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Die Erfindung betrifft Prozeßgeräte. Genauer gesagt, die Erfindung betrifft feldmontierte Prozeßsteuerungs- und -meßgeräte.
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Prozeßgeräte werden zur Messung und Steuerung von Industrieprozessen eingesetzt, wie z. B. zur Raffination von Petrochemikalien, zur Nahrungsmittelverarbeitung, Elektroenergieerzeugung und für eine Reihe weiterer Prozesse. Prozeßmeßgeräte weisen unter anderem Prozeßgrößengeber, die eine Prozeßgröße bzw. Prozeßvariable wie z. B. Druck oder Temperatur messen und die Meßgröße an eine Prozeßsteuereinheit übermitteln auf. Ein anderer Typ eines Prozeßgeräts ist ein Betätigungselement, wie z. B. eine Ventilsteuereinrichtung oder dergleichen. Im allgemeinen wird die Prozeßsteuerung unter Verwendung einer Kombination von Gebern, Betätigungselementen und einer Prozeßsteuereinrichtung ausgeführt, die über eine Prozeßsteuerschleife mit einer Steuereinrichtung in Verbindung steht. Beide Steuergerätetypen treten über Prozeßkopplungs- bzw. Prozeßschnittstellenelemente mit dem physikalischen Prozeß in Wechselwirkung. Prozeßschnittstellenelemente sind Vorrichtungen, die elektrische Signale in Beziehung zu physikalischen Prozeßbedingungen setzen und Geräte wie z. B. Sensoren, Endschalter, Ventilsteuereinrichtungen, Heizkörper, Motorschalter und eine Reihe anderer Geräte einschließen.
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Die Prozeßsteuereinrichtung ist typischerweise ein Mikrocomputer, der sich vom Prozeß entfernt in einer Steuerwarte befindet. Die Prozeßsteuereinrichtung kann Prozeßinformationen von einem oder mehreren Prozeßmeßgeräten empfangen und ein geeignetes Steuersignal an ein oder mehrere Prozeßsteuergeräte anlegen, um den Prozeß zu beeinflussen und dadurch zu steuern.
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Für die Ankopplung an den Prozeß sind Geber und Betätigungselemente im allgemeinen vor Ort in Prozeßnähe montiert. Durch eine solche physische Nähe können die Prozeßgeräte einer Menge umgebungsbedingter Probleme ausgesetzt werden. Zum Beispiel sind Prozeßgeräte oft extremen Temperaturwerten, Vibration, aggressiven und/oder entflammbaren Umgebungen und elektrischen Störungen ausgesetzt.
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Um derartigen Bedingungen standzuhalten, werden Prozeßgeräte spezifisch für Vorort- bzw. ”Feldmontage” konstruiert. Solche feldmontierten Geräte nutzen widerstandsfähige Kapselungen, die explosionsgeschützt konstruiert werden können. Ferner können feldmontierte Prozeßgeräte auch mit Schaltungen konstruiert werden, die man als ”eigensicher” bezeichnet, was bedeutet, daß sogar in Fehlerzuständen die Schaltung im allgemeinen nicht genug elektrische Energie enthält, um einen Funken oder eine Oberflächentemperatur zu entwickeln, die in Gegenwart einer gefährlichen Atmosphäre eine Explosion verursachen können. Ferner werden gewöhnlich elektrische Isolier- bzw. Entkopplungsverfahren angewandt, um die Auswirkungen elektrischer Störungen zu vermindern. Dies sind wenige Beispiele von Konstruktionsüberlegungen, die feldmontierte Prozeßgeräte von anderen Geräten unterscheiden, die Sensorcharakteristiken messen und Daten liefern, die derartige Charakteristiken anzeigen.
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Abgesehen von den oben angeführten Umgebungsbetrachtungen ist ein weiteres Problem für feldmontierte Geräte die Verkabelung. Da Prozeßgeräte in Prozeßnähe und fern von der Steuerwarte angebracht sind, werden für die Ankopplung solcher Geräte an die Steuerwarte oft lange Leiterverbindungen benötigt. Die Installation dieser langen Trassen ist kostspielig, und ihre Wartung ist schwierig.
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Eine Möglichkeit, die notwendige Verkabelung zu reduzieren, ist die Verwendung von Zweileiterprozeßgeräten. Diese Geräte werden unter Verwendung einer Zweileiter-Steuerschleife mit der Steuerwarte verbunden. Zweileitergeräte werden von der Prozeßsteuerschleife mit Strom versorgt und kommunizieren über die Prozeßsteuerschleife auf eine Weise, die im allgemeinen durch die Stromzufuhr zum Prozeßgerät nicht beeinflußt wird. Kommunikationsverfahren über Zweileiterkabel sind unter anderem die 4–20 mA-Signalgabe, das Highway Addressable Remote Transducer Protocol (HART®-Protokoll), der FOUNDATIONTM-Feldbus, Profibus-PA und andere. Obwohl Zweileiter-Prozeßsteuerungssysteme Vereinfachung bieten, liefern derartige Systeme eine begrenzte Elektroenergiemenge an angeschlossene Geräte. Zum Beispiel darf ein Gerät, das über 4–20 mA-Signalgabe kommuniziert, nicht mehr als 4 mA benötigen, da andernfalls der Stromverbrauch des Geräts die Prozeßgröße beeinflussen würde. Die sparsame Leistungsbilanz von Zweileiter-Prozeßgeräten hat traditionell die bereitstellbare Funktionstüchtigkeit begrenzt.
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Eine andere Methode, nach der die Prozeßsteuerungsindustrie die Feldverkabelung reduziert hat, ist die Bereitstellung von Gebern mit zwei Sensoreingängen. Derartige Geber verringern die Anzahl der Geber/Sensoren und senken dadurch die Verkabelungskosten sowie die Gesamtsystemkosten. Ein Beispiel eines solchen Gebers ist der Mehrfachtemperaturgeber, Modell 3244 MV, beziehbar von Rosemount Inc., Eden Prairie, Minn.
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Obwohl aktuelle Mehrfachgeber die Verkabelungskosten ebenso wie die Gesamtsystemkosten senken können, waren sie traditionell auf Anwendungen mit zwei Sensoren beschränkt. Daher wären beispielsweise bei Anwendungen mit sechzehn Sensoren noch acht Mehrfachgeber erforderlich. Wenn ferner unterschiedliche Sensorgruppen unabhängig geerdet werden, besteht die Möglichkeit, daß Erdschleifenfehler auftreten und die Prozeßmessung beeinträchtigen.
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Zu den aktuellen Verfahren, die zur Überwindung des Problems der Kopplung einer großen Anzahl von Sensoren an die Steuerwarte angewandt werden, gehört die direkte Ankopplung der Sensoren an die Steuerwarte. Wenn beispielsweise eine Situation eine große Anzahl von Temperatursensoren erfordert, entwickeln Verbraucher im allgemeinen ”direktverkabelte” Thermoelement-Konfigurationen, wobei der Thermoelementleiter die Distanz zwischen dem ”Meßpunkt” und der Steuerwarte überbrückt. Diese direktverkabelten Konfigurationen sind im allgemeinen billiger als die Erstellungskosten einer Anzahl von Einzel- oder Doppelsensorgeber, jedoch ist ein erheblicher Verkabelungsaufwand erforderlich und die Prozeßmessung wird wegen der langen Leiterverbindungen anfälliger für elektrische Störungen.
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Die Prozeßsteuerungsindustrie hat außerdem die Auswirkungen langer Leiterverbindungen auf die Prozeßsteuerung durch Bereitstellung von feldmontierten Geräten vermindert, die Steuerungsfunktionen ausführen können. Auf diese Weise werden einige Aspekte der Prozeßsteuerung in den Anwendungsbereich verlegt, wodurch die Reaktionszeit verkürzt, die Angewiesenheit auf die Hauptprozeßsteuereinrichtung verringert und eine größere Flexibilität bereitgestellt wird. Weitere Informationen über derartige Steuerungsfunktionen in einem feldmontierten Gerät sind zu finden in
US 5,825,664 A von Warrior et al. mit dem Titel ”Field-Mounted Control Unit” (Feldmontierte Steuereinheit).
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Obwohl Mehrfachgeber und Prozeßgeräte, die Steuerungsfunktionen implementieren, die Technik der Prozeßsteuerung vorangebracht haben, besteht nach wie vor ein Bedarf zur Anpassung von Anwendungen, die eine relativ große Zahl von Sensoren erfordern, sowie von Anwendungen, die eine verstärkte Steuerung vor Ort erfordern. Ein feldmontierbares Zweileiter-Prozeßgerät mit mehreren Kanälen für die Ankopplung an ein Prozeßschnittstellenelement wird in
US 6,574,515 B1 mit dem Titel ”Two-Wire Field-Mounted Process Device” (Feldmontiertes Zweileiter-Prozeßgerät) von William R. Kirkpatrick et al., erteilt am 3. Juni 2003 an Rosemount Inc., Eden Prairie, Minnesota, dargestellt und beschrieben und wird hier insgesamt einbezogen. Zudem wird auf das
US Patent 5,706,007 A verwiesen, das sich auf eine Konvertierungsvorrichtung zwischen einem 4–20 mA Analogsignalformat und einem digitalen Fieldbussignalformat bezieht. Schließlich wird auch auf die deutsche Patentanmeldung
DE 198 13 700 A1 verwiesen, die eine Eingangsschaltung für ein Feldgerät betrifft, bei dem über ein analoges Steuersignal bidirektionale Signale überlagert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist definiert in dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 1 sowie dem entsprechenden unabhängigen Verfahrensanspruch 18. Bevorzugte Ausführungen sind zudem in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein Gerät zur Verwendung in einem Prozeßsteuerungssystem weist ein erstes Paar elektrischer Anschlüsse auf, die für die Ankopplung an eine Zweileiter-Prozeßsteuerschleife konfiguriert sind, die einen Zweileiter-Prozeßgrößengeber enthält. Ein zweites Paar elektrischer Anschlüsse ist für die Ankopplung an einen Eingangskanal eines Prozeßgeräts mit mehreren Eingangkanälen konfiguriert. Ein elektrisches Bauelement ist zwischen einem ersten elektrischen Anschluß des ersten elektrischen Anschlußpaars und einem ersten elektrischen Anschluß des zweiten elektrischen Anschlußpaars in Reihe geschaltet.
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Das Bauelement dient zur digitalen Kommunikation mit dem Zweileiter-Prozeßgrößengeber.
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Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, die lediglich Beispiele darstellen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prozeßsteuerungssystems mit Verwendung eines feldmontierten Zweileiter-Prozeßsteuerungsgeräts.
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2 zeigt ein Systemblockschaltbild des in 1 dargestellten Prozeßgeräts.
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3 zeigt ein Schaltbild der elektrischen Schaltung zur Ankopplung an Eingänge des Geräts von 1.
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4 zeigt ein Schaltschema der elektrischen Schaltung zum Ankoppeln an das Prozeßgerät von 1.
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5 zeigt ein Schaltschema der elektrischen Schaltung zum Ankoppeln an das Prozeßgerät von 1.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prozeßsteuerungssystems 10, das eine Steuerwarte 12, eine Prozeßsteuerschleife 14 und ein Prozeßgerät 16 aufweist. Das Prozeßsteuerungssystem kann ein einziges Prozeßgerät aufweisen, das an die Steuerwarte 12 gekoppelt ist, jedoch kann das System 10 auch hunderte von Prozeßgeräten aufweisen, die über eine Anzahl von Prozeßsteuerschleifen an eine oder mehrere Steuerwarten gekoppelt sind.
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Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System, bei denen ein Prozeßgrößengeber an ein Zweileiter-Prozeßgerät gekoppelt ist, das mit der Steuerwarte 12 in Verbindung steht. 1 zeigt ein Schema, das ein feldmontierbares Prozeßgerät 16 darstellt, das über Signalumwandlungsgeräte (Signalumwandlungsvorrichtungen) 25 bzw. 31 mit Prozeßgrößengebern 24 bzw. 30 verbunden ist. Die Funktionsweise der Signalumwandlungsgeräte 25 und 31 wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
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Die Steuerwarte 12 ist eine typischerweise vom Prozessgerät 16 entfernt angeordnete Einrichtung, die einen Mikrocomputer enthält. Ein in der Steuerwarte 12 stationierter Anwender benutzt den Mikrocomputer, um über die Prozeßsteuerschleife 14 mit verschiedenen Prozeßgeräten in Dialog zu treten und steuert auf diese Weise den Prozeß bzw. die Prozesse von der Steuerwarte aus. Der Klarheit halber ist die Steuerwarte 12 als einzelner Block dargestellt. In bestimmten Ausführungsformen des Steuersystems kann jedoch die Steuerwarte 12 tatsächlich die Prozeßsteuerschleife 14 an ein globales Computernetz ankoppeln, wie z. B. das Internet, so daß Nutzer weltweit von einer herkömmlichen Webbrowser-Software aus auf das Prozeßgerät 16 zugreifen könnten.
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Die Schleife 14 ist eine Zweileiter-Prozeßsteuerschleife. Für die Kommunikation an der Schleife 14 existieren eine Anzahl von Zweileiter-Prozeßkommunikationsprotokollen, und es kann jedes geeignete Protokoll angewandt werden. Zum Beispiel können bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das HART®-Protokoll, das FOUNDATION®-Feldbusprotokoll und das Profibus-PA-Protokoll angewandt werden. Die Schleife 14 versorgt angeschlossene Prozeßgeräte mit Strom und sorgt dabei für Kommunikation zwischen den verschiedenen Geräten.
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In der vorliegenden Ausführungsform weist das Prozeßgerät 16 einen Deckel 17 und einen Sockel 19 auf, die vorzugsweise aus einem geeigneten Kunststoff konstruiert sind. Das Prozessgerät 16 ist vorzugsweise so angepaßt, daß es ausschließlich mit elektrischem Strom betrieben wird, den es über die Schleife 14 empfängt, und ist für Feldmontage eingerichtet. Die in 1 dargestellte Ausführungsform des Prozeßgeräts weist eine Anzahl von Eingängen und Ausgängen auf und enthält geeignete Rechenschaltungen (dargestellt in 2), um einen vom Anwender erstellten Steuerungsalgorithmus auszuführen. Der Algorithmus besteht aus einer Reihe logischer Anweisungen, die bestimmte Eingabeereignisse zu vom Prozessgerät 16 gesteuerten Ausgaben in Beziehung setzen. Der Anwender kann den Algorithmus entweder durch lokale Ankopplung an das Prozessgerät 16 oder durch Kommunikation mit dem Prozessgerät 16 über die Steuerschleife 14 ändern. Der Algorithmus kann unter Verwendung einer herkömmlichen Logikerstellungssoftware, wie z. B. Relay Ladder Logic und Sequential Function Charts (SFC), erstellt werden. In diesem Sinne kann das Prozessgerät 16 als feldmontierbare programmierbare Zweileiter-Logiksteuereinrichtung angesehen werden. Obwohl sich die Beschreibung auf die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform konzentriert, wird der Klarheit halber eine solche Beschreibung gegeben, da Ausführungsformen, die ausschließlich Eingänge oder Ausgänge verwenden, ausdrücklich mit betrachtet werden. Herkömmliche Geräte mit der Rechenleistung von Prozessgerät 16 könnten wegen untragbarer Leistungsbeschränkungen nicht an Zweileiter-Prozeßsteuerschleifen betrieben werden.
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In dieser Ausführungsform ist das Prozeßgerät 16 an die Sensoren 20, 22, 26 und 28, die Prozeßsteuerungsgeber 24 und 30, die Betätigungselemente 32 und 34 gekoppelt. Die Sensoren 20 und 22 sind Thermoelemente von bekanntem Typ, die mit verschiedenen Prozeßpunkten verbunden sind, um Spannungssignale zu liefern, die auf Prozeßgrößen an den entsprechenden Prozeßpunkten basieren. Außerdem sind Widerstandstemperaturfühler (RTDs) 26 und 28 mit verschiedenen Prozeßpunkten gekoppelt und liefern einen Widerstandswert, der auf der Prozeßtemperatur an den entsprechenden Prozeßpunkten basiert. RTD 26 ist über eine bekannte Dreileiterverbindung mit dem Prozessgerät 16 gekoppelt und veranschaulicht, daß bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedene Verkabelungskonfigurationen verwendet werden können. Die Betätigungselemente 32 und 34 sind mit dem Prozeßgerät 16 gekoppelt und betätigen geeignete Ventile, Schalter und dergleichen auf der Basis von Steuersignalen vom Prozessgerät 16. Wie oben erwähnt, kann das Prozessgerät 16 einen vom Anwender erstellten Steueralgorithmus ausführen, um bestimmte Eingabezustände zu bestimmten Ausgabebefehlen in Beziehung zu setzen. Zum Beispiel kann das Prozessgerät 16 eine Prozeßfluidtemperatur abtasten und veranlassen, daß das Betätigungselement 32 einen mit dem Prozeßfluid gekoppelten Heizkörper einschaltet, um die Fluidtemperatur auf einem gewählten Niveau zu halten.
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Prozeßgrößengeber 24 und 30 sind über Signalwandler 25 und 31 mit dem Prozessgerät 16 gekoppelt. Die Geber 24 bzw. 30 sind so konfiguriert, daß sie Prozeßgrößen mit den Sensoren 23 bzw. 29 abtasten, die an das in den Prozeßleitungen 27 bzw. 33 transportierte Prozeßfluid gekoppelt sind. Die Funktionsweise der Geber 24 und 30 und der Signalwandler 25 und 31 wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
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2 zeigt ein Systemblockschaltbild des in 1 dargestellten Geräts 16. Das Prozessgerät 16 weist ein Schleifenkommunikationsgerät 36, ein Netzteil 38, eine Steuereinrichtung 40 und Kanäle 42, 44, 46, 48 sowie einen Speicher 52 auf. Das Schleifenkommunikationsgerät 36 ist mit der Prozeßsteuerschleife 14 gekoppelt und für bidirektionale Datenübermittlung über die Schleife 14 eingerichtet. Das Schleifenkommunikationsgerät 36 kann eine bekannte Kommunikationseinrichtung aufweisen, wie z. B. die herkömmliche FOUNDATIONTM-Feldbus-Kommunikationssteuerung oder dergleichen. Zusätzlich kann das Schleifenkommunikationsgerät 36 geeignete Entkopplungsschaltungen aufweisen, um die Einhaltung der Eigensicherheitsspezifikation zu erleichtern, die im Factory Mutual Approval Standard (Gegenseitiger Werkgenehmigungsstandard) mit dem Titel ”Intrinsically Safe Apparatus and Associated Apparatus for Use in Class I, II and II, Division 1 Hazardous (Classified) Locations” (Eigensichere Vorrichtungen und damit verbundene Vorrichtungen zur Verwendung an (klassifizierten) Gefahrenstellen der Klassen I, II und III, Abteilung 1) Klassen-Nr. 3610, veröffentlicht im Oktober 1988, dargelegt sind.
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Das Netzteil 38 ist mit der Schleife 14 gekoppelt, so daß das Netzteil 38 alle Komponenten des Geräts 16 auf der Basis der von der Schleife 14 empfangenen Leistung mit Strom versorgt. Obwohl das Netzteil 38 einen einzelnen Pfeil 50 aufweist, der anzeigt, daß das Netzteil 38 alle Komponenten mit Strom versorgt, stellt man fest, daß dieser Strom mit mehreren Spannungen bereitgestellt werden kann. Zum Beispiel weist das Netzteil 38 vorzugsweise ein Schaltnetzteil auf, das Elektroenergie mit mehreren Spannungen liefert. So können einige Komponenten, wie z. B. die A/D-Wandler und die Entkoppler, eine höhere Spannung als 4,9 V aufnehmen, während leistungsarme Komponenten, wie z. B. die Steuereinrichtung 40, der Speicher 52 und das Schleifenkommunikationsgerät 36, eine niedrigere Spannung aufnehmen, wie z. B. 3,0 V. Außerdem ist das Netzteil 38 vorzugsweise so weit programmierbar, daß mindestens eine der bereitgestellten Spannungen variiert werden kann. Der wählbare Charakter des Netzteils 38 erleichtert die Energieverwaltung, die weiter unten in der Patentbeschreibung beschrieben wird.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 40 mit dem Speicher 52 gekoppelt und führt darin gespeicherte Programmanweisungen aus. Der Speicher 52 ist vorzugsweise ein leistungsarmer Speicher, der mit 3,0 V betrieben wird, wie z. B. das Modell LRS1331, beziehbar von Sharp Electronics. Außerdem kann der Speicher 52 ein ”Stapel”-Speicher sein, in dem sowohl ein Flash-Speicher als auch ein flüchtiger Speicher auf einem einzigen Speicherbaustein vorgesehen sind. Der vom Anwender erstellte Steuerungsalgorithmus, oder das von der Steuereinrichtung 40 ausgeführte ”Programm”, kann durch einen Anwender entweder durch lokale Ankopplung an das Prozessgerät 16 oder durch Zugriff auf das Prozessgerät 16 über die Schleife 14 verändert werden. In bestimmten Ausführungsformen weist das Programm Anweisungen auf, die Prozeßereignis-Eingaben in Beziehung zu Ausgaben setzen, die durch die Steuereinrichtung 40 festgelegt werden. In diesem Sinne funktioniert das Prozessgerät 16 ähnlich wie eine programmierbare logische Steuerung, d. h. ein Gerät, das typischerweise für die Feldmontage nicht robust genug gewesen ist und auch nicht mit den niedrigen Leistungen von Zweileiter-Feldgeräten betrieben werden konnte. Indem jedoch auf diese Weise die Funktionen einer programmierbaren logischen Steuerung bereitgestellt werden, können viel anspruchsvollere Prozeßsteuerungsalgorithmen über eine anwenderfreundliche Schnittstelle, wie z. B. eine Relay Ladder Logic oder dergleichen, implementiert werden.
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Die Steuereinrichtung 40 wird vom Baustein 38 mit Strom versorgt und kommuniniziert mit dem Schleifenkommunikationsgerät 36. Die Steuereinrichtung 40 enthält vorzugsweise einen Mikroprozessor niedriger Leistung, wie z. B. das Modell MMC 2075, beziehbar von Motorola, Inc., Schaumburg, IL. Außerdem weist die Steuereinrichtung 40 vorzugsweise eine wählbare interne Taktfrequenz auf, so daß die Taktfrequenz der Steuereinrichtung 40, und damit die Rechengeschwindigkeit und der Leistungsverbrauch, durch geeignete Befehle gewählt werden können, die dem Prozessgerät 16 über die Schleife 14 übermittelt werden. Da höhere Taktfrequenzen dazu führen, daß die Steuereinrichtung 40 mehr Leistung verbraucht, werden die Taktwahl der Steuereinrichtung 40 und die Wahl der vom Netzteil 38 für die Steuereinrichtung 40 bereitgestellte Spannung vorzugsweise im Tandem ausgeführt. Auf diese Weise sind Verarbeitungsgeschwindigkeit und Leistungsaufnahme des Geräts 16 wählbar und variieren zusammen.
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Die Steuereinrichtung 40 ist mit den verschiedenen Kanälen über den Schnittstellenbus 54 gekoppelt, der vorzugsweise ein für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation ausgelegter serieller Bus ist, wie z. B. eine Synchrone Peripherieschnittstelle (SPI). Die Kanäle 42, 44, 46 bzw. 48 sind mit dem Bus 54 über Kommunikationstrenner 56, 58, 60 bzw. 62 gekoppelt, die vorzugsweise bekannte optische Entkoppler sind, aber auch beliebige geeignete Entkoppelvorrichtungen sein können, wie z. B. Transformatoren oder Kondensatoren. In einigen Ausführungsformen liefern die Kanäle 42, 44, 46 und 48 Daten in paralleler Form, und zur Umsetzung der Daten zwischen serieller und paralleler Form werden Parallel-Serien-Umsetzer 64 eingesetzt. Vorzugsweise sind die Umsetzer 64 universell programmierbare Sender-Empfänger-Bausteine für asynchrone Datenübertragung (UART-Bausteine).
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In dieser Ausführungsform ist der Kanal 42 mit der Steuereinrichtung 40 gekoppelt und weist Sensoranschlüsse 1 – n, den Multiplexer (MUX) 66, den Analog/Digital-Wandler (A/D) 68, den Kommunikationsentkoppler 56 und den Leistungsentkoppler 70 auf. Es wird erwogen, den Kommunikationsentkoppler 56 und den Leistungsentkoppler 70 in einem einzigen Schaltkreis zu kombinieren. Der Kanal 42 ist speziell an die Messung eines bestimmten Sensortyps angepaßt, wie z. B. von Thermoelementen, Widerstandstemperaturfühlern, Dehnungsmeßfühlern, Drucksensoren, Gebern oder anderen Sensortypen. Jeder Sensoranschluß ist für die Ankopplung eines einzelnen Sensors, wie z. B. eines Thermoelements, an den Multiplexer 66 eingerichtet. Der Multiplexer 66 koppelt selektiv einen der Sensoren an den A/D-Wandler 68, so daß eine Charakteristik des Sensors (bei einem Thermoelement die Spannung) gemessen und über den Entkoppler 56 und den UART-Baustein 64 zur Steuereinrichtung 40 übermittelt wird. Die Stromversorgung erhält der Kanal 42 über den Leistungsentkoppler 70 vom Netzteil 38. Der Leistungsentkoppler 70 ist vorzugsweise ein Transformator, kann aber auch irgendein geeignetes Gerät sein. Der Fachmann wird erkennen, daß der Kommunikationsentkoppler 56 und der Leistungsentkoppler 70 zusammenwirken, um sicherzustellen, daß der Kanal 42 vom übrigen Prozessgerät 16 elektrisch getrennt ist.
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Der Kanal 48 ist dem Kanal 42 ähnlich, arbeitet aber im wesentlichen umgekehrt zum Kanal 46. Folglich werden serielle Informationen, die über den UART-Baustein zum Kanal 48 übermittelt werden, in Parallelform umgesetzt und über den Kommunikationsentkoppler 56 übermittelt, um Ausgangssignale für einzelne Betätigungselemente zu setzen. So werden Logiksignale zu den Anschlüssen mit den Bezeichnungen BETÄTIGUNGSELEMENT 1 – n übermittelt, um mit diesen Anschlüssen gekoppelte Betätigungselemente (nicht dargestellt) nach Wunsch ein- oder auszuschalten. Derartige Betätigungselemente können irgendwelche geeigneten Geräte sein, wie z. B. Ventilsteuereinheiten, Heizkörper, Motorschalter und irgendwelche anderen geeigneten Geräte. Im wesentlichen ist jedes durch ein Ausgangssignal vom Logiksignaltyp adressierbare Gerät ein Betätigungselement.
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Wie oben diskutiert, ist es in bestimmten Fällen wünschenswert, einen Prozeßgrößengeber, wie z. B. die Geber 24 oder 30, an Eingänge des Geräts 16 anzuschließen. Die Eingänge des Geräts 16 sind für den Empfang eines Spannungseingangssignals konfiguriert, beispielsweise eines Eingangssignals im Bereich von 20 bis 100 mV DC. Das Ausgangssignal eines Prozeßgrößengebers entspricht jedoch typischerweise einer anderen Norm, zum Beispiel einer 4–20 mA-Norm, nach der eine Prozeßgröße durch einen elektrischen Strom in einer Prozeßsteuerschleife dargestellt wird. Ein 4 mA-Signal kann einen niedrigen Wert der Prozeßgröße darstellen, während ein 20 mA-Signal einen hohen Wert der Prozeßgröße darstellen kann, oder andere Zustände, wie z. B. einen Alarmzustand.
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3 zeigt ein Schaltbild der elektrischen Schaltung 120 zur Verwendung beim Ankoppeln des Prozeßgrößengebers 24 an Eingänge des Geräts 16. Der Prozeßgrößengeber 24 ist mit einer Gleichstromquelle 122 und einem Widerstand 124 oder einer anderen Impedanz in Reihe geschaltet, um eine Prozeßsteuerschleife 126 zu bilden. Die Werte des Quelle 122 und des Widerstands 124 können passend gewählt werden, zum Beispiel 24 Volt bzw. 5 Ohm. In dieser Konfiguration, fällt die entsprechende Spannung am Widerstand 124 ab und liegt beispielsweise im Bereich von 20 mV bis 100 mV, da die Stromstärke über die Schleife 126 durch den Geber 24 gesteuert wird. Diese Spannung wird an Eingänge des Geräts 16 angelegt, wie oben diskutiert. Die Stromversorgung 122 liefert den Strom zum Betrieb des Gebers 24 und der Prozeßsteuerschleife 126.
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Ein Problem bei der in 3 dargestellten Schaltung 120 tritt beim Versuch einer digitalen Kommunikation mit dem Geber 24 auf. Zum Beispiel kann gemäß dem HART®-Standard ein Digitalsignal dem Gleichstrom in der Prozeßsteuerschleife 126 überlagert werden. Das Digitalsignal kann benutzt werden, um Daten zum Geber 24 zu senden oder Daten vom Geber 24 zu empfangen. Die Elemente in der Schaltung 126 bieten jedoch keine ausreichend hohe Impedanz für typische digitale Kommunikationsgeräte, die in der Prozeßsteuerungsindustrie für die Kommunikation mit dem Geber 24 verwendet werden. Zum Beispiel erfordern einige digitale Kommunikationsgeräte, die zusammen mit Prozeßsteuerschleifen eingesetzt werden, einen Anschluß an eine elektrische Komponente mit einer Impedanz zwischen 230 und 600 Ohm.
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4 zeigt ein Schaltschema einer Ausführungsform der elektrischen Schaltung 140, die der in 3 dargestellten Schaltung 120 ähnlich ist und einen Vorschaltwiderstand 142 enthält, der zwischen dem Geber 24 und dem Widerstand 124 in Reihe geschaltet ist. Dieser Vorschaltwiderstand 142 kann einen Widerstandswert von etwa 250 Ohm aufweisen und kann dazu dienen, einen ausreichenden Spannungsabfall für die digitale Kommunikation mit dem Geber 24 zu erzeugen. Zum Beispiel kann der Widerstand 142 einen Widerstandswert zwischen etwa 230 Ohm und 600 Ohm aufweisen. Beispielsweise erfordert eine HART®-Kommunikation eine Impedanz zwischen etwa 230 und 600 Ohm. Eine HART®-Kommunikationseinheit kann zum Beispiel an den Widerstand 142 oder den Geber 24 angeschlossen und zur digitalen Kommunikation mit dem Geber 24 benutzt werden. Genauer gesagt, ein digitales Kommunikationsgerät kann an die Anschlüsse 1 und 2 oder an die Anschlüsse 2 und 3 angeschlossen werden, wie in 4 dargestellt. Diese Konfiguration liefert ein Gerät 146 zur Verwendung in einem Prozeßsteuerungssystem, das zum Ankoppeln des Gebers 24 in einer Zweileiter-Prozeßsteuerschleife 126 an einen Eingangskanal eines Prozeßgeräts mit mehreren Eingangskanälen verwendet wird. Ein Beispiel eines Prozeßgeräts ist das oben diskutierte Prozeßgerät 16. Genauer gesagt, ein erstes Paar elektrischer Anschlüsse ist für die Ankopplung an die Zweileiter-Prozeßsteuerschleife 126 konfiguriert, die den Zweileiter-Prozeßgrößengeber 24 enthält. Das erste elektrische Anschlußpaar kann irgend zwei der in 4 dargestellten Anschlüsse 1, 2 und 3 aufweisen. Ein zweites Anschlußpaar 148, das durch die Anschlüsse 5 und 6 gebildet wird, ist für die Ankopplung an einen Eingang des Prozeßgeräts 16 konfiguriert. Mindestens ein elektrisches Bauelement ist zwischen einem der Anschlüsse des ersten oder zweiten elektrischen Anschlußpaars in Reihe geschaltet und zur Verwendung bei der digitalen Kommunikation mit dem Zweileiter-Prozeßgrößengeber 24 konfiguriert. In dem in 4 dargestellten konkreten Beispiel ist das elektrische Bauelement ein Widerstand, wie z. B. der Widerstand 142. Es kann jedoch ein beliebiges elektrisches Bauelement oder eine elektrische Baugruppe verwendet werden. Das Bauelement kann aktiv oder passiv sein und kann irgendeine nach Wunsch gewählte elektrische Charakteristik aufweisen.
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5 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer elektrischen Schaltung 160, die ein Prozeßgerät 162 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Das in 5 dargestellte Prozeßgerät 162 ist ähnlich dem in 4 dargestellten Gerät 146. Das Gerät 162 weist einen Schalter 164 auf, der parallel zu dem Widerstand 142 geschaltet ist. Wenn der Schalter 164 geschlossen wird, dann wird der Widerstand 142 elektrisch kurzgeschlossen und effektiv aus der Reihenschaltung mit der Prozeßsteuerschleife 126 entfernt. Außerdem weist die elektrische Schaltung 160 Anschlüsse 8 und 9 auf, die für Ankopplung des Geräts 162 an die Prozeßsteuerschleife 126 konfiguriert sind. Die Schaltung 160 funktioniert auf ähnliche Weise wie weiter oben bezüglich der 3 und 4 diskutiert und ermöglicht den Anschluß des Prozeßgrößengebers 24 an einen Eingang des Prozeßgeräts 16. Ferner ist die Schaltung 160 so konfiguriert, daß sie die Ankopplung eines digitalen Kommunikationsgeräts 166 an die Prozeßsteuerschleife 126 für die Kommunikation mit dem Geber 24 ermöglicht. Das Kommunikationsgerät 166 kann beispielsweise ein Handkommunikationsgerät aufweisen, wie z. B. ein Rosemount 275-Handkommunikationsgerät. Der Schalter 164 kann selektiv geschlossen werden, wenn das Gerät 162 in Konfigurationen verwendet wird, die keine digitale Kommunikation mit dem Geber 24 erfordern. Alternativ kann der Schalter 164 geschlossen werden, wenn das Gerät 162 in einer Konfiguration verwendet wird, in der eine Ersatzimpedanz an anderen, nicht in 5 dargestellten Komponenten in der Prozeßsteuerschleife 26 bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die durch solche anderen Elemente bereitgestellte Impedanz für die digitale Kommunikation mit dem Geber 24 benutzt werden. Die jeweilige Konfiguration und die für das Gerät 162 dargestellten Komponenten können nach Wunsch konfiguriert werden. Das Gerät 162 kann für den Anschluß eines Gebers 24 von dem Typ benutzt werden, der über eine Prozeßsteuerschleife auf Strombasis mit einem Prozeßgerät kommuniziert, das ein Eingangssignal auf Spannungsbasis benötigt. In einem weiteren Beispiel ist an der Schleife 126 ein Anzeigeelement aktiv, wie z. B. eine LED 170, das im Gerät 162 vorgesehen ist und anzeigt, ob die Stromversorgung 122 an der Schleife 126 in Betrieb ist. Die Stromversorgung 122 kann, wenn dies gewünscht wird, eine integrierte Komponente des Geräts 162 sein.
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Das Gerät 162 kann an jeden Prozeßgrößengeber von dem zur Erfassung einer Prozeßgröße eingesetzten Typ ankoppeln. Das Gerät 162 ermöglicht eine digitale Kommunikation mit dem Prozeßgrößengeber 24, so daß digitale Daten vom Geber 24 empfangen oder zum Geber 24 gesendet werden können. Dadurch kann der Geber 24 konfiguriert oder mit geeigneten Prozeßgeräten überwacht werden, wie z. B. mit einem Handkommunikationsgerät.
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Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, aber der Fachmann wird erkennen, daß Änderungen an Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Obwohl das elektrische Bauelement als zwischen die elektrischen Anschlüsse geschaltet dargestellt wird, kann eine digitale Kommunikation auch bereitgestellt werden, indem das Bauelement auf der anderen (negativen) Seite der Schleife angeordnet wird. Entsprechend liegt die Anordnung des elektrischen Bauelements in anderen Konfigurationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Obwohl eine 24 V-Stromversorgung dargestellt ist, kann die tatsächliche Stromversorgung nach Wunsch gewählt werden, zum Beispiel zwischen etwa 10 Volt DC und etwa 50 Volt DC.
