed to the internal shunt resistor 9 via the electronics supply unit are routed through further connection paths via the current control unit 10 and / or the microprocessor 7.
  • the current control unit 10 is set up to set the current in accordance with the 4-20 mA standard.
  • the field device is designed as a sensor, ie has a sensor element 8
  • a switchover unit 14 is provided which is configured in such a way that the current I coming from the shunt resistor 9 via a 4-20 mA output path 9a is conducted to the second connection pin 2.
  • the field device electronics 16 are connected to a minus pole of the voltage source 19 via an additional single-wire line 15c.
  • the single-wire line 15c is connected via a third connection pin 3 of the field device electronics 16.
  • the additional line 15c allows additional energy to be supplied to the field device electronics 16 via the first and third connection pins 1, 3.
  • the field device electronics 16 are designed to provide the additional energy available between the first and third connection pins 1, 3 as required to the other internal electronic components of the field device electronics when the energy that can be generated by the supplied current is not sufficient for the internal energy supply.
  • the field device electronics can be provided with an additional current for generating energy.
  • the field device electronics are designed in such a way that the additional current is rectified via a second energy path 6b (indicated by a thick line in FIG. 2), which serves as a pure energy path, and from the first connection pin to the energy supply unit and back again to the third connection pin to be led.
  • a rectifier 20 is introduced into the second energy path to rectify the additional current.
  • the field device electronics also include a Galvanic isolation 13 introduced into the second energy path, so that an output voltage after galvanic isolation is floating or floating and can be fed to the electronics supply unit 6, which is related to the ground of the field device electronics 16, for internal energy supply.
  • the difference in the voltage or the potential between the second and third connection pin can also fluctuate as a function of the external load 18 and / or the current provided by the 4-20 mA current control unit 10.
  • the field device electronics comprise a chopper 23, which serves to convert a DC voltage applied on the input side into a square-wave AC voltage applied on the output side, so that AC voltage on the output side can then be transformed via the electrical isolation 13.
  • the chopper 23, the rectifier 20 and the galvanic separation 13 can be implemented both as independent electronic components and in a single electronic component.
  • the field device electronics 16 can also have a voltage regulator 12 connected upstream of the chopper 23, which is designed to stabilize a voltage U present across the first and third connection pins 1, 3 so that it can be fed to the electronics supply unit 6 for power supply.
  • a voltage regulator 12 connected upstream of the chopper 23, which is designed to stabilize a voltage U present across the first and third connection pins 1, 3 so that it can be fed to the electronics supply unit 6 for power supply.
  • the field device electronics 16 includes a diode arrangement .
  • the diode arrangement consists of a first diode 21a, which is introduced into the first data and / or energy supply path 6 in such a way that a cathode of the first
  • Diode 21a is directed to the electronics supply unit 6 and a second diode 21b, which is introduced into the second energy supply path 6b in such a way that a cathode of the second diode 21b is also directed to the electronics supply unit 6, so that in the event that the cathode of the first diode applied stabilized voltage U falls below a specific voltage value Usp, the second diode 21b is or are switched on.
  • the specific voltage value Usp is dependent on the design or dimensioning of the field device electronics 16 and is essentially determined by the voltage U stabilized by the voltage regulator 12, the specific voltage value Usp being selected to be greater than the stabilized voltage U, ie Usp> U.
  • the specific voltage value Usp is usually greater than the stabilized voltage U by the forward voltage of the second diode.
  • the field device electronics can be dimensioned such that the operating voltage made available for the electronics supply unit 6
  • the stabilized voltage U of the voltage regulator is approx. 15 V and the specific voltage value is approx. 15.7 V, the second diode having a forward voltage of approx. 0.7 V.
  • the demand-dependent connection offers the advantage that the field device electronics can be reduced in temperature during operation with an active current output.
  • the field device electronics can have a fourth connection pin 4, in particular for communication purposes.
  • the field device electronics can be designed, for example, in such a way that digital communication, in particular IO-Link communication, is possible via the fourth connection pin 4.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Feldgerät der Automatisierungstechnik (17), wenigstens aufweisend: - zumindest einen ersten, zweiten und dritten Anschlusspin; - eine Feldgeräteelektronik (16) die dazu eingerichtet ist, wahlweise in einem Zweileiterbetrieb oder einem Dreileiterbetrieb betrieben werden zu können, wobei die Feldgeräteelektronik eine Energieversorgungseinheit (6) aufweist, die dazu eingerichtet ist, im Zweileiterbetrieb eine interne Energieversorgung ausschließlich durch den zugeführten Strom zu realisieren, wobei der Feldgeräteelektronik im Dreileiterbetrieb über eine an dem dritten Anschlusspin anzuschließende zusätzliche Eindrahtleitung (15c) ein zusätzlicher Hilfsstrom zuzuführen ist und die Energieversorgungseinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, die interne Energieversorgung durch den zugeführten Strom und den zugeführten zusätzlichen Hilfsstrom zu realisieren, wobei die Feldgeräteelektronik (16) ferner dazu eingerichtet ist, den zusätzlich zugeführten Hilfsstrom nur dann zur internen Energieversorgung zu verwenden, wenn der über die Zweidrahtleitung zugeführte Strom nicht zur internen Energieversorgung ausreicht.

Description

Feldgerät der Automatisierungstechnik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät der Automatisierungstechnik und ein System der Automatisierungstechnik.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessauto matisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevanten Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Diese sind historisch bedingt üblicherweise über eine Zweidrahtleitung, d.h. eine Leitung mit zwei separat ausgebildeten Adern, zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS bzw. Leitsystem, verbunden. Die Zweileiterfeldgeräte sind dabei derartig ausgebildet, dass die Mess- bzw. Stellwerte als Prozessvariable über die Zweidrahtleitung analog in Form eines 4-20 mA Schleifenstroms bzw. Stromsignals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Hierbei wird ein Schleifenstrom der Zweidrahtleitung entsprechend der erfassten Prozessgröße durch das Feldgerät bzw. die übergeordnete Einheit auf einen spezifischen Wert gestellt. Der Messbereich wird hierbei linear auf das 4-20 mA-Stromsignal abgebildet. Ferner werden die Feldgeräte auch über die Zweidrahtleitung mit Energie versorgt. In diesem Fall spricht man auch von Zweileiterfeldgeräten. Für gewöhnlich wird bei Zweileiterfeldgeräten eine Versorgungsspannung zwischen 10-35 V angelegt. Somit steht dem Zweileiterfeldgerät bei einem Fehlerstrom von < 3,6 mA und einer minimalen Eingangsspannung von z.B.
10 V eine maximale mögliche Versorgungsleistung von < 36 mW zur Verfügung.
Alternativ, in dem Fall, dass mehr Energie benötigt wird, als über die Zweidrahtleitung dem Feldgerät bereitgestellt werden kann, können die
Feldgeräte auch über eine Dreidrahtleitung angeschlossen werden. Hierdurch entfällt die Beschränkung der Zufuhr der Versorgungsleistung wie dies bei der Zweidrahtleitung der Fall ist. Um die unterschiedlichen Betriebsweisen (Zweidraht- bzw. Dreidrahtbetrieb) realisieren zu können, existieren unterschiedliche Feldgerätelektroniken, die bei der Fertigung des Feldgerätes in diese integriert werden. Dies bedeutet, dass die Feldgerätehersteller je nach Betriebswunsch unterschiedliche Feldgeräteelektroniken bzw. -Varianzen bereitstellen müssen.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie Fertigungsvarianzen reduziert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 1 und das System der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 7.
Das erfindungsgemäße Feldgerät der Automatisierungstechnik umfasst wenigstens: - zumindest einen ersten, zweiten und dritten Anschlusspin zum
Anschluss einer internen Feldgeräteelektronik an eine externe Spannungsquelle;
- die Feldgeräteelektronik die dazu eingerichtet ist, wahlweise in einem Zwei leiterbetrieb oder einem Dreileiterbetrieb betrieben werden zu können, wobei der Feldgeräteelektronik im Zweileiterbetrieb über eine an dem ersten und zweiten Anschlusspin anzuschließende Zweidrahtleitung ein Strom zuzuführen ist und die Feldgeräteelektronik einen ersten Daten- und/oder Energieversorgungspfad aufweist, der den Strom intern von dem ersten zu dem zweiten Anschlusspin führt, wobei die Feldgeräteelektronik eine Energieversorgungseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, im Zweileiterbetrieb eine interne Energieversorgung ausschließlich durch den zugeführten Strom zu realisieren, wobei der Feldgeräteelektronik im Dreileiterbetrieb über eine an dem dritten Anschlusspin anzuschließende zusätzliche Eindrahtleitung ein zusätzlicher Flilfsstrom zuzuführen ist und die Feldgeräteelektronik einen zweiten Energieversorgungspfad aufweist, der den zusätzlichen Hilfsstrom intern von dem ersten zu dem dritten Anschlusspin führt, wobei die Energieversorgungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, die interne Energieversorgung durch den zugeführten Strom und den zugeführten zusätzlichen Hilfsstrom zu realisieren, wobei die Feldgeräteelektronik (ferner dazu eingerichtet ist, den zusätzlich zugeführten Hilfsstrom nur dann zur internen Energieversorgung zu verwenden, wenn der über die Zweidrahtleitung zugeführte Strom nicht zur internen Energieversorgung ausreicht.
Erfindungsgemäß wird ein Feldgerät vorgeschlagen, das sowohl in einem Zwei- als auch in einem Dreidrahtbetrieb betrieben werden kann. Ermöglicht wird dies durch eine im Feldgerät interne einheitlich ausgebildete Feldgeräteelektronik, die je nach Betriebswunsch, durch drei nach außen geführte Anschlusspins entweder nur mit einer Zweidrahtleitung oder ggfl. zusätzlich noch mit einer Eindrahtleitung kontaktierbar ist. Durch das einheitliche ausbilden der Feldgeräteelektronik als Kombinationsschaltung von Zwei- und Dreidrahtschaltung, kann eine Varianz der Feldgeräteelektronik reduziert werden, da nur noch das Vorhalten einer Feldgeräteelektronik für beide Betriebsarten notwendig ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes sieht vor, dass die Feldgeräteelektronik ferner eine erste und eine zweite Diode aufweist, wobei die erste Diode derartig in den ersten Daten- und/oder Energieversorgungspfad eingebracht ist, dass eine Kathode der ersten Diode zur Elektronikversorgungseinheit gerichtet ist und wobei die zweite Diode derartig in den zweiten Energieversorgungspfad eingebracht ist, dass eine Kathode der zweiten Diode ebenfalls zur Elektronikversorgungseinheit gerichtet ist, sodass in dem Fall, dass eine an der Kathode der erste Diode anliegende Spannung unterhalb eines spezifischen Spannungswertes fällt, die zweite Diode leitend geschaltet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes sieht vor, dass die Feldgeräteelektronik ferner eine in den zweiten Energieversorgungspfad eingebrachte galvanische Trennung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine potentialfreie Ausgangsspannung nach der galvanischen Trennung bereitzustellen und wobei die Feldgeräteelektronik ferner derartig ausgebildet ist, die potentialfreie Ausgangsspannung der Elektronikversorgungseinheit zuzuführen. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Feldgeräteelektronik ferner einen in den zweiten Energieversorgungspfad eingebrachten Zerhacker aufweist, der dazu dient, eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in eine ausgangseitig anliegende rechteckförmige Wechselspannung zu wandeln, und die Feldgerätelektronik ferner derartig ausgebildet ist, die ausgangseitige Wechselspannung der galvanischen Trennung zuzuführen. Insbesondere kann die Ausgestaltung auch vorsehen, dass die Feldgeräteelektronik ferner einen dem Zerhacker vorgeschalteten Spannungsregler aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine über dem ersten und dritten Anschlusspin anliegende Spannung zu regeln.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes sieht vor, dass die Feldgeräteelektronik ferner eine 4-20mA Stromregelungseinheit aufweist und derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des Stroms über die 4-20mA Stromregelungseinheit geführt ist, wobei die 4-20mA Stromregelungseinheit dazu eingerichtet ist, sowohl im Zweidrahtbetrieb als auch im Dreidrahtbetrieb den Strom entsprechend einem 4-20mA Standard zu stellen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System der Automatisierungstechnik, wenigstens aufweisend: - ein Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
- eine außerhalb des Feldgerätes angeordnete Spannungsquelle;
- eine Zweidrahtleitung, die mit einer ersten Ader einen Plus-Pol der Spannungsquelle mit dem ersten Anschlusspin und mit einer zweiten Ader einen Minus-Pol der Spannungsquelle mit dem zweiten Anschlusspin verbindet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass ein externer Bürdenwiderstand in die Verbindung des Minus-Pols der Spannungsquelle mit dem zweiten Anschlusspin eingebracht ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist ferner eine Eindrahtleitung auf, die den Minus-Pol der Spannungsquelle mit dem dritten Anschlusspin verbindet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 : ein Feldgerät mit einer Feldgerätelektronik die über zwei Anschlusspins mittels einer Zweidrahtleitung an einer Spannungsquelle angeschlossen ist, und
Fig. 2: das Feldgerät mit der Feldgeräteelektronik die über drei Anschlusspins mittels einer Dreidrahtleitung an einer Spannungsquelle angeschlossen ist.
Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Feldgerät der Automatisierungstechnik 17 umfasst eine einheitlich ausgebildete interne Feldgeräteelektronik 16, über die ein wahlweiser Anschluss an eine Zwei- oder eine Dreidrahtleitung möglich ist. Die Feldgeräteelektronik 16 ist also dazu ausgebildet, dass das Feldgerät 17, je nach Gegebenheit bzw. Einbausituation in einer Automatisierungsanlage, entweder als Zweileiter- oder Drei leiterfeldgerät betrieben werden kann.
Zum Anschluss des Feldgerätes 17 weist die Feldgeräteelektronik 16 zumindest drei Anschlusspins 1 , 2, 3 auf, über die entweder die Zwei- oder Dreidrahtleitung anschließbar ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Feldgerät exemplarisch vier Anschlusspins 1,
2, 3, 4 auf. Ferner umfasst die Feldgeräteelektronik einen EMV Filter 5, der den Anschlusspins 1, 2, 3, 4 zum Schutz des Feldgerätes 17 vor möglichen EMV Störungen nachgeschaltet ist, eine Elektronikversorgungseinheit 6 zur internen Energieversorgung, einen Mikroprozessor 7 zur internen Steuerung der Feldgeräteelektronik 16, ein Sensor- oder Aktorelement 8 zum Erfassen oder Stellen eines Mess- bzw. Stellwertes, einen Shuntwiderstand 9 und eine 4-20mA Stromregelungseinheit 10 die zusammen mit dem Shuntwiderstand 9 ein 4-20mA Stromsignal stellt bzw. moduliert.
Ergänzend kann die Feldgeräteelektronik 16 ein Anzeige- und/oder Eingabeeinheit 11, bspw. in Form eines Touchdisplays umfassen. Über die Anzeige- und/oder Eingabeeinheit 11 können beispielsweise Mess- bzw. Stellwerte angezeigt werden oder eine Parametrierung des Feldgerätes 17 erfolgen.
Durch die erfindungsgemäß einheitlich ausgebildet Feldgeräteelektronik 16 lässt sich diese in unterschiedlichen Betriebszuständen betreiben. Zum einen kann die Feldgeräteelektronik 16 dazu eingerichtet sein, in dem
Zweileiterbetrieb betrieben zu werden und zusätzlich kann sie auch dazu eingerichtet sein bzw. werden, in einem Dreileiterbetrieb betrieben werden zu können. Fig. 1 stellt exemplarisch einen Zweileiterbetrieb dar, bei dem die
Feldgerätelektronik 16 über eine Zweidrahtleitung 15 mit einer externen Spannungsquelle 19 und einem zur Spannungsquelle 19 in Reihe geschalteten externen Bürdenwiderstand 18 verbunden ist. Im Zwei leiterbetrieb wird die Feldgerätelektronik 16 über einen ersten Anschlusspin 1 und einen zweiten Anschlusspin 2 mit der außerhalb des
Feldgerätes befindlichen Spannungsquelle 19 verbunden, umso einen Strom zuzuführen. Über den zugeführten Strom wird im Zweileiterbetrieb sowohl das 4-20 mA Stromsignal zur Übertragung eines Mess- bzw. Stellwerts kommuniziert als auch eine interne Energieversorgung der Feldgeräteelektronik ermöglicht. Um den über den ersten Anschlusspin 1 zugeführten Strom I der Elektronikversorgungseinheit 6 zuzuführen weist die Feldgeräteelektronik einen ersten Daten- und/oder Energieversorgungspfad 6a (in Fig. 1 durch eine dicke Linie gekennzeichnet) auf, der den ersten Anschlusspin 1 über das EMV-Filter 5 mit der Elektronikversorgungseinheit 6 verbindet. Die
Elektronikversorgungseinheit 6 ist dazu eingerichtet, durch den zugeführten Strom I eine interne Energieversorgung zu realisieren und die anderen internen elektronischen Komponenten, wie bspw. die Anzeige- und/oder Eingabeeinheit 11 , das Sensor- oder Aktorelement 8 und/oder den Mikroprozessor 7, mit Energie zu versorgen. Ferner wird der zugeführte Strom I bzw. der Teile der nicht über die Elektronikversorgungseinheit zu dem internen Shuntwiderstand 9 geleitet wird durch weitere Verbindungspfade über die Stromregelungseinheit 10 und/oder den Mikroprozessor 7 geführt. Die Stromregelungseinheit 10 ist dazu eingerichtet, den Strom entsprechend dem 4-20mA Standard zu stellen. Beispielsweise kann in dem Fall, dass das Feldgerät als Sensor ausgebildet ist, d.h. ein Sensorelement 8 aufweist, der Strom über die 4-20mA Stromregelungseinheit 10 zusammen mit dem Shuntwiderstand 9 entsprechend einer durch das Sensorelement erfassten Prozessgröße gestellt werden, umso an eine übergeordnete Einheit (nicht dargestellt in Fig. 1) übertragen zu werden. Um den Zweileiterbetrieb zu ermöglichen, ist eine Umschaltungseinheit 14 vorgesehen, die derartig konfiguriert ist, dass der von dem Shuntwiderstand 9 über einen 4-20mA Ausgangspfad 9a kommenden Strom I zu dem zweiten Anschlusspin 2 geführt wird.
Fig. 2 stellt exemplarisch einen Dreileiterbetrieb dar, bei dem die Feldgeräteelektronik 16 über eine zusätzliche Eindrahtleitung 15c mit einem Minus-Pol der Spannungsquelle 19 verbunden ist. Der Anschluss der Eindrahtleitung 15c erfolgt hierbei über einen dritten Anschlusspin 3 der Feldgeräteelektronik 16. Durch die zusätzliche Leitung 15c kann der Feldgeräteelektronik 16 über den ersten und den dritten Anschlusspin 1 , 3 zusätzlich Energie zugeführt werden. Erfindungsgemäß ist die Feldgeräteelektronik 16 dazu ausgebildet, die zusätzliche zwischen dem ersten und dem dritten Anschlusspin 1 , 3 zur Verfügung stehende Energie, bedarfsabhängig den anderen internen elektronischen Komponenten der Feldgeräteelektronik bereitzustellen, wenn die durch den zugeführten Strom erzeugbare Energie nicht zur internen Energieversorgung ausreicht.
Durch den zusätzlichen Anschluss des Minus-Pols der Spannungsquelle an den dritten Anschlusspin mittels der Eindrahtleitung kann der Feldgeräteelektronik ein zusätzlicher Strom zur Energiegewinnung bereitgestellt werden. Die Feldgeräteelektronik ist dabei derartig ausgebildet, dass der zusätzliche Strom über einen zweiten Energiepfad 6b (in Fig. 2 durch eine dicke Linie gekennzeichnet), der als reiner Energiepfad dient, gleichgerichtet und von dem ersten Anschlusspin zu der Energieversorgungseinheit und wieder zurück zu dem dritten Anschlusspin geführt wird. Zur Gleichrichtung des zusätzlichen Stroms ist ein Gleichrichter 20 in den zweiten Energiepfad eingebracht.
Da jedoch bei Anschluss der zusätzlichen Eindrahtleitung 15c zwischen dem dritten Anschlusspin 3 und dem Minus-Pol der Spannungsquelle 19 der dritte Anschlusspin gegenüber dem zweiten Anschlusspin spannungs- bzw. potentialmäßig tiefer als der schaltungstechnisch auf Masse gelegte zweite Anschlusspin liegt, umfasst die Feldgeräteelektronik ferner auch eine in den zweiten Energiepfad eingebrachte galvanische Trennung 13, sodass eine Ausgangsspannung nach der galvanischen Trennung erd- bzw. potentialfrei ist und der auf die Masse der Feldgerätelektronik 16 bezogenen Elektronikversorgungseinheit 6 zur internen Energieversorgung zugeführt werden kann. Die Differenz der Spannung bzw. des Potentials zwischen dem zweiten und dritten Anschlusspin kann zudem in Abhängigkeit der externen Bürde 18 und/oder dem durch die 4-20mA Stromregelungseinheit 10 gestellten Strom schwanken.
Ferner umfasst die Feldgeräteelektronik einen Zerhacker 23, der dazu dient, eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in eine ausgangseitig anliegende rechteckförmige Wechselspannung zu wandeln, sodass ausgangsseitige Wechselspannung anschließend über die galvanische Trennung 13 transformiert werden kann.
Der Zerhacker 23, der Gleichrichter 20 und die galvanische Trennung 13 können sowohl als eigenständige elektronische Komponenten als auch in einer einzigen elektronischen Komponente realisiert sein.
Optional kann die Feldgeräteelektronik 16 auch einen dem Zerhacker 23 vorgeschalteten Spannungsregler 12 aufweisen, der dazu ausgebildet ist, eine über dem ersten und dritten Anschlusspin 1 , 3 anliegende Spannung zu stabilisieren U, damit diese der Elektronikversorgungseinheit 6 zur Energieversorgung zugeführt werden kann.
Um die zusätzliche Energie bedarfsabhängig, d.h. nur dann, wenn die aus dem über die Zweidrahtleitung zugeführten Strom gewonnene Energie bzw. die stabilisierte Spannung U nicht ausreicht, um die internen Komponenten mit ausreichend Energie zu versorgen, verwenden zu können, umfasst die Feldgerätelektronik 16 eine Diodenanordnung. Die Diodenanordnung besteht aus einer ersten Diode 21a, die derartig in den ersten Daten- und/oder Energieversorgungspfad 6 eingebracht ist, dass eine Kathode der ersten
Diode 21a zur Elektronikversorgungseinheit 6 gerichtet ist und einer zweiten Diode 21b, die derartig in den zweiten Energieversorgungspfad 6b eingebracht ist, dass eine Kathode der zweiten Diode 21b ebenfalls zur Elektronikversorgungseinheit 6 gerichtet ist, sodass in dem Fall, dass die an der Kathode der erste Diode anliegende stabilisierte Spannung U unterhalb eines spezifischen Spannungswertes Usp fällt, die zweite Diode 21b leitend geschaltet ist bzw. sind. Der spezifische Spannungswert Usp ist dabei abhängig von der Auslegung bzw. Dimensionierung der Feldgeräteelektronik 16 und wird im Wesentlichen durch die von dem Spannungsregler 12 stabilisierte Spannung U festgelegt, wobei der spezifische Spannungswert Usp größer als die stabilisierte Spannung U gewählt wird, d.h. Usp > U. Üblicherweise ist der spezifische Spannungswert Usp um die Flussspannung der zweiten Diode größer als die stabilisierte Spannung U. Beispielsweise kann die Feldgeräteelektronik so dimensioniert sein, dass die für die Elektronikversorgungseinheit 6 als Betriebsspannung zur Verfügung gestellte stabilisierte Spannung U des Spannungsreglers ca. 15 V beträgt und der spezifische Spannungswert ca. 15,7 V, wobei die zweite Diode eine Flussspannung von ca. 0,7 V aufweist. Das bedarfsabhängige Zuschalten bietet den Vorteil, dass eine Erwärmung der Feldgeräteelektronik im Betrieb mit aktiven Stromausgang reduziert werden kann.
Ferner kann die Feldgeräteelektronik einen vierten Anschlusspin 4, insbesondere für Kommunikationszwecke, aufweisen. Die Feldgeräteelektronik kann beispielsweise derartig ausgebildet sein, dass über den vierten Anschlusspin 4 eine digitale Kommunikation, insbesondere eine IO-Link Kommunikation möglich ist.
Bezugszeichenliste
1 Erster Anschlusspin
2 Zweiter Anschlusspin
3 Dritter Anschlusspin
4 Vierter Anschlusspin
5 EMV-Filter
6 Elektronikversorgungseinheit
6a Erster Daten- und/oder Energieversorgungspfad
6b Zweiter reiner Energieversorgungspfad
7 Mikroprozessor
8 Sensor- oder Aktorelement
9 Interner Shuntwiderstand
9a 4-20mA Ausgangspfad
10 4-20mA Stromregelungseinheit 11 Anzeige- und/oder Ausgabeeinheit 12 Spannungsregler
13 Galvanische Trennung
14 Umschaltungseinheit
15 Zweidrahtleitung 15a Erste Ader der Zweidrahtleitung 15b Zweite Ader der Zweidrahtleitung 15c Zusätzliche Eindrahtleitung
16 Feldgeräteelektronik
17 Feldgerät der Automatisierungstechnik
18 Externe Bürde
19 Externe Spannungsquelle
20 Gleichrichter 21a Erste Diode 21b Zweite Diode21a 22 Verbindungspfade 23 Zerhacker U Stabilisierte Spannung Spezifischer Spannungswert

Claims

Patentansprüche
1. Feldgerät der Automatisierungstechnik (17), wenigstens aufweisend:
- zumindest einen ersten, zweiten und dritten Anschlusspin zum Anschluss einer internen Feldgeräteelektronik an eine externe Spannungsquelle (19);
- die Feldgeräteelektronik (16) die dazu eingerichtet ist, wahlweise in einem Zweileiterbetrieb oder einem Dreileiterbetrieb betrieben werden zu können, wobei der Feldgeräteelektronik im Zweileiterbetrieb über eine an dem ersten und zweiten Anschlusspin (1, 2) anzuschließende Zweidrahtleitung (15) ein Strom zuzuführen ist und die Feldgeräteelektronik (16) einen ersten Daten- und/oder Energieversorgungspfad (6a) aufweist, der den Strom intern von dem ersten zu dem zweiten Anschlusspin führt, wobei die Feldgeräteelektronik eine Energieversorgungseinheit (6) aufweist, die dazu eingerichtet ist, im Zweileiterbetrieb eine interne Energieversorgung ausschließlich durch den zugeführten Strom zu realisieren, wobei der Feldgeräteelektronik im Dreileiterbetrieb über eine an dem dritten Anschlusspin anzuschließende zusätzliche Eindrahtleitung (15c) ein zusätzlicher Flilfsstrom zuzuführen ist und die Feldgeräteelektronik (16) einen zweiten Energieversorgungspfad (6b) aufweist, der den zusätzlichen Hilfsstrom intern von dem ersten zu dem dritten Anschlusspin führt, wobei die Energieversorgungseinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, die interne Energieversorgung durch den zugeführten Strom und den zugeführten zusätzlichen Hilfsstrom zu realisieren, wobei die Feldgeräteelektronik (16) ferner dazu eingerichtet ist, den zusätzlich zugeführten Hilfsstrom nur dann zur internen Energieversorgung zu verwenden, wenn der über die Zweidrahtleitung zugeführte Strom nicht zur internen Energieversorgung ausreicht.
2. Feldgerät der Automatisierungstechnik nach Anspruch 1 , wobei die Feldgeräteelektronik ferner eine erste und eine zweite Diode (21a, 21 b) aufweist, wobei die erste Diode derartig in den ersten Daten- und/oder Energieversorgungspfad (6a) eingebracht ist, dass eine Kathode der ersten Diode zur Elektronikversorgungseinheit (6) gerichtet ist und wobei die zweite Diode derartig in den zweiten Energieversorgungspfad (6b) eingebracht ist, dass eine Kathode der zweiten Diode (21b) ebenfalls zur Elektronikversorgungseinheit (6) gerichtet ist, sodass in dem Fall, dass eine an der Kathode der erste Diode (21a) anliegende Spannung unterhalb eines spezifischen Spannungswertes fällt, die zweite Diode (21 b) leitend geschaltet ist.
3. Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldgeräteelektronik ferner eine in den zweiten Energieversorgungspfad (6a) eingebrachte galvanische Trennung
(13) aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine potentialfreie Ausgangsspannung nach der galvanischen Trennung (13) bereitzustellen und wobei die Feldgeräteelektronik (16) ferner derartig ausgebildet ist, die potentialfreie Ausgangsspannung der Elektronikversorgungseinheit (6) zuzuführen.
4. Feldgerät der Automatisierungstechnik nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Feldgeräteelektronik (16) ferner einen in den zweiten Energieversorgungspfad (6a) eingebrachten Zerhacker (23) aufweist, der dazu dient, eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in eine ausgangseitig anliegende rechteckförmige Wechselspannung zu wandeln, und die
Feldgerätelektronik (16) ferner derartig ausgebildet ist, die ausgangseitige Wechselspannung der galvanischen Trennung (13) zuzuführen.
5. Feldgerät der Automatisierungstechnik nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Feldgeräteelektronik (16) ferner einen dem Zerhacker
(23) vorgeschalteten Spannungsregler (12) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine über dem ersten und dritten Anschlusspin (1 , 3) anliegende Spannung zu stabilisieren. 6. Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldgeräteelektronik (16) ferner eine 4- 20mA Stromregelungseinheit (10) aufweist und derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des Stroms über die 4-20mA Stromregelungseinheit (10) geführt ist, wobei die 4-20mA Stromregelungseinheit (10) dazu eingerichtet ist, sowohl im Zweidrahtbetrieb als auch im Dreidrahtbetrieb den Strom entsprechend einem 4-20mA Standard zu stellen.
7. System der Automatisierungstechnik, wenigstens aufweisend: - ein Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
- eine außerhalb des Feldgerätes angeordnete Spannungsquelle (19);
- eine Zweidrahtleitung (15), die mit einer ersten Ader (15a) einen Plus- Pol der Spannungsquelle mit dem ersten Anschlusspin (1) und mit einer zweiten Ader (15b) einen Minus-Pol der Spannungsquelle (19) mit dem zweiten Anschlusspin (2) verbindet.
8. System der Automatisierungstechnik nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein externer Bürdenwiderstand (18) in die Verbindung des Minus-Pols der Spannungsquelle (19) mit dem zweiten Anschlusspin (2) eingebracht ist.
9. System der Automatisierungstechnik nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Eindrahtleitung (15c), die den Minus-Pol der Spannungsquelle (19) mit dem dritten Anschlusspin (3) verbindet.
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