CN104578805A - 用于向自动化技术的现场设备供电的电路*** - Google Patents

用于向自动化技术的现场设备供电的电路*** Download PDF

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Abstract

一种用于向自动化技术的现场设备(F1)供电的电路***(S)，包括消耗器电路(VS)、直流电压转换器(G)和具有2线制连接(A)的输入电路(ES)。输入电路(ES)包括调制器单元(M)，其与电流调节电路(RS)和直流电压转换器(G)相连。调制器单元(M)这样控制直流电压转换器(G)，使得从2线制连接(A)获得可调的总电流(IS)。通过使用经调节的直流电压转换器(G)，能够优化向消耗器电路(VS)的电力传输。

Description

用于向自动化技术的现场设备供电的电路***
本申请是分案申请，其原案申请是国际申请日为2006年12月5日、国际申请号PCT/EP2006/069346的PCT申请，2008年6月27日进入中国国家阶段，国家申请号为200680049569.0。
技术领域
本发明涉及一种用于向自动化技术的现场设备供电的电路***。
背景技术
在自动化技术中，经常使用现场设备测量和/或影响过程变量。现场设备的例子有料位测量仪表、质量流量测量仪表、压力及温度测量仪表等，它们作为传感器检测相应的过程变量——料位、流量(例如流速)、压力及温度。
作为执行机构而影响过程变量的现场设备例如包括用于控制管段中液体流动的阀门或者用于控制容器中料位的泵。
Endress+Hauser公司制造并销售大量这种现场设备。
通常，现代制造工厂中的现场设备通过现场总线***(HART、Profibus、Foundation Fieldbus等)连接至上位单元(例如，控制***或控制单元)。这些上位单元用于过程控制、过程可视化、过程监控，以及用于诸如委托现场设备这样的任务。通常，“现场设备”的概念还涵盖直接连接至现场总线并用于与上位单元通信的单元(例如，远程I/O、网关、链路设备)。
许多现场设备可以2线制方式获得。在这种情况中，现场设备的供电与通信使用同一对导线实现。与2线制设备相反，4线制设备需要额外的导线对用于供电。这自然增加了布线工作。
在2线制仪表的情况中，可用的电力往往有某些限制。输入电压通常在10～36V之间变化。在4-20mA电流回路的情况中，通常在大约12V输入电压时例如通常有最小4mA可用。为了能够实现现场设备中的电力匹配，必须首先确定输入侧可用的电力。这是通过测量端电压以及已经设定的回路电流的值而完成的。
回路剩余电流必须通过并联的电压调节器排出。另外，DC-DC开关调节器是必需的，以将输入电压保持为未经调节的直流电压调节器(DC-DC转换器)常数。直流电压调节器用于向消耗器单元供电，消耗器单元通常由CPU、测量放大器和传感器构成。同时，直流电压调节器用于将消耗器单元与2线制供电电压流电隔离。钟控转换器允许以相对较高的效率进行直流转换。因此，它们通常用于现场设备。
已知的用于现场设备的电路***也允许电力匹配，具有多个调节器，它们导致不期望的损耗。另外，各个控制电路较为复杂。为了电力匹配，在输入侧可用的电力必须首先被复杂地确定。然后，这个信息必须被传递到消耗器侧。只有这样，才能够引入能量消耗的改变。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于现场设备的电路***，其不具有上述缺点，构造特别简单、能够简单地实现电力匹配、并且仅产生很少的电力损耗。
这个目的通过权利要求1给出的特征实现，如下：
用于向自动化技术的现场设备供电的电路***，包括具有2线制连接的输入电路、与其串联的直流电压转换器、和消耗器电路，其特征在于输入电路包括调制器单元，其与电流调节电路和直流电压转换器相连并这样控制直流电压转换器，使得从2线制连接接收可调的总电流IS。
从属权利要求中给出本发明的具有优点的进一步发展。
本发明的基本思想是为供电而使用经调节的直流电压转换器，其用于流电隔离并且利用它可以调节从2线制连接接收的电流。在消耗器侧，测量剩余电流。这是对于可用电力的直接测量。通过简单地将剩余电流最小化，可以最优地匹配消耗器侧的消耗。
通过电路***，可以最优地应用在输入侧上可用的电力。
对于信号传输(例如，4-20mA信号)，仅仅有测量值必须从消耗器单元传输至直流电压转换器的初级侧。在输入侧上可用的电力的测量并不是必需的。反过来，这种从初级侧到消耗器侧的信息传输也不是必需的。
原理上，电路***仅有一个调节器，并且与已知的电路***相比产生显著减少的损耗。
附图说明
现在根据附图中给出的实施例解释本发明，附图中：
图1是自动化技术的现场设备以及接收单元的框图；
图2a是本发明的电路***；
图2b是现有技术的电路***；
图3是在图2的电路***中提供的比较器的输出信号的时序图。
具体实施方式
图1显示了自动化技术的现场设备F1以及接收单元EE的框图。在当前情况中，现场设备F1和接收单元EE之间的连接通过2线制电流回路LS进行。由此，由现场设备F1获得的测量值可以作为4-20mA电流信号IS传输至接收单元EE。
现场设备F1主要由输入单元ES、直流电压转换器G和消耗器电路VS构成。
直流电压转换器G负责初级侧电路与次级侧消耗器电路之间的流电隔离。
图2a详细显示了用于现场设备F1的本发明的电路***S。其包括2线制连接A，用于与2线制电流回路LS连接。连接A由两个输入端EK1和EK2构成。供电线ZL1从输入端EK1引向直流电压转换器G。而且，供电线ZL1与电容C1相连。供电线ZL2同样从输入端EK2经由测量电阻RMess引向直流电压转换器G。测量电阻RMess是电流调节电路RS的一部分，后者还包括电阻R1和与其串联连接的运算放大器OP。
另外，计算单元RE与供电线ZL1相连，其可以例如由ASIC或者具有存储元件和相应***设备的微处理器构成。
电路***S的基本部件是调制器单元M，其由比较器K、振荡器O和两个与门UG1、UG2构成。比较器K的输出端和振荡器O的两个脉冲输出端PA1和PA2分别连接至与门UG1和UG2的相应输入端。与门UG1和UG2分别控制功率晶体管T1和T2。两个功率晶体管T1、T2在供电线ZL2中。
直流电压转换器G是推挽式转换器并且通常由三个线圈SP1、SP2、SP3、两个整流二极管D1、D2、扼流圈L和储存电容器C2构成。直流电压转换器G的输出端与消耗器电路VS相连。消耗器电路VS主要由实际的消耗器单元VE(传感器、测量放大器和微处理器)构成。齐纳二极管Z和旁路电阻RShunt与消耗器单元VE并联连接。
图2b显示了现有的用于现场设备F1的电路***S’。它也具有2线制连接A’用于与2线制电流回路LS相连。连接A’由两个输入端EK1’和EK2’构成。供电线ZL1’从输入端EK1’经由DC-DC开关调节器RG3引向直流电压转换器G’。同样与供电线ZL1’相连的是电容C1’。在电容C1’之前设置功率晶体管T3，其用作电流调节器RG1并且由电流调节电路RS’控制。供电线ZL2’同样从输入端EK2’经由测量电阻R′Mess引向直流电压转换器G’。测量电阻R′Mess是电流调节电路RS’的一部分，后者还包括电阻R1’和与其串联的运算放大器OP’。
同样，计算单元RE’连接至供电线ZL1’。处于2线制连接A上的端电压Uin经由分压器UT馈送至计算单元RE’。
在供电线ZL2中提供开关对SP，其由具有固定的预定振荡频率的振荡器O’控制。开关对SP串联直流电压转换器G’，其负责初级侧电路部分与次级侧消耗器单元VE’之间的流电隔离。
还有另一个电压调节器RG2与供电线ZL1’相连。电压调节器RG2是并联调节器，其引出剩余电流。电压调节器RG2与DC-DC开关调节器RG3串联。调节器RG3在其输出端发送恒定的输出电压，该输出电压借助于未经调节的直流电流转换器G’转换为在转换器次级侧可用的5.5V供电电压。
钟控的直流电压转换器G’通常由三个线圈SP1、SP2、SP3构成，其与整流二极管D1和储存电容器C2串联。
正如从图2b可以清楚地看到的，需要两个附加的调节器RG2和RG3用于向消耗器电路VS’供电。电路***S’具有比本发明的电路***SE复杂得多的结构，它需要复杂得多的“电力管理”。另外，必须通过测量端电压而确定输入侧可用的电力。然后，这个信息还必须传输至消耗器单元VE，以能够实现能量匹配。由于附加的调节器，导致了电力损耗，这特别是在2线制仪表中是不期望的。
这些缺点由本发明克服。
现在详细解释本发明的功能。通过调制器单元M设定在供电线ZL1和ZL2中流动的总电流IS。用于控制调制器单元M的是电流调节电路RS，其通过在测量电阻RMess两端的电压降ΔU1而确定总电流IS作为实际值。计算单元的输出信号S1提供了总电流IS的期望值。通过运算放大器OP，期望值与实际值之间的差被放大并馈送至比较器K的输入端E1。在比较器K的第二输入端的是参考电压。在图3中显示了对于两个不同的总电流值IS，比较器K的输出信号。比较器K的输出信号S2的脉宽对于较小的总电流值IS较窄，而对于较大值则较宽。相应于比较器K的输出信号S2的脉宽，在振荡器O的输出端的脉冲能够经过各晶体管T1或T2。
由现场设备F1通过2线制连接A接收的总电流IS可以以简单的方式通过电流调节单元RS和调制器单元M调节。不需要其它附加的电路元件。在2线制连接A可用的能量被传递到消耗器电路VS，除了在测量电阻RMess处的损耗之外几乎没有损耗。
如果消耗器电路VS可用的能量比消耗的多，那么必须通过旁路电阻RShunt引走剩余电流IShunt。在这种情况中，旁路电阻RShunt两端的电压降ΔU2与消耗器电路VS中可用的电力成正比。这个电压降可以被使用，以接通消耗器单元VE的具有增加的能量消耗的其它单元或功能。以这种方式，能够优化使用可用的电力。剩余电流在消耗器侧被引走，并且如果需要则被最小化。
由传感器确定的测量值被流电隔离地传输至计算单元RE，后者由此确定总电流IS的期望值S1。
本发明以简单的方式实现电流控制以及通过2线制电流回路供应的现场设备的电力匹配。
从2线制回路LS接收的总电流IS仅仅由一个调节单元，即直流电压转换器G调节。
可以省略附加的电压调节器。不需要复杂的电力管理。可用的电力可以在消耗器电路VS直接确定并且根据需要而匹配。
本发明适用于连接至现场总线***(例如，Profibus、FoundationFieldbus)或具有HART接口的现场设备。在这种情况中，接收的总电流IS还可以通过调制器单元M调节。于是在电路***S中需要附加的部件用于数字传输，它们对于本领域技术人员是已知的并且能够容易地集成。
尽管在用于现场总线***的现场设备的情况中，总电流IS通常是恒定的，但是具有优点的是它是可调的。而且，在这些现场设备的情况中，能利用本发明的电路***够被最优地使用输入电压。
2线制连接 A，A′
2线制电流回路 LS
输出信号 S1，S2
DC-DC开关调节器 RG3
DC-DC开关调节器 RG3
扼流圈 L
输入端 EK1/EK2，EK1′/EK2′
输入电路 ES
接收单元 EE
现场设备 F1
整流二极管 D1，D2
直流电压转换器 G，G′
比较器 K
电容 C1，C1′
功率晶体管 T1，T2，T3
导线 L1，L2
测量电阻 RMESS
测量电阻 RMess，RMess′
调制器单元 M
运算放大器 OP，OP′
振荡器 O
脉冲输出端 PA1，PA2
计算单元 RE，RE′
开关对 SP
电路*** S
旁路电阻 RShunt
电压调节器 RG2
分压器 UT
储存电容器 C2
线圈 SP1，SP2，SP3
电流调节电路 RS，RS′
电流调节器 RG1
电流信号 IS
与门 UG1，UG2
消耗器单元 VE，VE′
消耗器电路 VS
电阻 R1，R1′
齐纳二极管 Z
供电线 ZL1，ZL2，ZL1′，ZL2′

Claims (9)

1.用于向自动化技术的现场设备供电的电路***，包括：
具有2线制连接的输入电路；
与所述输入电路串联连接的直流电压转换器；以及
消耗器电路，
其中，所述输入电路包括调制器单元，该调制器单元与电流调节电路相连并与所述直流电压转换器相连，并且，该调制器单元控制所述直流电压转换器，使得通过所述2线制连接接收可调的总电流(IS)，
其中，所述消耗器电路设有旁路电阻(RShunt)，其中所述旁路电阻两端的电压降(ΔU2)与所述消耗器电路中可用的电力成正比。
2.根据权利要求1所述的电路***，其中，所述消耗器电路设有实际消耗器单元和包括所述旁路电阻(RShunt)的旁路调节单元，其中该旁路调节单元与所述实际消耗器单元并联连接。
3.根据权利要求1所述的电路***，其中，所述电压降(ΔU2)可被使用以接通所述实际消耗器单元的其它单元或功能。
4.根据权利要求1所述的电路***，其中，剩余电流在消耗器侧被引走，并且如果需要则被最小化。
5.根据权利要求1所述的电路***，其中所述直流电压转换器是推挽式转换器。
6.根据权利要求1所述的电路***，其中所述总电流是4-20mA信号电流。
7.根据权利要求1所述的电路***，所述电路***用于根据Profibus、Foundation Fieldbus或HART标准工作的现场设备中。
8.根据权利要求1所述的电路***，其中，所述电流调节电路用于调节所述调制器单元，其确定所述总电流(IS)的实际值。
9.根据权利要求1所述的电路***，其中，所述调制器单元包括具有两个脉冲输出端的振荡器，该振荡器的脉冲宽度与比较器的输出信号相应并因而实现总电流(IS)的调节。
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