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Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Anbindung an ein Feldbus-System mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
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Feldbus-Systeme sind in der industriellen Mess- und Automatisierungstechnik seit langem bekannt, um von einer zentralen Leitwarte aus mit Feldgeräten für verschiedenste Funktionen, wie beispielsweise Regler, Stellglieder oder Messumformer, über einen Bus zu kommunizieren. Diese Feldgeräte weisen die üblichen Funktionskomponenten auf, wie beispielsweise Prozessoren, verschiedene Speichereinheiten, wie RAM- oder Flash-Speicher und einen Bus-Controller. Diese Funktionskomponenten werden hier summarisch unter der Bezeichnung „Feldgeräte-Basiseinheit” zusammengefasst.
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Aus der
EP 2 166 430 A1 ist eine Busanschaltung zur Ankopplung eines Feldgerätes an einen Feldbus bekannt, die einen Schaltkreis zum Senden und Empfangen von Datenbussignalen sowie zur Erzeugung von wenigstens einer geregelten Betriebsspannung aufweist. Letztere wird aus einer den Feldbus versorgenden Busspannung erzeugt Dabei ist ein steuerbarer Widerstand zur Erzeugung einer weiteren Betriebsspannung vorgesehen, indem Schaltungsmitteln den steuerbaren Widerstand in Abhängigkeit der Busspannung derart ansteuern, dass die Eingangsspannung des Schaltkreises auf dessen mindestens notwendige Versorgungsspannung geregelt und dem Feldgerät die Summe aus der geregelten Betriebsspannung und der weiteren Betriebsspannung als Versorgungsspannung zugeführt wird.
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Zur Anbindung des Feldgerätes an das Feldbus-System ist ein Schnittstellen-Baustein vorgesehen, der den Bus-Belastungsstrom regelt, die Bus-Signalübertragung steuert und die Versorgungsenergie für das Feldgerät bereitstellt. Im Zusammenhang mit den zwischenzeitlich als Standard durchgesetzten Bus-Systemen mit der Bezeichnung „Profibus PA” oder „FF H1-Bus” für die Feldbus-Kommunikation fand auch eine Normung der Schnittstellen zwischen Feldgerät und Bus statt. Verbreitete Anwendung findet hierbei der von der Firma Siemens AG vertriebene Interface-Baustein SIM 1 bzw. SIM 1–2, der die physikalische Grundlage der Busansteuerung leistet und dementsprechend die vorgenannten Funktionen des Schnittstellen-Bausteins erfüllt. Informationen dazu sind der Firmenschrift „SIEMENS AG, Automation and Drives: SIMATIC NET ASIC SIM 1–2 Funktionshandbuch, Ausgabe 02/2007, 90327 Nürnberg – Copyright 2007, Seiten 1–62” zu entnehmen.
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Ein grundsätzliches Problem bei Feldbus-Systemen stellt die Höhe der bereitgestellten Versorgungsenergie durch den Schnittstellen-Baustein dar, die durch die Höhe des einstellbaren Bus-Belastungsstromes vorgegeben ist. Die Gesamtstrombelastung des Busses ist besonders bei der Profibus-PA (Prozess-Automation), die für eigensichere Felgeräte in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt wird, begrenzt. Die maximale Gesamtbelastung des Bussegementes und der eingestellte Busbelastungsstrom des Feldgerätes bestimmt daher die maximale Anzahl der Feldgeräte, die an diesem Bussegment anschließbar sind. Es ist daher anzustreben bei möglichst geringer Busbelastung eine möglichst hohe Versorgungsenergie für das Feldgerät zu gewinnen.
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Die Busspannung ist in einem Bereich von 9...32 V zugelassen. Der im Folgenden beispielhaft herangezogene Interfacebaustein SIM 1 bzw. SIM 1–2 stellt unabhängig von der Höhe dieser Busspannung die Versorgungsenergie für das Feldgerät zur Verfügung. Das bedeutet, dass das Schaltungskonzept des Interfacebausteins für die Versorgungsenergie auf die minimale Busspannung von 9 V ausgerichtet ist. Eine höhere Busspannung und damit höhere zur Verfügung stehende Energie, bleibt für die Geräteversorgung ungenutzt. Im typischen Fall liegt die Busspannung zwischen 12 und 13 V. Ein großer Teil der Energie geht an einem ebenfalls zur Grundbeschaltung des Schnittstellen-Bausteins gehörenden Steuertransistor verloren, der den gesamten Busstrom sowie das Sendesignal steuert. Dieser Transistor liegt mit seinen Spannungen zwischen der Busspannung und der vom Schnittstellen-Baustein begrenzten Spannung von 6,4 V. Diese Spannung stellt die Versorgungsspannung für den Interfacebaustein selbst und einen internen Spannungsregler (5 V) für die Feldgeräte-Versorgungsenergie dar.
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Gerade bei Bus-gespeisten Feldgeräten bedingt die begrenzte Versorgungsenergie erhebliche Restriktionen, die bereits auf ausgesprochene Basisfunktionen des Feldgerätes, wie beispielsweise eine Skalenbeleuchtung, negative Auswirkungen haben.
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Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, dass zusätzliche Versorgungsenergie für das Feldgerät zur Verfügung gestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst, wonach eine Zusatzschaltung zwischen Steuertransistor und Schnittstellen-Baustein zur Konstanthaltung der Emitter-Kollektor-Spannung des Steuertransistors unabhängig von der Bus-Spannung vorgesehen ist, wobei die aus der Differenz-Spannung zwischen der Bus-Spannung und der konstanten Emitter-Kollektor-Spannung gewonnene Energie als Zusatz-Versorgungsenergie für das Feldgerät abgezweigt wird.
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Der Kerngedanke der Erfindung liegt also darin, den im Stand der Technik unnötig hohen Spannungsabfall an dem Steuertransistor des Feldgerätes auf ein geringes Maß zu reduzieren und die dadurch gewonnene Spannung als zusätzliche Energie nutzbar zu machen.
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Vorzugsweise weist die Zusatzschaltung zur galvanisch entkoppelten Abzweigung der Zusatz-Versorgungsenergie dabei einen Übertrager auf, mit dem die galvanische Trennung der zusätzlichen Energieversorgung gewährleistet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Zusatzschaltung in Reihe zu dem Steuertransistor geschaltet, wobei dessen Emitter-Kollektor-Spannung als Basisgröße konstant gehalten ist, wodurch die im Steuertransistor anfallende Verlustleistung entsprechend begrenzt ist. Die so verbleibende Differenzspannung zu der Bus-Spannung abzüglich dieser vorzugsweise etwa 2 V am Steuertransistor und der Versorgungsspannung für den Schnittstellen-Baustein selbst von beispielsweise 6,4 V kann als zusätzlich verfügbare Energie genutzt werden.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf die schaltungstechnische Ausgestaltung der Zusatzschaltung. Deren Merkmale, Einzelheiten und Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen entnehmbar. Es zeigen:
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1 eine diagrammartige Darstellung eines Feldgerätes,
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2 ein Detaildiagramm eines an einen Bus angeschlossene Schnittstellen-Bausteins des Feldgeräts gemäß 1 mit einer blockartig dargestellten Zusatzschaltung, und
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3 eine diagrammartige Darstellung analog 2 mit den Schaltungsdetails der Zusatzschaltung.
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1 zeigt ein beispielhaftes Feldgerät mit verschiedenen, die Basiseinheit 1 bildenden Komponenten, wie dem eigentlichen Prozessor 2 des Feldgerätes, einem lokalen RAM-Speicher 3, eine entsprechenden Flash-Speicher 4 und einem PROFIBUS-Kontroller 5, die alle an einen internen Bus 6 des Feldgerätes angeschlossen sind.
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Ferner ist ein Schnittstellen-Baustein 7 in dem Feldgerät vorgesehen, wie er beispielsweise von der Siemens AG unsere Bezeichnung SIM 1 oder SIM 1–2 angeboten und handelsüblich ist. Dieser Schnittstellen-Baustein 7 leistet die physikalische Grundlage der Busansteuerung, insbesondere regelt er den Bus-Belastungsstrom, steuert die Bus-Signalübertragung und stellt über den Versorgungsenergie-Ausgang 8 die Versorgungsenergie für die einzelnen Komponenten 2, 3, 4, 5 des Feldgerätes zur Verfügung.
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Die Anbindung des Schnittstellen-Bausteins 7 an den Bus 9 ist den 2 und 3 näher dargestellt. So ist der Schnittstellen-Baustein 7 über einen Steuertransistor T1 an den Bus 9 angebunden, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der Emitter mit dem Bus 9 in Verbindung steht. Wie nicht dargestellt ist, besteht beim Stand der Technik eine direkte Verbindung zwischen dem Kollektor des Steuertransistors T1 und dem Versorgungseingang 13 des Schnittstellen-Bausteins 7, wobei der Steuertransistor T1 über seinen Basisanschluss so vom Schnittstellen-Baustein 7 angesteuert wird, das letzterer mit einer Eingangsspannung UEN von beispielsweise 6,4 V versorgt wird. Von dieser Spannung werden für den Betrieb des Schnittstellen-Bausteins 7 etwa 6,4 V benötigt, davon werden 5 V über eine aus dem Stand der Technik bekannte, – anders als in 2 dargestellt – in den Schnittstellen-Baustein integrierte Ausgangsschaltung 11 galvanisch entkoppelt am Versorgungsenergie-Ausgang 8 zur Verfügung gestellt.
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Neben dieser Ausgangsschaltung 11 ist nun gemäß der Erfindung noch eine Zusatzschaltung 12 zwischen dem Steuertransistor T1 und dem Schnittstellen-Baustein 7 vorgesehen, die in Reihe zwischen den Kollektor des Steuertransistors T1 und den Versorgungseingang 13 des Schnittstellen-Bausteins 7 geschaltet ist. Wie anhand von 3 noch näher erläutert wird, hält diese Zusatzschaltung 12 die Emitter-Kollektor-Spannung UEK auf einen im Wesentlichen konstanten Wert von beispielsweise 2 V, damit der Steuertransistor T1 seine Aufgabe des Empfangens und Erzeugens des Bussignales entsprechend IEC 61158-2/Manchester-Protokoll erfüllen kann. Die verbleibende Differenzspannung zwischen der Eingangsspannung UEN und der konstanten Emitter-Kollektor-Spannung UEK (6,4 V + 2 V) zur Busspannung (typischerweise 12 V) kann galvanisch entkoppelt durch die Zusatzschaltung 12 abgezweigt und auf einen Zusatzenergie-Ausgang 14 ausgegeben werden.
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Die entsprechenden Leistungen, die an den Versorgungsenergie-Ausgang 8 und dem Zusatzenergie-Ausgang 14 zur Verfügung gestellt werden können, sind wie folgt anzugeben:
Am Versorgungsenergie-Ausgang 8 stehen bei einem Busbelastungsstrom von 10 mA (15 mA) unabhängig von der Busspannung zwischen 9 V und 32 V eine Leistung P = 40 mW (48 mW) zur Verfügung.
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Am Zusatzenergie-Ausgang
14 sind bei einem entsprechenden Busbelastungsstrom von 10 mA (15 mA) bei drei typischen Busspannungen U
B folgenden Leistungen verfügbar:
| – UB = 9 V: | P = 10 mW (14 mW) |
| – UB = 12 V: | P = 35 mW (50 mW) |
| – UB = 32 V: | P = 170 mW (200 mW). |
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Neben der Grundversorgung des Feldgerätes mit einer Leistung von 40 mW (48 mW) steht also je nach Busspannung UB eine erhebliche Zusatzenergie zwischen 25% und 500% der Grundversorgungsenergie zur Verfügung. Für eine typische Busspannung von UB = 12 V ergibt sich etwa eine Verdopplung der verfügbaren Versorgungsenergie.
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Anhand von 3 ist die Zusatzschaltung 12 in einer konkreten beispielhaften Beschaltung zu erläutern. So weist die Zusatzschaltung 12 eingangsseitig einen ersten Spannungsteiler 15 gebildet aus den Widerständen R1, R2 auf, der zwischen dem Kollektor des Steuertransistors T1 und Masse 16 geschaltet ist. Eine zweiter eingangseitiger Spannungsteiler 17 bestehend aus den Widerständen R3, R4 ist zwischen dem Bus 9 und Masse 16 geschaltet. Dieser Spannungsteiler 17 ist noch durch drei in Reihe zwischen den busseitigen Widerstand R3 und seinen Mittenabgriff 18 geschaltete Dioden D1, D2, D3 ergänzt, die in diesem Spannungsteiler 17 eine zusätzliche Differenzspannung von ca. 2 V erzeugen. Der Mittenabgriff 18 des Spannungsteiles 17 und der Mittenabgriff 19 des Spannungsteilers 15 stehen mit den Eingängen eines Komparators 20 in Verbindung, der ausgangsseitig einen Schalttransistor T2 steuert. Letzterer liegt in Reihe mit der Primärwicklung 21 eines Übertragers 22. Primärwicklung 21 und Schalttransistor T2 liegen zwischen dem Kollektor des Steuertransistors T1 und dem Versorgungseingang 13 des Schnittstellen-Bausteins 7. Parallel zum Schalttransistor T2 ist eine Kapazität C1 geschaltet, die mit der Primärwicklung 21 einen Parallelschwingkreis bildet.
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Die Sekundärwicklung 23 des Übertragers 22 bildet mit einer Ausgangsdiode D4 und dem Glättungskondensator C2 den Zusatzenergie-Ausgang 14 der Zusatzschaltung 12.
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Die Funktionsweise der in 3 gezeigten Schaltung ist wie folgt zu erörtern:
Der voreingestellte Busstrom fließt in der empfohlenen Beschaltung des Schnittstellenbausteins 7 über den Steuertransistor T1 und eine interne Spannungsregelung. Dafür benötigt der Steuertransistor T1 eine Kollektor-Emitter-Spannung von ca. 2 V. Die Zusatzschaltung 12, die in Reihe zu diesem Steuertransistor T1 angeordnet ist, muss ihm diese Differenzspannung erhalten. Zu diesem Zweck werden diese beiden Spannungswerte (Kollektor- und Emitter-Spannung des Steuertransistor T1) über die Spannungsteiler 15, 17 mit den Werten R1, R3 = 24 kΩ und R2, R4 = 150 kΩ dem Komparator 20 zum Vergleich zugeführt, wobei dem Spannungsteiler 17, der die Emitterspannung des Steuertransistors abgreift, wie erwähnt drei Dioden D1, D2, D3 mit eingefügt sind. Diese drei Dioden ergeben in diesem Spannungsteiler 17 eine zusätzliche Differenzspannung von ca. 2 V entsprechend dem benötigten Spannungswert am Steuertransistor T1. Der Komparator erkennt so, ob die Differenzspannung am Steuertransistor T1 größer oder kleiner als ca. 2 V ist.
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Erkennt der Komparator 20 eine Kollektor-Emitterspannung, die kleiner als ca. 2 V ist, so schaltet er den Transistor T2 ein und der Busstrom sowie die in der Parallelkapazität C1 gespeicherte Energie fließt über den Transistor T2 und die Primärinduktivität 21 des Übertragers 22. Bei diesem Vorgang reduziert sich die Spannung über dem Parallelschwingkreis aus Primärwicklung 21 und Parallelkapazität C1 bzw. vergrößert sich die Differenzspannung am Steuertransistor T1. Die gewonnene Energie wird als magnetische Energie im Übertrager 22 gespeichert.
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Überschreitet die Differenzspannung am Transistor T1 die Hysteresespannung des Komparators 20, so schaltet der Komparator 20 den Transistor T2 wieder aus und der Busstrom fließt nur noch in die Parallelkapazität C1 und erhöht damit deren Spannung. Eine Reduzierung der Differenzspannung am Steuertransistor T1 ist die Folge. In dieser Phase baut sich das Magnetfeld im Übertrager 22 wieder ab und es wird an seiner Sekundärwicklung 23 eine Spannung erzeugt, die als Zusatzenergie genutzt werden kann. Die stetige Wiederholung dieses Vorgangs bewirkt eine konstante Differenzspannung am Steuertransistor T1 mit einer kleinen überlagerten Dreieckspannung. Die Höhe dieser überlagerten Dreieckspannung sowie die Schaltfrequenz sind gegeben durch die Höhe der Hysteresespannung und die Schaltzeiten des Komparators 20 in Zusammenhang mit den elektrischen Eigenschaften des Parallelschwingkreises aus der Parallelkapazität C1 und der Primärwicklung 21.
